橡膠粉-水泥砂漿柔性人造粗骨料的制備及性能

摘要：為提高混凝土材料的減震吸能性能，將廢舊輪胎橡膠粉摻入到水泥砂漿中制備兼具承載和吸能作用的柔性人造粗骨料，通過骨料密度、吸水率、壓碎指標(biāo)、單顆強度、自由落體回彈及混凝土單軸壓縮等測試，研究了橡膠粉摻量、粒徑對人造粗骨料基礎(chǔ)性能、力學(xué)與能量耗散性能的影響。結(jié)果表明：橡膠粉-水泥砂漿柔性人造粗骨料的各項基礎(chǔ)性能良好，且具有良好的抗壓強度，能夠顯著改善混凝土的能量耗散性能。在橡膠粉粒徑250～380 μm、摻量體積分數(shù)20% 條件下，柔性人造粗骨料比天然骨料的能量耗散率提升了21.1個百分點，在保證混凝土抗壓強度的情況下，含柔性人造粗骨料混凝土較天然骨料混凝土耗散能量提高了1.294 MJ·m-3。研究制備的柔性人造粗骨料能夠顯著改善混凝土的能量耗散性能，為有高自減震性能要求的工程提供了新材料，同時可實現(xiàn)廢舊橡膠資源化利用。

關(guān)鍵詞：橡膠粉 柔性人造粗骨料 能量耗散 混凝土

中圖分類號：TU528.041; X783.3" 文獻標(biāo)志碼：A" 文章編號：1671-8755（2024）03-0050-07

Preparation and Properties of Rubber Powder-Cement Mortar

Flexible Artificial Coarse Aggregate

ZHANG Keying， GU Tao， WANG Shilan， ZOU Mengtong，

ZHANG Gaoyin， LIU Laibao， ZHANG Lihua

（School of Materials and Chemistry，Southwest University of Science and Technology，

Mianyang 621010， Sichuan， China）

Abstract：" To improve the vibration damping and energy dissipation performance of concrete materials，" waste tire rubber powder was added into cement mortar to produce flexible artificial coarse aggregate with both load-bearing and energy dissipation capabilities. Through various tests such as bulk density， water absorption rate， crushing index， single particle strength， free-fall rebound， and uniaxial compression of concrete， the study explores the influence of rubber powder content and particle size on the basic properties， mechanical properties， and energy dissipation performance of the artificial coarse aggregate. The results show that the flexible rubber powder-cement mortar artificial coarse aggregate has good basic performance and good compressive strength and can significantly improve the energy dissipation performance of concrete. Under the condition of using rubber powder particles with a size range of 250-380 μm and a volume addition of 20%， the energy dissipation rate of flexible artificial coarse aggregate has increased by 21.2 percentage points compared to natural aggregate. The energy dissipation of concrete containing flexible artificial coarse aggregate is 1.294 MJ·m-3 higher than that of natural aggregate concrete while the compressive strength is unaffected. The flexible artificial coarse aggregate prepared by the research can significantly improve the energy dissipation performance of concrete， which provides new materials for projects with high self-damping performance requirements and achieves the reuse of waste rubber resources.

Keywords：" Rubber powder；Flexible artificial coarse aggregate；Energy dissipation；Concrete

碎石、卵石等粗骨料作為混凝土的剛性骨架材料是混凝土的重要組成部分［1- 2］。常規(guī)粗骨料與水泥基體可看作是“剛+剛”組合，它們在賦予混凝土良好的承載能力的同時，也使得常規(guī)混凝土具有脆性大、吸能減震能力弱等缺點，區(qū)別于常規(guī)施工環(huán)境，路面工程［3］、深部巷道支護［4］、大型精密儀器安裝［5］等工程應(yīng)用中，需要采用抗沖擊性、能量吸收與耗散能力強的混凝土。田耀剛等［6］將阻尼器加入混凝土中，提高混凝土的減震吸能性能，但金屬阻尼器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制備流程繁瑣，成本較高，制約其廣泛應(yīng)用。如何設(shè)計兼具承載性與減震吸能功能且成本低廉的混凝土材料是亟待解決的問題。

