橡膠摻量和粒徑對膠砂性能的影響研究

韓云婷 楊利香

摘 要：采用不同摻量和不同粒徑的橡膠顆粒改善體系的柔性，試驗結果表明：隨著橡膠顆粒摻量的增加，膠砂體系的流動度先增加后減少，當橡膠顆粒粒徑為5-6mm，摻量為20%時，膠砂流動度最大，為245mm；膠砂試件的抗壓和抗折強度隨橡膠顆粒摻量的增加均呈下降趨勢，且抗壓強度的下降趨勢大于抗折強度；小梁彎曲試件破壞時的跨中撓度隨橡膠顆粒的增加呈增加趨勢，當橡膠顆粒摻量為80%時，較基準試件其跨中撓度增加34.5%。

關鍵詞：橡膠顆粒；壓折比；破壞應變

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.001

0 引言

隨著我國交通運輸業的不斷發展，廢舊輪胎正以每年12%的速率在增長[1]。據《中國再生資源回收行業發展報告》，2017年我國廢舊輪胎的產生量高達507萬噸。但廢舊輪胎降解難度較大，相關研究表明，輪胎的自然降解年限約100年左右[2]。焚燒發電雖可利用部分廢舊輪胎，但其焚燒煙氣常含有二噁英等致癌物質，對煙氣處理系統要求較為嚴苛，這就大大限制了其焚燒利用。

基于此，本試驗采用廢舊輪胎破碎而成的橡膠顆粒等體積取代細砂，通過強度試驗和小梁彎曲試驗測試體系的強度和最大彎拉應變等，以期提升復合材料的柔性，拓展廢舊橡膠顆粒的資源化利用途徑。

1 試驗原材料

（1）水泥。水泥為萬安水泥廠生產的P.O42.5水泥，其性能符合GB175要求，其化學性能和物理性能分別見表1和表2。

（2）砂。試驗用砂采用ISO標準砂。

（3）橡膠顆粒。廢舊橡膠顆粒由河北某企業提供，橡膠顆粒粒徑為和1～2mm，3～4mm和5～6mm三種。

2 試驗方法及配合比

（1）試驗方法。膠砂流動度按照GB/T2419-2005《水泥膠砂流動度測定方法》進行；

膠砂抗壓強度和抗折強度按照GB/T17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》進行；

小梁彎曲試驗按照JTGE20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》進行。

（2）試驗配合比。橡膠顆粒采用內摻，等體積替代砂，摻量分別為0%、10%、20%、40%、60%、80%，水灰比固定為0.5，參照有關規范測定其流動度、成型試件，養護7天后測定試件的抗折強度和抗壓強度，橡膠膠砂的配合比見表3。

小梁彎曲試驗依據相關標準成型后，置于標準養護箱養護至7d，按照標準要求的尺寸進行切割，試驗配合比見表4。

3 結果與討論

3.1 橡膠顆粒對膠砂流動度的影響

摻橡膠顆粒的膠砂流動度試驗結果見圖1，從圖1可知：

（1）隨著橡膠顆粒摻量的增加，不同粒徑的橡膠膠砂的流動度均呈先增加后減小的趨勢，當摻量在15～25% 范圍時流動度達到最大。

（2）摻量相同時，較粗橡膠顆粒配制的膠砂流動性優于細顆粒，5～6mm的橡膠砂漿流動性最好，其次是3～4mm，2～3mm的流動度最小。

這是因為橡膠顆粒雖為憎水材料，但其表面也會吸收一定水分，而較小粒徑的橡膠顆粒比表面積大于較粗粒徑的橡膠顆粒，相對吸水率也較大，因而在一定程度上影響了橡膠砂顆粒膠砂的工作性能。

（3）試驗過程中觀察到，當橡膠顆粒摻量高于60%時，膠砂粘聚性變差，且大粒徑更為明顯，且可清晰觀察到成型后的橡膠顆粒外露。

3.2 橡膠顆粒對膠砂強度的影響

摻橡膠顆粒的膠砂7d抗折、抗壓強度試驗結果分別見圖2和圖3。

由圖2、圖3和圖4可知：

（1）摻加橡膠顆粒后，水泥膠砂的抗折、抗壓強度均有不同程度降低：

①橡膠顆粒粒徑大小對膠砂強度影響不大，其7d抗折、抗壓強度基本相當。

②隨著橡膠顆粒摻量的增加，摻橡膠顆粒的膠砂抗折強度大幅下降，當橡膠顆粒粒徑為5～6mm、摻量由10%增加至80%時，體系的抗折強度由7.5MPa下降到2.8MPa，較基準膠砂分別下降11%和63%。

③相較與抗折強度，隨橡膠摻量的增大，膠砂抗壓強度的下降速率更快，當橡膠顆粒粒徑為5～6mm、摻量由10%增加至80%時，體系的抗壓強度由39.9MPa下降到6.1MPa，較基準膠砂分別下降15%和85%。

