摻加橡膠顆粒透水混凝土的路用性能

裴福才　李強　李峰

摘要：為研究摻加橡膠顆粒透水混凝土的性能，選用粒徑分別為2.00、0.60、0.18 mm的等體積橡膠顆粒替代粒徑為2.36～4.75 mm的細集料，制備透水混凝土，橡膠顆粒與水泥的質量比分別為0.05、0.10、0.15，研究橡膠顆粒對透水混凝土透水性、力學性能及抗凍性能的影響。試驗結果發現：隨橡膠顆粒與水泥質量比的增大，透水混凝土試件的連通空隙率、透水速率及抗凍融性提高，抗壓強度和抗變形能力減??；隨橡膠顆粒粒徑的減小，透水混凝土試件的連通空隙率、透水速率減小，抗壓強度提高，抗凍性能變化不大。粒徑為0.18 mm的橡膠顆粒與水泥的質量比為0.05時，透水混凝土試件的抗壓強度和抗變形能力最佳。摻橡膠顆粒透水混凝土的抗凍融性能明顯優于普通透水混凝土，粒徑為0.18 mm的橡膠顆粒與水泥的質量比為0.10時透水混凝土的抗凍融性能最好。

關鍵詞：橡膠顆粒；透水混凝土；透水性能；抗壓強度；抗凍融性；抗變形能力

中圖分類號：U416.216文獻標志碼：A文章編號：1672-0032（2024）01-0037-06

引用格式：裴福才，李強，李峰.摻加橡膠顆粒透水混凝土的路用性能［J］.山東交通學院學報，2024，32（1）：37-42.

PEI Fucai，LI Qiang， LI Feng. Pavement performance of permeable concrete mixed with rubber particles［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2024，32（1）：37-42.

0 引言

隨海綿城市的蓬勃發展，透水混凝土因透水、透氣等優點應用廣泛，可緩解城市內澇，補充地下水，調節城市溫濕度，有效緩解城市的熱島效應，研究透水混凝土的性能具有重要的現實意義[1]。

通過加入硅粉、外加劑、纖維等材料可改善透水混凝土的路用性能。劉秋美等[2]發現橡膠顆?？商岣咄杆炷恋膹椥阅Ａ?，但抗壓強度和透水性降低。Ganjian等[3]研究表明透水混凝土的抗拉壓強度隨橡膠顆粒用量的增大而先增大后減小。陳永鋒等[4]發現摻入橡膠顆粒使透水混凝土的抗壓強度大幅減小，柔韌性提升，對透水性的影響不明顯。張登祥等[5]試驗研究表明橡膠顆粒與水泥的質量比顯著影響透水混凝土的耐磨耗性能。毛阿妮[6]研究橡膠顆粒的粒徑及其與水泥的質量比對透水混凝土的耐磨耗性能及抗凍融性能的影響，發現橡膠顆粒與水泥的質量比為0.03時，透水混凝土的路用性能最好。解偉等[7]發現透水混凝土的透水性能和力學性能隨橡膠顆粒與水泥的質量比的增大而減弱。范程程[8]研究橡膠再生透水混凝土，結果表明摻入橡膠顆粒后透水混凝土的力學性能降低，韌性明顯提高。楊春峰等[9]發現較細的橡膠顆粒能提高透水混凝土的抗壓強度。秦金洲等[10]研究透水混凝土性能的影響因素，發現橡膠顆粒細度顯著影響透水混凝土的抗壓強度及透水系數，其次為錘擊次數、透水混凝土增強劑與水泥的質量比。Su等[11]采用3.0、0.5、0.3 mm 3組單種橡膠顆粒樣品和連續尺寸分級的樣品，等體積代替20%的天然細骨料，研究發現與單一尺寸的橡膠顆粒相比，連續分級的橡膠混合物的透水性更好。Zhang等[12]、Li等[13]發現橡膠顆粒的柔軟特性有利于減少水泥砂漿的干收縮，提高透水混凝土的耐凍性。Gupta等[14]將橡膠聚合物加入透水混凝土，減小透水混凝土在酸腐蝕環境中的質量損失。

