一种改性废旧橡胶透水混凝土制备及性能试验

严超群，呼加瑞，谢 李

(1.杨凌职业技术学院 交通与测绘工程学院，陕西 杨凌 712100；2.中国葛洲坝集团第三工程有限公司，陕西 西安 710065)

透水混凝土是目前道路工程中最常用的一种铺设材料，在使用时，能有效避免积水带来的路面湿滑，增加人们出行的安全性。但普通透水混凝土受自身材料和结构的影响，弹性模量高，抗冻融性能较低，这就导致了铺装路面舒适度较低和使用寿命较短的问题。为了进一步提升透水混凝土的性能，有学者进行了研究，如尝试利用粉煤灰替代部分水泥，增强透水混凝土的强度[1]；还有学者在前人的研究基础上，使用性能更完善的硅灰替代部分水泥，进一步完善透水混凝土性能[2]。但目前针对透水混凝土弹性模量的研究较少，基于此，本研究选择弹性较大的改性废旧橡胶对透水混凝土的舒适度和使用寿命进行增强，以获得性能较为完善的透水混凝土。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1主要材料

废旧橡胶(10目、40目、60目)，苏丰再生资源回收；聚羧酸高效减水剂(CP)，柯普化工；氢氧化钠(AR)，顺凯化工；P·O42.5水泥，中泰水泥；碎石(G3级配)，一苇景观建材；硅灰(Ⅰ级)，博瑞建材；高锰酸钾(标准品)，同欣化工；双氧水(CP)，顺阳化工科技；尿素(CP)，隆润精细化工原料。

1.1.2试验设备

DZF-6020真空干燥箱，海天友诚科技；JS-2000混凝土搅拌机，昌文机械；JYW-2000数显压力试验机，一海三路科技；GDR3-9冻融循环试验箱，盛世慧科检测设备，。

1.2 试验方法

1.2.1废旧橡胶改性

分析现有橡胶改性方法，本试验选择氧化-尿素改性方法对废旧橡胶进行改性。具体过程为：

(1)按照体积比为1∶2.63将橡胶颗粒在氢氧化钠溶液中浸泡24 h；

(2)过滤取出橡胶材料，冲洗后测试橡胶pH值，待橡胶pH值恒定在6.5～7，置于真空干燥箱内烘干；

(3)将烘干后橡胶完全浸没在高锰酸钾溶液中充分氧化，在氧化过程中需要持续添加高锰酸钾，确保高锰酸钾溶液pH值始终维持在2～3，氧化温度和时间分别为60 ℃、30 min；

(4)添加一定质量的双氧水，保持体系pH值为5，进行氧化反应，氧化反应温度和时间分别为50 ℃和2 h；

(5)调节体系pH值为8，升温至65 ℃后放入尿素，继续提升体系温度至90 ℃进行反应，冲洗并烘干。

1.2.2改性废旧橡胶透水混凝土的制备

(1)参照CJJ/T 135—2009规程对混凝土配方进行设计，具体如表1所示；

(2)根据表1配比精准称取集料，并混合均匀；

表1 改性废旧橡胶透水混凝土配方Tab.1 Formula of modified waste rubber permeable concrete kg/m3

(3)将混凝土砂浆材料分3次倒入提前准备好的模具中，每次倒入都需要用捣辊由内向外顺时针插捣数次，确保砂浆材料在模具中分散均匀；

(4)置于常温环境中养护24 d，脱模后编号，置于标准养护箱内养护至指定龄期。

1.3 性能测试

1.3.1孔隙率测试

参照CJJ/T 135—2009 规范，采用质量法测定透水混凝土的有效孔隙率[3]。

有效孔隙率表达式[4]：

(1)

式中：Pe为有效孔隙率；V为试件体积；ρ为水密度；m1为试件干质量；m0为试件在水中的质量。

1.3.2透水系数测试

采用定水头法对透水混凝土透水系数进行测试[5]。

透水系数表达式[6]：

(2)

