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摘要：本文以试验为手段，分别研究了橡胶集料掺量、颗粒粒径对水泥基材料的力学性能的影响规律。通过对比分析和引入单位强度效应因子参数，定量分析了橡胶集料对水泥基材料的强度效应。试验结果表明，单位体积内橡胶集料体积率每增加1%，水泥基材料的抗压强度损失率在2%～5%范围内变动。
关键词：橡胶集料；水泥基材料；强度效应
【分类号】：TU528.01
0.引言
由于橡胶颗粒与砂石骨料以及水泥石在物理、力学性能上有存在差异，如橡胶颗粒的弹性模量显著低于水泥石、砂石骨料，且橡胶颗粒变形性较大，这种差异将导致混凝土在荷载作用下，其内部的应力传递和变形的不协调，当受到压应力作用时，橡胶颗粒基本不能作为传力单元，在橡胶颗粒存在的附近区域水泥石将极易受到拉应力而破坏，因而将不利于混凝土的力学强度等性能。国内外大多数研究表明，橡胶颗粒混凝土的抗压强度、抗折强度较普通混凝土有所下降，其降低的程度与橡胶颗粒表面的粗糙程度、用量及其粒径有关[1～3]。
1.试验
1.1试验原料
水泥（C）为湖南宁乡南方水泥厂生产的P·O42.5级硅酸盐水泥；3种不同粒径的橡胶颗粒（R）为武汉合得利橡胶有限公司提供，分别是粗颗粒（简称CR）粒度为5目（4～2.36mm）；中等颗粒（简称MR）粒度为10目（2.36～1.4mm）；细颗粒（简称FR）粒度为60目；采用普通河砂作为骨料，满足中砂级配要求，细度模数为2.62；粉煤灰（FA）为湖南湘潭电厂提供的Ⅱ级粉煤灰，比表面积460m2/kg，烧失量为4.5%；硅灰（SF）为上海艾肯公司提供，表观密度2.1 g/cm3，比表面积为18100m2/kg；减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，减水率为30%。
1.2试验方案
本文考虑到砂浆应具有较好的保水性，黏聚性，流动性，采用硅灰（SF）和粉煤灰（FA）两种矿物掺合料。砂浆中硅灰掺量为胶凝材料（水泥+矿物掺合料）用量的5%，粉煤灰为胶凝材料用量的20%，并且采用了高效减水剂，使砂浆的流动度在（250±30）mm。各净浆（A0、A1系列）、砂浆（C系列）试样的配合比如表1所示，净浆水胶比为0.4、砂浆水胶比0.5。
表1 净浆与砂浆各系列配合比/质量比
注：净浆A0、A1系列中橡胶掺量为胶凝材料用量的质量百分数表示，MR1、MR、MR2分别表示中等橡胶颗粒掺量为5%、10%、15%，CR、FR分别表示5目粗橡胶颗粒、60目细橡胶颗粒掺量为10%；砂浆C系列中橡胶掺量用取代砂体积百分数表示。
1.3试验方法
根据配合比方案进行净浆及砂浆搅拌、成型试验，用抹刀插捣抹面成型，制成标准胶砂试件（40mm×40mm×160mm），1d后脱模，经标准条件养护到规定龄期后测试28d强度，将试件按照GB/T 17671-1999规定的方法进行抗压强度、抗折强度测试。
2.结果与分析
2.1强度效应
橡胶颗粒是一种能够稳定存在于水泥混凝土中的惰性成分，且对水泥基材料具有明显的强度效应，这种效应与橡胶颗粒本身的物理力学特性息息相关。为了更好地理解橡胶颗粒对水泥基材料的强度效应，本文引入“单位强度效应因子λ”来反映橡胶颗粒在水泥基材料中的强度贡献相对于基准试样强度的大小。
设未掺橡胶颗粒的基准组试样强度R0，某橡胶颗粒体积掺量为ρ的对比组试样强度为R，对比组相对于基准组的强度下降率为η，采用λ来表征橡胶颗粒对水泥基材料的强度效应程度，则