全世界每年產(chǎn)生10億多個廢舊輪胎，其中50% 以上的輪胎直接被丟棄，形成了嚴重的黑色污染［7］。研究發(fā)現(xiàn)，將廢舊輪胎粉碎制備的橡膠粉作為混凝土細集料，可以改善混凝土的抗沖擊性能。Eltayeb等［8］的研究表明，將橡膠粉作為細骨料替代部分天然砂，可有效改善混凝土的減振與抗沖擊性能。Pham等［9］研究了由橡膠粉作為細骨料制成的橡膠集料混凝土的動態(tài)力學(xué)特性，結(jié)果表明，與普通混凝土相比，橡膠集料混凝土具有優(yōu)異的抗沖擊性能。但是，Moustafa等［10］研究發(fā)現(xiàn)由于橡膠粉與水泥石之間存在天然的有機-無機弱界面，導(dǎo)致橡膠集料混凝土的強度隨著橡膠粉摻量的增加而降低，較高的橡膠粉摻量會顯著降低混凝土力學(xué)強度。因此，在保證橡膠粉基混凝土材料的力學(xué)強度的前提下，提高其吸能能力成為重點關(guān)注的問題。

本文提出將橡膠粉摻入水泥砂漿中制備球形柔性人造粗骨料，期望解決天然骨料剛度大和大摻量橡膠粉降低混凝土強度的問題。設(shè)計了橡膠粉-水泥砂漿柔性人造粗骨料（Artificial coarse aggregate with rubber powder， AAR）的配合比，通過骨料密度、吸水率、壓碎指標(biāo)、單顆強度、自由落體回彈及混凝土單軸壓縮等實驗及表征手段，研究了不同橡膠粉摻量與粒徑對人造粗骨料基礎(chǔ)性能、力學(xué)與能量耗散性能的影響，制備了具有較高吸能與承載能力的功能性人造粗骨料，驗證了AAR改善混凝土吸能減震能力的可行性。

1 實驗材料與方法

1.1 原材料

水泥：P·O 42.5R水泥，四川雙馬水泥制造有限公司，中值粒徑為13.84 μm，密度為3 040 kg/m3。

砂：廈門艾斯歐標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司出品的標(biāo)準(zhǔn)砂，細度模數(shù)為2.2，表觀密度為2 660 kg/m3。

碎石：粒徑范圍16～19 mm，密度為 2 583 kg/m3。

橡膠粉：四川金摩爾環(huán)保新材料公司，粒徑為20～40目（380～830 μm）（記為R30）與粒徑為40～ 60目（250～380 μm）（記為R50）的橡膠粉，表觀密度分別為1 316，1 336 kg/m3，堆積密度分別為636，645 kg/m3。

水：實驗室自來水。

1.2 人造粗骨料制備方法

為研究含不同摻量、粒徑橡膠粉的柔性人造粗骨料的性能，試驗配合比設(shè)計參照國家標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T 98—2010《普通砂漿配合比設(shè)計規(guī)程》，橡膠粉采用等體積替代細骨料，其替代率依次為0%，10%，20%，30%。詳見表1。

橡膠粉-水泥砂漿柔性人造粗骨料的制備流程如圖1所示。（1）將各原材料按照配比稱量，放入砂漿攪拌機充分攪拌，制備含橡膠粉水泥砂漿；（2）采用球形模具（R=16 mm）成型，24 h后脫模；（3）放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱內(nèi)分別養(yǎng)護1，7，28 d，最終制得橡膠粉-水泥砂漿柔性人造粗骨料。

1.3 混凝土制備方法

以C30普通混凝土為基準(zhǔn)，按照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》進行配合比設(shè)計，見表2，并用橡膠粉-水泥砂漿柔性人造粗骨料替代混凝土中的天然粗骨料，制備含柔性人造粗骨料混凝土。

1.4 測試方法

1.4.1 基礎(chǔ)性能測試

參考JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)》與GB/T 25177—2010 《混凝土用再生粗骨料》測試含橡膠粉人造粗骨料的密度、吸水率、壓碎指標(biāo)和堅固性。

1.4.2 人造粗骨料單顆強度試驗

采用美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM-D4179-01中的單顆粒強度測試表征人造粗骨料的破碎強度。測量人造粗骨料兩個垂直方向的直徑，取平均值。將骨料放置在壓力試驗機兩平行板之間，控制加載速度1 mm/min，記錄骨料破碎時的最大壓力值，每組取人造粗骨料30顆。根據(jù)施敏蛟等［11］的研究，通過式（1）計算骨料的單顆強度：

σc=2.8Fcπd2m（1）

式中：σc是骨料單顆強度（MPa）；Fc是骨料破壞時的荷載（kN）；dm是骨料的平均直徑（m）。

1.4.3 自由落體回彈試驗

骨料自由落下后的回彈高度可用來度量柔性人造粗骨料的吸能性能。參照CECS 02—2005和胡時等［12］研究，自制自由落體回彈實驗裝置如圖2所示。測試時，讓骨料從高度為0.85 m的水平臺面自由落下，用高速攝像機捕捉回彈現(xiàn)象，重力加速度取9.81 m/s2。