式中：K为透水系数；H为试件渗水前后水位差；A为试件上表面积；L为试件厚度；Q为恒定时间内渗出的水量。

1.3.3抗压强度测试

参照国标GB/T 50081—2019用数显压力试验机对透水混凝土抗压强度进行测试[7]。

抗压强度表达式[8]：

(3)

式中：f为抗压强度；F为试件破坏荷载；A为承压面积。

1.3.4抗折强度测试

参照国标GB/T 50081—2019 对透水混凝土抗折强度进行测试[9]。

抗折强度表达式为[10]：

(4)

式中：ff为抗折强度；h为试件截面高度；l为支座跨距；b为试件截面高度；F为试件破坏荷载。

1.3.5抗冻融性能测试

参照GB/T 50082—2009中的快冻法对透水混凝土的抗冻融性能进行检测，以质量损失率表征透水混凝土的抗冻融性能[11]。

1.3.6弹性模量测试

参照GB/T 50081—2019，用压力试验机检测透水混凝土的弹性模量[12]。

弹性模量表达式[13]：

E=[(Fa-F0)/A]×(L/n)

(5)

式中：E为弹性模量；L为测量标距；A为承压面积；Fa为应力的三分之一轴心抗压强度的荷载；F0为应力0.5 MPa的初始荷载；Δn为最后一次从Fa到F0时，试件2侧变形的平均值。

2 结果与讨论

2.1 孔隙率、透水系数试验结果分析

图1为透水混凝土与改性橡胶间的关系。

从图1可以看出，透水混凝土孔隙率与改性橡胶颗粒大小和掺量成反比。这可能是，本试验制备混凝土的方式为外掺，对透水混凝土中的有效孔隙起填充作用，影响了混凝土孔隙率和透水系数[14]。从图1中还可看出，掺量为3%的60目改性橡胶透水混凝土透水系数和孔隙率与基准混凝土差别不大，说明该条件下的改性橡胶并未对透水混凝土透水性能产生明显的不良影响。

图1 透水系数和孔隙率的变化Fig.1 Variation of permeability coefficient and porosity

2.2 力学性能试验结果分析

图2为力学性能试验结果。

图2 力学性能变化Fig.2 Change of mechanical properties

从图2可以看出，3种粒径的橡胶颗粒对透水混凝土的影响规律大致相同。橡胶颗粒较少，透水混凝土力学性能皆表现良好。当橡胶掺量超过了一定的临界值，力学性能反而有所下降；出现这个变化的主要原因在于，透水混凝土的结构为蜂窝状，掺入少量的改性橡胶后，可以对橡胶孔洞进行填充。但掺量较多，影响了混凝土基体的粘接性能，对力学性能产生影响。

同时，抗压强度和抗折强度受改性橡胶粒径的影响，表现出相反的规律。这是因10目改性橡胶填充了透水混凝土孔隙，增强了抗压强度；而60目改性橡胶在混凝土内部起骨料支撑作用，因此对透水混凝土抗折强度产生积极的影响[15]。

2.3 弹性模量试验结果分析

透水混凝土一般用于道路铺装，在使用的过程中，对舒适度有一定要求，即弹性模量越小越好。图3为弹量测试结果。

图3 改性橡胶对透水混凝土弹性模量的影响Fig.3 Effect of modified rubber on elastic modulus of permeable concrete

从图3可以看出，透水混凝土弹性模量与改性橡胶掺量表现出反比趋势。9%掺量的60目改性橡胶混凝土弹性模量降至19.3 GPa；当继续增加改性橡胶掺量，虽然弹性模量还会继续下降，但下降趋势并不明显。这是与橡胶颗粒自身弹性和骨架支撑有关。