橡膠顆粒的摻入造成體系強度的降低，分析其原因，主要是因為橡膠顆粒屬于惰性材料，只起填充作用，不參與水泥的水化；同時，橡膠顆粒屬于柔性粒子，與細砂相比，所起到的骨架支撐作用顯著降低，同時橡膠顆粒與水泥、砂等接觸面粘結作用較弱，水泥膠砂強度的薄弱環節，且隨著橡膠顆粒摻量的增加，膠砂中的薄弱環節也隨之增加，因此強度也隨之降低[3-4]。

（2）隨著橡膠顆粒摻量的增加，膠砂壓折比呈降低趨勢，當橡膠顆粒粒徑為5～6mm、摻量由10%增加至80%時，膠砂壓折由5.5降低至3.2。這是因為，橡膠顆粒自身模量較低，變形能力強，隨著橡膠顆粒的摻量的增加，膠砂的柔性也隨著增加。

3.3 橡膠顆粒對彎曲變形性能的影響

選取5～6mm粒徑的橡膠顆粒開展小梁彎曲變形試驗，并通過小梁試件破壞時的最大荷載、跨中撓度和極限彎拉應變等表示其彎曲變形能力，具體試驗結果見圖5～圖8。

由圖5～圖8可以看出：

（1）隨著橡膠顆粒摻量的增加，小梁試件的最大破壞荷載和抗彎拉強度均呈降低趨勢，這與膠砂試驗抗壓、抗折強度試驗結論一致；且當橡膠顆粒摻量較低時，最大破壞荷載的降低幅度較低，隨著橡膠顆粒摻量逐漸增加，最大破壞荷載的降低幅度也逐漸增加；當橡膠顆粒摻量由0%增加至80%時，最大破壞荷載和抗彎拉強度降低幅度均為68.1%。

（2）隨著橡膠顆粒摻量的增加，小梁試件的跨中撓度和最大彎拉應變均呈增加趨勢，這表明橡膠顆粒的加入可有效提高小梁試件的柔韌性；且當橡膠顆粒摻量較低時，試件的跨中撓度的增加幅度較快，隨著橡膠顆粒摻量逐漸增加，最試件的跨中撓度的增加幅度逐漸減慢，增長趨勢趨于平緩；當橡膠顆粒摻量由0%增加至80%時，試件的跨中撓度和最大彎拉應變增加幅度均為34.5%。

根據相關研究表明，彎曲變形試驗應以最大破壞荷載、抗彎拉強度和跨中撓度等均增大為最佳。但橡膠顆粒與各類纖維略有差別，由于自身模量較小，且與水泥基材料的粘結性能較差，因此摻加橡膠顆粒小梁試件變形能力的增加是以降低強度來實現的[5]。

4 結論

（1）橡膠顆粒的粒徑對膠砂的流動度有一定影響，橡膠顆粒越粗，砂漿流動性越好。

（2）橡膠顆粒粒徑大小對膠砂抗壓和抗折強度影響較小，摻量相同時，三種粒徑的橡膠顆粒配制的膠砂抗折和抗壓強度比較接近。隨橡膠顆粒摻量的增加，膠砂的抗折、抗壓強度均呈下降趨勢，且橡膠摻量較小時下降較快，隨著橡膠顆粒摻量的增加強度下降趨勢減緩；當橡膠顆粒摻量由0%增加至80%時，膠砂的抗折強度和抗壓強度分別降低63%和85%。

（3）橡膠顆粒的加入，小梁試件的最大荷載有所降低，跨中撓度有所增加。當橡膠顆粒摻量由0%增加至80%時，小梁彎曲試件的最大破壞荷載降低68.1%，跨中撓度增加34.5%。

參考文獻：

[1]楊志峰，李美江，王旭東.廢舊橡膠粉在道路工程中應用的歷史和現狀[J].公路交通科技，2005（07）：19-22.

[2]趙志遠，畢乾，王立燕，張亞梅.廢橡膠顆粒改性水泥基材料的塑性開裂和抗沖擊性能[J].混凝土與水泥制品，2008（04）：1-5.

[3]馬一平，劉曉勇，談至明，楊若沖，李陽，施仲毅.改性橡膠混凝土的物理力學性能[J].建筑材料學報，2009，12（04）：379-383.

[4]路沙沙，麻鳳海，鄧飛.橡膠顆粒摻量、粒徑影響橡膠混凝土性能的試驗分析[J].硅酸鹽通報，2014，33（10）：2477-2483+2492.

[5]劉日鑫，侯文順，徐永紅，徐開勝.廢橡膠顆粒對混凝土力學性能的影響[J].建筑材料學報，2009，12（03）：341-344.

基金項目：上海市科委研發基地建設項目（18DZ2283400）

作者簡介：韓云婷（1985-），女，碩士研究生，主要從事固體廢棄物資源化利用相關工作。