為提高橡膠顆粒透水混凝土的性能，可對橡膠進行化學處理。周游[15]采用NaOH溶液和氧化-尿素改性廢舊橡膠，發現改性后的橡膠與水泥漿的黏結作用更好，界面裂縫明顯縮小。陳永鋒等[16]發現采用硅烷偶聯劑對廢舊橡膠顆粒改性可極大地改善橡膠透水混凝土的抗壓強度。Pelisser等[17]發現將橡膠經NaOH溶液處理后再加入硅粉，有助于恢復透水混凝土的抗壓強度。Khern等 [18]同時用NaOH溶液和次氯酸鈣溶液處理廢棄輪胎橡膠，可明顯改善透水混凝土的抗壓強度。已有文獻多研究摻入橡膠及橡膠混合物對透水混凝土性能的影響，但未系統研究橡膠顆粒粒徑及質量對透水混凝土力學性能的影響。

本文研究摻加橡膠顆粒不同粒徑、不同用量時，透水混凝土試件的透水性、抗壓強度及抗凍融性能的變化規律，以期提高透水混凝土的路用性能，擴大應用領域。

1 試件制備

試驗采用P.O 42.5硅酸鹽水泥，粗集料為臨沂產玄武巖碎石，集料粒徑分別為2.36～4.75、>4.75～9.5、>9.5～13.2 mm，3個梯度集料的質量比為2：7：10。橡膠顆粒的密度為1.12 g/cm 吸水率小于10%。

依據實際施工經驗，水灰比通常為0.25～0.40，設定本試驗水灰比為0.30。為確保透排水功能正常，設定目標空隙率為18%。確定骨料間隙率，依據目標空隙率采用體積法確定水泥及用水量。選用粒徑d分別為2.00、0.60、0.18 mm的橡膠顆粒，設計3種制備方案，橡膠顆粒與水泥的質量比m分別為0.05、0.10、0.15，等體積取代粒徑為2.36～4.75 mm的細集料，每m3透水混凝土水的用量為99.59 kg，水泥的用量均為331.95 kg，未摻橡膠顆粒的集料的用量為1 676.38 kg。透水混凝土材料用量如表1所示。

按材料配比稱出各材料用量，采用二次投料法充分混合各原材料，將集料與1/3的水倒入攪拌機混合，攪拌30 s后倒入水泥、橡膠顆粒等材料，攪拌60 s后將剩余的水加入攪拌機中，再攪拌60 s后停止。為使混合料中的集料充分嵌鎖，裝料后對試件進行擊實成型，試件的長、寬、高分別為100、100、100 mm，保證材料處于緊密堆積狀態。將密實后的試件在標準養護條件下養護24 h后脫模，標準養護條件下養護7、28 d后進行相關試驗測試。

2 透水性能

對養護28 d的試件進行空隙率和滲水能力測試，采用無壓力滲水儀測試滲水，模擬自然降水條件下試件的透水能力，不同試件的連通空隙率和透水速率如表2所示。未摻橡膠顆粒的透水混凝土試件的連通空隙率為14.96%，透水速率為7.75 mm/s。

由表2可知：橡膠顆粒粒徑對透水混凝土的連通空隙率有較大影響，橡膠顆粒用量一定時，隨橡膠顆粒粒徑的減小，連通空隙率減小，m=0.05時的透水速率增大，m=0.10，0.15時的透水速率減小。橡膠顆粒粒徑為2.00 mm時，透水混凝土的連通空隙率、透水速率隨橡膠顆粒用量的增大而增大；橡膠顆粒粒徑為0.60、0.18 mm時，透水混凝土的連通空隙率、透水速率隨橡膠顆粒用量的增大而減小。粒徑較?。６容^細）的橡膠顆粒不利于透水混凝土試件密實成型，橡膠顆粒變形大，對成型功起緩沖耗散作用，影響骨料的嵌鎖密實。粒徑目數較小的橡膠顆粒對骨料間空隙起填充作用，減小空隙率[19-20]。

3 力學性能

3.1 抗壓強度

測試分別養護7、28 d的透水混凝土試件的抗壓強度，分析橡膠顆粒粒徑及用量對透水混凝土性能的影響，結果如表3所示。未摻橡膠顆粒的透水混凝土養護7、28 d的抗壓強度分別為17.60、21.60 MPa。

