废弃玻璃和橡胶颗粒混凝土的抗压强度试验

阚义文，高 松，王洪涛，赵 朋，刘 琳，温 帅

（辽宁科技大学 土木工程学院，辽宁 鞍山 114051）

废弃玻璃和橡胶颗粒混凝土的抗压强度试验

阚义文，高 松，王洪涛，赵 朋，刘 琳，温 帅

（辽宁科技大学 土木工程学院，辽宁 鞍山 114051）

为了充分利用废弃固体材料减少环境污染，将废玻璃和废橡胶作为建筑材料掺入混凝土中制备混凝土构件。为了确定适当的废弃固体颗粒混凝土的配合比，本文按不同体积取代率制作了60个混凝土立方体标准试块进行抗压试验。结果表明：废橡胶掺量是影响废弃固体颗粒混凝土抗压强度的主要因素，两种固体废弃材料体积取代率为30%混凝土试件的抗压强度较普通混凝土下降约30%。

废弃固体颗粒；体积取代率；混凝土配合比；抗压强度

我国是世界上废橡胶产生量最大的国家之一，但废橡胶的无害化回收率却仅为60%，远远不如发达国家。废橡胶颗粒具有良好的粘弹性、韧性、隔热隔声、抗疲劳性等特点。若能将废橡胶掺入混凝土中，不但可以改善混凝土的性能，还能够处置大量的废橡胶，促进废橡胶的资源化利用。刘超峰［1］等在沥青混凝土里掺入胶粉以改善道路性能的研究已经取得了较大的成果。国外学者研究粒径分布为1～38mm橡胶混凝土的特性，认为橡胶会使混凝土抗压强度最大下降幅度达到85%［2］。国内研究中，孙家英［3］等研究了橡胶对混凝土的延性、硬度、抗磨、抗老化等方面的性能的影响。宋少民［4］等人的研究表明橡胶粉混凝土的抗冲击性能较普通混凝土有所提高。

将废旧玻璃用于普通混凝土是废旧玻璃的再利用的重要手段之一。自20世纪60年代开始，西方发达国家就有了用废玻璃作混凝土骨料的研究，但是由于当时的混凝土都出现了严重的碱骨料膨胀破坏反应现象，这就导致废玻璃应用于水泥混凝土的试验全面告停［5］。而柯国军［6］认为废玻璃掺入水泥混凝土中产生的ASR膨胀破坏受多种因素的影响，其中主要因素有混凝土中的碱含量、废玻璃的掺量、活性骨料的含量、废玻璃的粒径大小和废玻璃的成分等，并且需要这些因素中的一部分或者全部共同作用才会导致ASR膨胀危害。目前我国研究最多的就是废玻璃的粒径大小和掺量对于ASR膨胀反应的影响，但是还没有形成一种共识性、定量性的结论，关于ASR膨胀反应，其涉及的因素有很多，所以这方面的研究还并不系统与全面。

已有的单一废弃物替换试验表明，废玻璃应用于混凝土会产生碱集料反应，使混凝土或砂浆内部因为膨胀内力而开裂；而对于橡胶作为细骨料的混凝土，由于橡胶与水泥浆体之间相容性差，故难以形成有效地黏结，这使得橡胶混凝土的强度降低，但是橡胶本身的物理性质却使得混凝土获得了很好的延性，能够容许混凝土一定量的变形。本文将综合不同配合比的两种废弃物含量对混凝土的抗压强度影响进行研究。

1 试验原材料

1.1 废玻璃

废玻璃分有色玻璃和无色玻璃，其中有色玻璃含杂质较多，这种杂质可能对混凝土的性能产生不可预计的影响。无色玻璃粒径比较平均，且占有量比有色玻璃更大，经过简单物理加工即可得到。故本试验采用的是无色玻璃，其最大粒径为28 mm。

图1 废玻璃颗粒Fig.1 Waste glass particles

1.2 废橡胶

废橡胶颗粒采用的则是普通黑色橡胶颗粒，粒径为2～4 mm，级配系数为4.88。

图2 废橡胶颗粒Fig.2 Waste rubber particles

1.3 水泥标号验证

本试验所有的试件均以C30为基准混凝土，水泥采用32.5R普通硅酸盐水泥。为了验证水泥的性能指标，进行了水泥胶砂强度试验。制作一组三个试件尺寸40 mm×40 mm×160 mm的棱状体，试件用振动台成型，脱模后将做好标记的试件立即水平放在（20±1）℃水中养护28 d。试验时将试件的一个侧面放在试验机支撑圆柱上，试件长轴垂直于支撑圆柱，通过加荷圆柱以（50±10）N/s的速率均匀地加在棱柱体的相对侧面上，直至折断。试验结果如表1所示，说明水泥胶砂强度与水泥标号匹配。

水泥胶砂试验结果见表2。

1.4 其他材料

砂为河沙，级配系数为3.12；石子最大粒径为31 mm。

基准混凝土，水灰比w(w)/w(c)=0.43，砂率为33%。水泥、水、砂、石子、玻璃、橡胶的密度分别为3 150，1 000，2 648，2 807，2 497，1 158 kg/m3。

2 试验设计

本试验中，水泥和水含量不变，将废玻璃等体积替换粗骨料，废橡胶等体积替换细骨料。橡胶替换率分别为0%、10%、20%、30%，废玻璃替换率分别为0%、10%、20%、30%、40%，分组采取正交法，每组三个试件，试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm。试件在（20±2）℃、相对湿度在95%以上的标准养护室养护28 d，详见表3。

将养护到期的混凝土取出，并擦去其表面水分置于压力机上，以成型时的侧面为受压面，将混凝土置于压力机的中心并对中。如图3所示。试件的加载方式参照GBT50081普通混凝土力学性能试验方法标准，其加载速率为0.4～0.5 MPa/s。