定義能量耗散率EDR表示不同試樣的吸能性能，計算公式如下：

EDR1=EalEp0（2）

Eal=Ep0-Ep1（3）

式中：EDR1為第一次回彈的能量耗散率（%）；Eal為第一次回彈耗散能量；Ep0 為初始位置的重力勢能（J）；Ep1 為第一次回彈最高點的重力勢能 （J）。

1.4.4 單軸壓縮試驗

為了評價柔性人造粗骨料摻入混凝土后的吸能性能，通過單軸壓縮試驗得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線并計算混凝土的耗散能量。根據(jù)熱力學(xué)原理，材料破壞是能量驅(qū)動下內(nèi)部微缺陷不斷發(fā)展、強度不斷弱化并最終喪失的過程。如圖3所示，在單軸壓縮下，輸入能最終轉(zhuǎn)化為彈性應(yīng)變能、耗散能、動能及熱能交換形式釋放能量，其中熱能交換形式釋放的能量可忽略不計，由于試件破壞后表面碎片大多是自然掉落，所以動能也可忽略不計［13］。因此，橡膠混凝土中能量的演化可看作總輸入能量轉(zhuǎn)化為材料內(nèi)部的彈性應(yīng)變能和耗散能。單軸壓縮下試件單位體積內(nèi)的應(yīng)力功及能量計算公式如下：

U=∫ε10σ1dε（4）

Ue=12E0σ21（5）

Ud=U-Ue（6）

式中：U為單位體積做功輸入的總應(yīng)變能；Ue為單位體積內(nèi)儲存的可釋放彈性應(yīng)變能；Ud為單位體積內(nèi)所耗散的能量；E0為初始彈性模量；σ1為加載段的應(yīng)力值；ε1為卸載的初始應(yīng)變值；Eu為試樣的卸載彈性模量。因為沒有進行卸載過程，則沒有卸載彈性模量Eu，因此在計算過程中用單軸壓縮過程中彈性變形階段獲得的初始彈性模量E0來代替Eu ［14-15］。

2 結(jié)果與討論

2.1 橡膠粉對人造粗骨料基礎(chǔ)性能的影響

含不同摻量橡膠粉的粗骨料、天然骨料的密度和吸水率如表3。

由表3可知，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d柔性人造粗骨料的各項基礎(chǔ)性能均符合GB/T 25177—2010 《混凝土用再生粗骨料》標(biāo)準(zhǔn)基本要求。隨著橡膠粉的摻入，柔性人造粗骨料的密度明顯降低，橡膠粉摻入體積分數(shù)為30% 時，R50柔性人造粗骨料、R30柔性人造粗骨料的表觀密度比未摻橡膠粉的柔性人造粗骨料分別降低12.3%，17.7%，比天然骨料分別降低19.5%，23.3%。原因是橡膠粉自身密度較低且具有引氣效果［16］，在摻入砂漿后會引入大量空氣，使得砂漿內(nèi)的孔隙增多，進而降低骨料的表觀密度。同時，孔隙的增加導(dǎo)致人造粗骨料的吸水率明顯上升，AAR30C20的吸水率最高為6.70%，比天然骨料（NA）增大了5.54個百分點。隨著橡膠粉摻量增大，壓碎指標(biāo)明顯提高，AAR50C30比AAR50C20壓碎指標(biāo)提高0.82個百分點，比天然骨料壓碎指標(biāo)提高6.87個百分點，表明柔性人造粗骨料的硬度相比天然骨料顯著下降，且AAR50C20的堅固性為5.08%，符合標(biāo)準(zhǔn)中堅固性Ⅰ級，表示該配合比的柔性人造粗骨料比其余摻入橡膠粉的人造粗骨料更不容易破碎。橡膠粉在相同的摻量下，R30的柔性人造粗骨料吸水率比R50的柔性人造粗骨料高，說明隨著橡膠粉粒徑增大，孔隙增多，使得吸水率明顯提升，從而使得R30的柔性人造粗骨料壓碎指標(biāo)與堅固性也低于R50的柔性人造粗骨料。