由表3可知：制備方案、養護齡期相同時，透水混凝土試件的抗壓強度基本隨橡膠顆粒粒徑的減小而增大；養護齡期相同、橡膠顆粒粒徑相同時，透水混凝土試件的抗壓強度隨橡膠顆粒用量的增大而減小，且橡膠顆粒用量越大，試件的抗壓強度減小幅度越大。

橡膠顆粒的粒徑為0.18 mm、m=0.10時制備的透水混凝土試件，養護7 d后的抗壓強度與未摻橡膠顆粒的試件相比變化不大，養護28 d后前者的抗壓強度卻有一定程度增大。隨橡膠顆粒與水泥質量比的繼續增大，透水混凝土試件的抗壓強度快速減小。主要原因是適量的細橡膠顆粒能填充透水混凝土粗集料間的空隙，使混凝土更密實，增大粗集料間的黏結面積，增大透水混凝土的抗壓強度。橡膠顆粒剛度小，與水泥的結合能力差，橡膠顆粒較多時，大量水泥漿裹覆在橡膠顆粒表面，集料周圍的水泥漿包裹厚度減小，透水混凝土的抗壓強度減小[21]。

3.2 抗變形能力

不同透水混凝土的破壞形態如圖1所示，摻橡膠顆粒試件的破壞形態有明顯的塑性特征。橡膠顆粒粒徑為0.18 mm時，m=0.05時制備的透水混凝土試件的抗壓強度最大。透水混凝土多應用在非機動車道、廣場和停車場等地，路面作用荷載較小，變形能力對透水混凝土的開裂有重要影響。研究養護7 d、橡膠顆粒粒徑為80目的透水混凝土試件在荷載作用下的抗變形能力，結果如圖2所示。

由圖2可知：各透水混凝土試件的位移均隨荷載的增大而增大，荷載增大到一定范圍后位移繼續增大，荷載減??；透水混凝土試件的位移隨橡膠顆粒用量的增大在加載初期基本相同，隨荷載繼續增大而迅速增大，且位移-荷載曲線差異顯著，最大荷載對應的試件位移隨橡膠顆粒用量的增大而顯著增大。m=0.05時制備的試件的位移-荷載曲線與未摻加橡膠顆粒的試件相似，二者在加載初期差異明顯，前者的初始位移增大較快，隨荷載繼續增大，前者的荷載-位移曲線的斜率與后者接近。因此，摻入少量橡膠顆?？商岣咄杆炷恋目棺冃文芰?。

摻加橡膠顆?？商嵘杆炷恋捻g性，提高抗變形能力。橡膠顆粒的彈性模量比骨料和硬化水泥漿體小，但變形恢復能力強。透水混凝土中的橡膠顆粒被水泥漿體包裹形成水泥膠漿，橡膠顆粒較少時，橡膠顆粒間距較大，水泥膠漿的性質主要由水泥硬化產物性質決定；橡膠顆粒較多時，橡膠顆粒間逐漸形成骨架，水泥膠漿的性質明顯受橡膠顆粒影響。橡膠顆粒的用量有合理范圍，摻加粒徑為80目的橡膠顆粒m=0.10時有利于提升透水混凝土的抗壓強度和抗變形能力。

3.3 抗凍性能

對制備的試件進行凍融試驗，比較不同凍融循環次數下，橡膠顆粒粒徑和用量對透水混凝土抗凍性能的影響。凍融試驗前測試各組試件的初始抗壓強度。不同凍融循環次數后的抗壓強度與初始抗壓強度之比為殘留凍融強度比，作為抗凍融能力的評價指標。透水混凝土的空隙率較大，空隙被水填滿的情況較少，試件先浸水24 h，取出放置10 min，使部分水自由流出后再進行凍融試驗，不同透水混凝土試件的殘留凍融強度比如表4所示。未摻橡膠顆粒的透水混凝土試件凍融50、100、150次的殘留凍融強度比分別為0.94、0.89、0.82。

