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橡胶颗粒对透水混凝土性能的作用分析

来源:原创论文网 添加时间:2020-07-27

  摘    要: 在透水混凝土中加入不同粒径、不同掺量的废旧橡胶颗粒,对试件的各项力学性能指标进行测试。结果表明废旧橡胶颗粒的加入影响了透水混凝土的骨架空隙结构,对透水混凝土的强度产生了较大的负面影响,极大地降低了弹性模量,使材料具有半柔性,而对透水性能的影响不大。制得的橡胶透水混凝土适合应用在人行道等轻交通地区。

  关键词: 橡胶颗粒; 透水混凝土; 强度; 透水性能;

  Abstract: In this study,waste rubber particles with different particle sizes and dosage were added into pervious concrete,and specimens were made to study the mechanical properties of material. The results of analysis indicate that the addition of waste rubber particles affects the skeleton void structure of permeable concrete,reduces the strength of pervious concrete,greatly reduces the elastic modulus,makes the material semi-flexible,and it has little effect on water permeability. The rubberized pervious concrete is suitable for used in light traffic areas such as pavement.

  Keyword: rubber particles; pervious concrete; strength; permeable performance;

  1、 研究背景

  据统计,全世界每年产生超过15亿条废旧轮胎,并且这一数字正在不断增大[1],因此废旧橡胶的处理已经成为了亟待解决的一大环境问题,目前主流的处理方法是燃烧、填埋,这些方式效率不高,且会造成严重的环境污染,因此近年来有学者对将废旧橡胶粉碎成颗粒,加入到水泥混凝土而制成的橡胶混凝土的性能进行了研究,这种材料可以提高混凝土的耐久性能,改善混凝土的使用性能,同时也能够有效回收废旧橡胶,带来一定的环保效益和经济效益[2]。另一方面,透水混凝土因其具有良好的透水性能,能够有效的缓解城市的热岛效应、水侵蚀和水质恶化等问题,和传统水泥混凝土相比可以有效改善城市的生态环境,因此近年来也被广泛使用[3]。因此将在透水混凝土中加入废旧橡胶颗粒,制作橡胶透水混凝土是一个新的研究方向,这种材料不仅能够满足透水混凝土透水、透气的使用要求,同时也能够回收利用废旧橡胶,减少橡胶产生的污染,并且能够使用橡胶对水泥混凝土进行改性,提高材料的韧性,因此是一种更加优秀的环境友好型材料。

  目前国内外对掺有橡胶的透水混凝土,即橡胶透水混凝土(Rubberized Pervious Concrete,RPC)的研究较少。土耳其的Mehmet Gesoglu和Erhan Güneyisi等人采用10 mm~12.5 mm的单一级配的粗骨料和强度为42.5R的硅酸盐水泥,向其中分别加入掺量为10%和20%的轮胎条、橡胶末和细橡胶末,并对试样的抗压强度、劈裂强度和透水系数等进行了测试,得到以下结论:橡胶透水混凝土具有较低的抗压强度,抗折强度和弹性模量,抗压强度最低的一组仅有6.45 MPa,但仍能满足使用需求;橡胶透水混凝土的透水系数也有所降低,但仍能够保证将雨水及时收集起来排入下层;橡胶透水混凝土能够使用在停车场、人行道和路肩等地区[4]。

  基于以上研究背景,本课题对橡胶颗粒对透水混凝土的影响进行了研究,在透水混凝土中加入了不同粒径、不同掺量的废旧橡胶颗粒,对其强度、模量和透水性能进行了测试。
 

橡胶颗粒对透水混凝土性能的作用分析
 

  2、 试验设计

  由于橡胶是一种柔性较大、弹性模量较小的有机材料,将橡胶颗粒加入透水混凝土后材料强度会降低,因此结合相关资料,选择加入一定增强剂如乳胶、硅灰和玄武岩纤维,从而在一定程度上提升材料强度。

  2.1、 原材料

  1)水泥:采用舜安牌P.Ⅱ42.5快干水泥,是强度等级不低于42.5级的硅酸盐水泥。

  2)水:普通自来水。

  3)粗集料:选用在南京生产的粒径范围在5 mm~10 mm的单一级配碎石。

  4)废旧轮胎橡胶颗粒:采用由机器破碎制成的粒径为1 mm~3 mm或3 mm~6 mm的废旧橡胶颗粒。

  5)硅灰:普通硅灰,主要化学成分为非晶态的无定型氧化硅,硅灰能够改善胶结料的级配,提高水泥浆体在硬化后的密实度,从而提高混合料的强度。

  6)乳胶:普通乳胶,能够有效填充水泥浆体凝结硬化过程中产生的细小密闭空腔,提高混合料强度。

  7)玄武岩纤维:纯天然火山岩为原料经过1 450℃~1 500℃高温熔融后经过铂铑合金快速拉制而成的纤维,是一种新型无机环保绿色高性能材料。玄武岩纤维具有较高的表面粗糙度,与水泥浆体的粘结性较好,同时因其具有极高的强度和韧性,能够提高透水水泥混凝土的强度和耐久性能。

  8)减水剂:JM-A高效减水剂。

  2.2、 试验方案

  根据相关研究结果,并结合实际情况,确定试验变量为橡胶颗粒粒径(1 mm~3 mm,3 mm~6 mm)和橡胶颗粒掺量(总集料质量分数的10%和20%)。共设计1个对照组和4个试验组,每组制作9个边长为100 mm的立方体试件和3个直径为100 mm,高为100 mm的圆柱体试件,分别用于强度和透水性能的测试。将试验的具体设计内容列于表1,表2中。