表1 砂浆抗折强度表Tab.1 Rupture strength of mortar

表2 砂浆抗压强度表Tab.2 Compressive strength of mortar

表3 实验设计分组，%Tab.3 Expenmental design group，%

图3 混凝土破坏形式Fig.3 Concrete’s destruction form

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

对于不同配合比的混凝土试件抗压强度 fcu详见表4。

3.2 结果分析

仅掺入废玻璃时，抗压强度成先降再升又降的波浪趋势，但下降的幅度不大。因为玻璃中活性二氧化硅会与水泥中的碱发生碱-硅酸反应，导致废玻璃混凝土膨胀开裂。但玻璃与混凝土的咬合力比石子更强，且与玻璃的含量有关，当玻璃含量为20%时混凝土的强度最高。

仅掺入废橡胶时，混凝土的抗压强度下降趋势先急后缓。因为废橡胶混凝土本身的孔隙率较普通混凝土大，而且橡胶颗粒本身具有一定的弹性，其变形大，与混凝土粘结性较差。当下降到一定强度时，混凝土自身的粘结性和离散性对抗压强度起决定性作用。

当同时掺入废玻璃和废橡胶时，废弃固体颗粒混凝土的抗压强度均低于基准混凝土的抗压强度。但是当废橡胶取代率不变（10%，20%，30%），随着废玻璃取代率的不断增加，废弃固体颗粒混凝土的抗压强度呈先升后降的规律变化。当废橡胶混凝土掺入玻璃量低于20%时，引起碱骨料反应，使得其体积膨胀，但体积膨胀效应被橡胶的延性作用所抵消，且提高了废橡胶混凝土的密实度，从而改善了废橡胶混凝土的受力结构，此时废弃颗粒混凝土的强度随着废玻璃的掺量增加而增加。但是当废橡胶混凝土中掺入较多的废玻璃（大于20%且小于30%）时，废玻璃的碱骨料反应加剧，超过橡胶的延性作用，导致废橡胶混凝土最终抗压强度降低。当玻璃过多时（大于30%），废玻璃的碱集料反应达到顶峰，此时抗压强度基本不随玻璃含量变化。

表4 试件抗压强度表，MPaTab.4 Compressive strength of test specimen，MPa

图4 橡胶体积分数不同时玻璃体积分数对混凝土抗压强度影响Fig.4 Influence of different glass content on compressive strength

图5 玻璃体积分数不同时橡胶体积分数对混凝土抗压强度影响Fig.5 Influence of different rubber content on compressive strength

当玻璃取代率不变，随着废橡胶取代率的不断增加，废弃固体颗粒混凝土的抗压强度呈持续下降的趋势，其中20%玻璃含量曲线在橡胶含量为10%到20%区段下降最缓，此时碱集料反应延性作用契合度最高，故抗压强度下降最缓慢。

4 结论

（1）仅掺入玻璃，且取代率为20%时，抗压强度与普通混凝土强度持平，说明玻璃本身较高的硬度和颗粒间咬合力对混凝土影响最大。而仅掺入橡胶的混凝土的抗压强度下降明显。

（2）掺入两种废弃材料时，20%橡胶取代率与20%玻璃取代率的混凝土，能够发挥玻璃颗粒间最大的咬合力，而且碱-硅酸反应与橡胶变形的契合度最高，混凝土在获得一部分延性、抗震性和抗冲击性的同时，还能保持相对较高的抗压强度。

（3）当橡胶含量增加到30%时，橡胶与混凝土的粘结性不足和变形过大使混凝土抗压强度下降30%左右，所以此时橡胶成为影响抗压强度的主要因素。

［1］刘超峰.废橡胶在水泥混凝土和沥青混凝土改性中的应用［J］.橡胶科技，2008，6（7）：11-13.

［2］熊杰，郑磊，袁勇.废橡胶混凝土抗压强度试验研究［J］.混凝土，2004（12）：40-42.

［3］孙家英.宝钢钢渣微粉用于水泥混凝土的安定性和相容性试验研究［C］//建筑新技术研讨会论文集，上海，2005：195-199.

［4］宋少民，刘娟红，金树新.橡胶粉改性的高韧性混凝土研究［J］.混凝土与水泥制品，1997（1）：10-11.

［5］张霓.玻璃混凝土力学与耐久性能的试验研究［D］.沈阳：沈阳建筑大学，2011.

［6］柯国军，杨卉.废玻璃砂浆碱-硅酸反应试验研究［D］.衡阳：南华大学，2012.

Experimental study on compressive strength of concrete mixed with waste solid particles

KAN Yiwen，GAO Song，WANG Hongtao，ZHAO Peng，LIU Lin，WEN Shuai

（School of Civil Engineering，University of Science and Technology of Liaoning，Anshan 114051，China）

In order to utilize the waste solid materials and reduce the environmental pollution,waste glass and rubber can be regarded as building materials and mixed into concrete during the fabrication of concrete members.It is necessary to determine a suitable proportion for concrete mixed with waste solid materials.In this experiment,sixty standard cubic samples are made and tested according to different volume replacement ratios of waste glass and waste rubber.Finally,it is shown that mixing proportion is the main factor of compressive strength for concrete.The compressive strength of mixed,with the volume replacement ratio of 30%,is reduced nearly 30%in the comparison of the normal concrete.

waste solid particles；volume replacement ratio；concrete proportion；compressive strength

March 3，2017）

TU502

A

1674-1048（2017）03-0233-04

10.13988/j.ustl.2017.03.014

2017-03-03。

2016年辽宁省大学生创业创新训练计划项目（201610146020）。

阚义文（1996—），男，河北沧州人。

高松（1978—），辽宁岫岩人，讲师。