由表4可知：摻橡膠顆粒試件的殘留凍融強度比均比未摻加橡膠顆粒的試件大，摻加橡膠顆粒明顯改善透水混凝土的抗凍性能；同一制備方案、橡膠顆粒粒徑相同時，透水混凝土試件的殘留凍融強度比均隨凍融次數的增大而減??；橡膠顆粒粒徑相同、凍融循環次數相同時，隨橡膠顆粒用量的增大，試件的殘留凍融強度比變化不大；同一制備方案、凍融循環次數相同時，隨橡膠顆粒粒徑的減小，試件的殘留凍融強度比變化不大。m=0.15時透水混凝土試件的殘留凍融強度比最大。

透水混凝土中宏觀空隙較多，凍融過程中可消耗一部分水分體積膨脹造成的壓力，但水泥硬化漿體及其與骨料間的界面過渡區產生凍融微細觀損傷。加入橡膠顆粒后，橡膠顆粒受力發生彈性變形，消耗部分水泥漿體內微小空隙及漿體間的封閉空隙中由水分結冰膨脹造成的壓力，減少漿體及界面的破壞。橡膠顆粒太多時，水泥漿體對橡膠顆粒的包裹厚度較小，二者的界面黏結作用變弱，凍融作用下易在水泥漿-橡膠顆粒材料界面產生損害，透水混凝土的抗凍性能降低。

4 結論

1）橡膠顆粒粒徑和用量對透水混凝土的連通空隙率和透水能力均有明顯影響。隨粒徑目數相對較小的橡膠顆粒用量的增大，透水混凝土的連通空隙率顯著減小，透水能力降低。隨粒徑目數相對較大的橡膠顆粒用量增大時，透水混凝土試件不易密實成型，透水混凝土的連通空隙率增大。

2）隨橡膠顆粒用量的增大，透水混凝土的抗壓強度逐漸減小。橡膠顆粒用量相同時，粒徑為80目的橡膠顆粒的透水混凝土抗壓強度較高；橡膠顆粒用量較小時，透水混凝土的抗變形能力顯著提高。

3）橡膠顆粒用量相同時，透水混凝土試件的抗壓強度隨凍融次數的增大而減小，一定量的橡膠顆?？商岣咄杆炷恋目箖鋈谀芰?。凍融環境下，綜合考慮透水混凝土的抗壓強度和殘留凍融強度比，應摻加粒徑為80目的橡膠顆粒，與水泥的質量比為0.10。

后續應進一步研究更細橡膠顆粒的合理用量，分析橡膠顆粒與水泥漿體的相互作用機理。

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Pavement performance of permeable concrete mixed with rubber particles

PEI FucaiLI QiangLI Feng2

Abstract：To study the performance of permeable concrete with rubber particles， rubber particles with diameters of 2.00， 0.60， and 0.18 mm are selected and mixed with concrete. The mass ratios of rubber particles to cement are 0.05， 0.10， and 0.15， respectively. The fine aggregate with particle size of 2.36 to 4.75 mm is replaced with equivalent volume by rubber particles. The effects of rubber particles on the permeability， mechanical properties， and freeze-thaw resistance of permeable concrete are investigated. Experimental results show that as the mass ratio of rubber particles to cement increases， the connected void ratio， permeability rate， and freeze-thaw resistance of the concrete specimens improves， while the compressive strength and deformation resistance decreases. As the particle size of rubber particles decreases， the connected void ratio and water permeability rate of the permeable concrete specimens decreases， while the compressive strength increases slightly， and the freeze-thaw performance remains relatively stable. When the mass ratio of 0.18 mm rubber particles to cement is 0.05， the compressive strength and deformation resistance of the permeable concrete specimens are the best. The freeze-thaw resistance of rubber particle-modified permeable concrete is significantly better than that of ordinary permeable concrete. When the mass ratio of 0.18 mm rubber particles to cement is 0.10， the freeze-thaw resistance of permeable concrete is the highest.

Keywords：rubber particle; permeable concrete; permeability; compressive strength; freeze-thaw resistance; deformation resistance

（責任編輯：王惠）

收稿日期：2022-04-25

基金項目：山東省自然科學基金資助項目（ZR2021ME004）；住房和城鄉建設部科技項目（2020-K-063）

第一作者簡介：裴福才（1982—），男，山東菏澤人，高級工程師，大學本科，主要研究方向為高速公路建設，E-mail：747082124@qq.com。