2.4 冻融循环试验结果分析

图4为冻融循环试验结果。

(a)10目

(b)40目

(c)60目图4 冻融性能的变化Fig.4 Change of freeze-thaw performance

从图4可以看出，冻融次数与混凝土的质量损失率呈正比，在这与透水混凝土多孔结构有很大的关系。在冻融循环试验的过程中，透水混凝土吸收大量的水分结冰后体积增大，对混凝土内部在造成不均匀的拉力或者压力，加速了混凝土部内部的破坏。在冻融次数固定的条件下，橡胶掺量与透水混凝土质量损失率呈正比，且60目改性废弃混凝土的抗冻融性能优于10目改性废弃混凝土。低惨量橡胶透水混凝土抗冻融性能明显较高，这可能是因为改性橡胶自身的弹性较高，掺入透水混凝土后，能够抵消掉一部分水结冰时产生的压力，透水混凝土的抗冻融性能有一定提高。而橡胶颗粒的弹性作用明显优于橡胶粉末，因此目数越高的改性橡胶，对透水混凝土抗冻融性能的改善结果越好。

2.5 实际应用效果

在上述的分析中，已经确定了3%～6%掺量条件下60目改性废弃橡胶透水混凝土综合性能表现良好。综合考虑，选择掺量为5%的60目改性废弃橡胶透水混凝土进行实际应用试验。

2.5.1场地检测

以某小区路面为试验对象，将改性废弃橡胶透水混凝土在该小区内进行铺装，然后按照常规养护方法进行养护，并投入使用，1年后进行复检，确定改性废弃橡胶透水混凝土的实际应用性能，具体结果如图5所示。

(a)改性废弃橡胶透水混凝土道路铺装

(b)1年后透水混凝土使用情况图5 改性橡胶混凝土实际应用情况Fig.5 Actual application of modified rubber concrete

从图5可以看出，废弃橡胶透水混凝土铺装道路在使用1年后，表面无脱落、变色等异常情况出现；说明本试验制备的改性废弃橡胶透水混凝土可以用于实际工程建设。

2.5.2经济性能分析

在实际工程应用中，假设路面铺设厚度一般为10 cm；根据市场行情，几种常见的透水性混凝土的造价如表2所示。

表2 混凝土造价分析Tab.2 Concrete cost analysis

由表2可知，粒式沥青混凝土和普通水泥混凝土并不具备透水性能，无法满足道路透水要求。排水沥青混凝土虽然具备较好的透水性能，但在铺装过程中，需要多种工程机械协同作用，不利于小道施工；同时，材料造价较高，经济效益较低。普通透水混凝土虽然具备一定的透水性，但受材料性能的影响，在使用过程中，寿命较短，舒适度也相对较低。改性橡胶混凝土虽然造价略高于普通透水混凝土，但改性橡胶在一定程度上填补了普通混凝土没有细骨料的缺陷，弹性模量、力学性能和抗冻融性能皆有所提升。也就是说，改性废弃橡胶混凝土在使用寿命、耐久性和舒适度方面都明显高于普通透水混凝土，表现出良好的经济效益，可以在实际应用中投入使用。

3 结语

本试验制备的改性废旧橡胶透水混凝土在使用寿命、耐久性和舒适度方面皆表现良好，具备较高的经济效益。

(1)3%掺量的60目改性废弃橡胶混凝土性能最佳；

(2)60目改性废旧橡胶对对透水混凝土的抗折强度增强效果良好，而抗压强度效果则有限；

(3)60目改性废旧橡胶能有效降低透水混凝土的弹性模量，增强改性废旧橡胶透水混凝土的舒适性；

(4)低掺量60目改性废旧橡胶能有效增强透水混凝土的抗冻融性能；

(5)掺量为5%的60目改性废旧橡胶透水混凝土投入使用一年后没有异常情况出现，虽然材料成本略高于普通透水混凝土，但在使用寿命、耐久性和舒适度方面都明显高于普通透水混凝土，表现出良好的经济效益。