  表1 统一设计配合比
表1 统一设计配合比

  表2 各组的橡胶粒径和用量
表2 各组的橡胶粒径和用量

  2.3、 试验内容

  每组制作9个边长为100 mm的立方体试件和3个直径为100 mm,高为100 mm的圆柱体试件,放入养护室中在标准条件下养护至规定龄期。

  以3个立方体试件为一组,检测试件7 d和28 d的抗压强度以及28 d的劈裂抗拉强度。试件制作及成型养护要求按照JTG E30—2005公路工程水泥及水泥混凝土试验规程[5]进行。以3个圆柱体试件为一组,采用常水头法测定透水系数,每个试件测试三次。同时按照陶卓辉[6]的方法,对真正影响透水性能的有效孔隙率这一参数进行测定,具体方式如下:

  首先测量试件外形尺寸,并计算出试件的外形体积V0;将试件浸泡在水中使其饱水后称其在水中的重量W1,考虑多孔水泥混凝土的吸水特别厉害,取出试件在常温下放置1 h~2 h,使多孔水泥混凝土内部多余的水全部渗出,在20 min内空气重测试结果稳定后,确定试件在空气中的重量W2,则有效孔隙率p按下式计算:

  以每组3个试件测值的算术平均值为测定值,如一个测值与中值的差值超过中值的15%,则取中值为测定值;如有两个测值与中值的差值超过中值的15%,则该组试验结果作废。

  3、 试验结果

  试验按照规范要求制作,采用室内捣实成型,成型后24 h拆模放入养护室,在标准条件下(温度20℃±3℃,相对湿度大于90%)进行养护,在到达7 d或28 d龄期时取出对应试件进行试验,进行7 d抗压强度、28 d劈裂强度、28 d抗压强度、圆柱体抗压弹性模量、透水系数和有效孔隙率的测试,试验结果见表3。

  表3 各组试验结果
表3 各组试验结果

  各项试验结果见图1~图6。



  4 、试验结果分析

  根据上述试验结果和相应图表进行分析可得:

  1)与未加入橡胶颗粒的组1相比,橡胶颗粒的掺入,不论粒径大小,对透水混凝土的强度都有较大的负面作用,其中最大的一组7 d抗压强度降低了30%,由10.74 MPa降至3.18 MPa,出现在掺量为20%,粒径为3 mm~6 mm的组3;28 d抗压强度也有相似的结果,大颗粒、高掺量的组具有较低的强度,但参考Gesolu·M的成果,最低9.01 MPa的抗压强度仍能够满足人行道的基础使用需求。

  2)28 d劈裂抗拉强度是反映透水混凝土抗拉性能的一个指标,在养护28 d过后,加入橡胶颗粒的组强度明显低于组1,其强度变化情况类似抗压强度,掺量为20%,粒径为3 mm~6 mm的组3有最低的劈裂抗拉强度,仅为1.03 MPa,不适合路用需求。

  3)橡胶颗粒的加入较大程度的降低了透水混凝土的模量,对于组3,模量降低了超过50%,使得材料具有一定的塑性,成为了一种半柔性材料。橡胶颗粒掺量越多,橡胶颗粒粒径越大,模量下降越多。这一现象的原意在于橡胶具有较强的柔性,橡胶颗粒越多,粒径越大,对原有的骨料组成的骨架空隙结构的破坏越大,从而使结构的柔性增加,弹性模量降低。

  4)透水系数和有效孔隙率能够反映出透水混凝土的透水性能,综合来看,尽管加入了一定量的较小粒径的橡胶颗粒,各组仍有足够的透水性能;废旧橡胶颗粒的粒径对透水性能的影响比掺量大。透水性能最差的一组是掺量为20%,粒径为1 mm~3 mm的组5,但该组仍能够满足透水要求。



  5、 结语

  通过将废旧橡胶粉碎成颗粒加入透水混凝土中制成橡胶透水混凝土,能够有效的回收利用这种难以回收利用的材料,而本研究对橡胶透水混凝土的强度与透水性能进行了研究,研究发现橡胶的加入较大程度的降低了透水混凝土的强度,较大提升了材料的柔韧性,使橡胶透水混凝土成为半柔性材料,而对透水性能的影响不大,具有一定的实用性,能够应用于人行道、路肩等轻交通地区。通过对比,最终推荐使用试验组4(掺量为10%,粒径为1 mm~3 mm)。

  参考文献

  [1] 刘誉贵.橡胶混凝土性能研究进展[J].合成材料老化与应用,2017,46(4):83-87.
  [2] 杨朝霞.橡胶混凝土强度细观机理研究[D].郑州:郑州大学,2017.
  [3] 陈超,王义恒,陈琴.透水混凝土配合比设计及测试方法[J].建材世界,2018,39(2):18-22.
  [4] Gesoglu M,Güneyisi E,Khoshnaw G,et al.Investigating properties of pervious concretes containing waste tire rubbers[J].Construction&Building Materials,2014,63(63):206-213.
  [5] JTG E30—2005,公路工程水泥及水泥混凝土试验规程[S].
  [6] 陶卓辉.多孔水泥混凝土路面材料设计及性能研究[D].南京:东南大学,2006.

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