2.2 橡膠粉對人造粗骨料強度的影響

由圖4（a）可得，在橡膠粉摻量一定時，隨著橡膠粉粒徑的增大，柔性人造粗骨料強度有下降趨勢，AAR50C20強度比AAR30C20強度有明顯提高。齡期為1 d時AAR50C20強度比AAR30C20強度提升17.8%，28 d時強度提升12.4%。說明R50的柔性人造粗骨料單顆粒強度優(yōu)于R30的柔性人造粗骨料。由圖4（b）可得，在橡膠粉粒徑一定時，橡膠粉的摻量越高，柔性人造粗骨料強度越低。標(biāo)養(yǎng)1 d時，未摻橡膠粉的AAC抗壓強度為3.62 MPa，AAR50C30強度為1.99 MPa，比AAC下降了45.1%；而標(biāo)養(yǎng)28 d 時，未摻橡膠粉的AAC抗壓強度為 9.07 MPa，AAR50C30強度為3.64 MPa，比AAC下降了 59.9%。原因主要有兩個方面：首先橡膠粉摻入具有引氣效果，增加了人造粗骨料的孔隙率；其次橡膠粉是有機高分子材料，其與水泥漿基體的界面黏結(jié)強度比砂與水泥漿基體間的界面黏結(jié)強度低［17］，外界施壓時橡膠粉-水泥漿基體界面容易脫黏產(chǎn)生裂縫。

2.3 橡膠粉對人造粗骨料能量耗散性能的影響

2.3.1 人造粗骨料的能量耗散能力

通過自由落體回彈試驗測定人造粗骨料的能量耗散能力，采用高速攝像機捕捉骨料回彈軌跡。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d時，NA，AAC，AAR50C10，AAR50C20，AAR50C30所對應(yīng)的回彈高度為32.1，23.4，18.3，14.6，8.2 cm。通過式（2）、式（3）計算出不同骨料在自由落體回彈過程中耗散能量值為0.104，0.122，0.131，0.139，0.151 J。

將NA與AAR骨料的能量值及能量耗散率進行對比，結(jié)果如圖5所示。隨著柔性人造粗骨料中橡膠粉摻量增多，回彈高度逐漸降低，導(dǎo)致能量耗散增大，NA，AAC，AAR50C10，AAR50C20，AAR50C30的能量耗散率分別為62.4%，72.9%，78.8%，83.5%，90.6%，其中AAR50C20骨料的能量耗散率比天然骨料提升了21.1個百分點，說明橡膠粉摻量增多， 所制備的柔性人造粗骨料具有較好的能量耗散能力。

2.3.2 人造粗骨料混凝土的能量耗散能力

通過單軸壓縮試驗測試人造粗骨料混凝土的能量耗散能力。按照表2配合比設(shè)計制備含柔性人造粗骨料的混凝土，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d，測定養(yǎng)護28 d的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，結(jié)果如圖6所示，通過式（4）、式（5）、式（6）計算單位體積峰值應(yīng)力下的U，Ue和Ud，結(jié)果如表4所示。CA試樣強度最高是因AAC骨料摻入混凝土增加了混凝土中水泥的含量，導(dǎo)致強度提高，而CA30試樣強度較低是因為含橡膠粉柔性人造粗骨料的單顆強度下降，從而影響了其混凝土強度。但CA10試樣僅比NC試樣抗壓強度降低6.67%，而CA20試樣抗壓強度比NC試樣抗壓強度增加了0.34 MPa，說明AAR50C20骨料的摻入對混凝土力學(xué)性能影響較小。摻入柔性人造粗骨料的混凝土能量耗散能力均比天然骨料混凝土增強，其中CA20試樣的耗散能量最高，比天然骨料混凝土單位體積下的耗散能量提高了1.294 MJ/m3，說明摻入柔性人造粗骨料在保證混凝土抗壓強度的同時，對混凝土的吸能性能有所提高。CA30試樣的耗散能量出現(xiàn)下降趨勢，是因為其中所含柔性人造粗骨料的橡膠粉摻量較高，與水泥基體界面膠結(jié)薄弱，導(dǎo)致單顆強度較低，承壓能力下降，混凝土裂紋增多趨于破壞。實驗表明含橡膠粉的柔性人造粗骨料中的橡膠粉最佳摻量為體積分數(shù)20%。

3 結(jié)論

將廢舊輪胎橡膠粉摻入水泥砂漿中制備兼具承載和吸能作用的柔性人造粗骨料，研究了橡膠粉摻量、粒徑對人造粗骨料基礎(chǔ)性能、力學(xué)與能量耗散性能的影響，得到如下結(jié)論：（1）橡膠粉摻量和粒徑是影響柔性人造粗骨料性能的關(guān)鍵因素。在橡膠粉摻量體積分數(shù)20%、粒徑250～380 μm條件下，具有最佳的單顆強度和能量耗散能力。（2）柔性人造粗骨料替代天然骨料摻入混凝土中可在保持混凝土強度的同時有效改善混凝土的能量耗散性能，可使混凝土的耗散能量提高1.294 MJ/m3。（3）不同粒徑的橡膠粉-柔性人造粗骨料及配合比對混凝土性能的影響有待進一步研究。

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