……………………………（2-1-1）
………（2-1-2）
…………………………（2-1-3）
…………………………（2-1-4）
式中 —橡膠颗粒体积；V—试样总体积；
—单位抗压强度效应因子； —对比组相对于基准组的抗压强度下降率；
—单位抗折强度效应因子； —对比组相对于基准组的抗折强度下降率。
2.2结果分析
图2-1及2-2分别是净浆系列28d抗压、抗折试验结果。图中结果显示，掺矿物掺合料的A1系列抗压/抗折强度均低于未掺矿物掺合料的A0系列，试样中再掺入橡胶集料，进一步降低了水泥净浆的强度。随着橡胶集料掺量的增加，两种净浆系列的抗折、抗压强度均呈下降趋势；此外，橡胶集料的粒度同样影响试样的强度。
图2-1净浆系列抗压强度测试结果 图2-2净浆系列抗折强度测试结果
图2-3是净浆A1系列各试样相对强度值（掺橡胶集料的净浆试样强度与未掺橡胶集料的净浆基准组强度百分比），根据图中的试验数据可以对橡胶颗粒的强度效应进行定量分析。
（a）橡胶掺量的影响 （b）橡胶粒径的影响
图2-3净浆系列相对抗压/抗折强度对比
根据式2-1-1计算得到A1、A1MR1、A1MR、A1MR2四组试样的橡胶体积掺量ρ分别为0、6.4%、12.0%、17.0%。从图3-7（a）可以发现，随着橡胶体积掺量ρ的增加，试件的相对强度逐渐下降；ρ=6.4%（A1MR1处）时，相对抗压/抗折强度曲线都出现了明显的突变，随后6.4%<ρ≤17.0%，相对抗压/抗折强度曲线都几乎呈线性下降。从图2-3（b）中可得知，橡胶颗粒粒径对试样的相对抗压/抗折强度有一定影响，但这种影响并不明显，在本文考查的掺量和粒径范围内，这种影响可以忽略。因此，对于A1系列试样，橡胶体积掺量ρ=6.4%时，由式2-1-3，2-1-4计算得到 =5.4%， =5.6%；6.4%<ρ≤17.0%时，对应图中的曲线可近似为直线，由式2-1-3，2-1-4计算得到 =1.73%， =1.38%。上述计算结果表明，相同条件下，橡胶颗粒的单位强度效应因子随掺量变化而不同；橡胶颗粒体积掺量ρ≤6.4%时， 、 几乎相同，ρ>6.4%时，橡胶颗粒的强度效应有所降低， 、 的结果也很相近，由此得出，某一掺量ρ下，橡胶颗粒对净浆的抗压强度效应与抗折强度效应几乎相同。 橡胶集料对砂浆强度影响如图2-4所示。与多数文献研究结果一致，橡胶颗粒掺入砂浆后，28d的抗折、抗压强度明显下降。从图中的CMR1、CMR、CMR2三组试件相对强度可以看出，随着橡胶颗粒掺量的增加，砂浆强度几乎呈线性下降，但抗折强度下降的幅度小于同一试件抗压强度下降的幅度。橡胶颗粒取代砂掺量为5%、10%、15%的砂浆试件抗折、抗压强度下降率分别为-1.7%、5%、16.3%及6.3%、18.5%、43.5%，与此同时，随着橡胶颗粒粒径减小，砂浆的强度有降低的趋势。
（a）橡胶掺量的影响 （b）橡胶粒径的影响
圖2-4砂浆系列相对强度对比
定量分析橡胶颗粒对砂浆的强度效应时，首先根据式2-1-1计算得到C、CMR1、CMR、CMR2四组试样的橡胶体积掺量ρ分别为0、2.7%、5.4%、8.1%。可以认为0≤ρ≤8.1%时，图2-4（a）砂浆的相对抗压强度近似为直线，由式2-1-3得到 =5.4%；当ρ≤2.7%时，可以忽略橡胶颗粒对砂浆抗折强度效应，即 =0，2.7%<ρ≤8.1%时，砂浆的相对抗压强度曲线近似为直线，由式3-4得到 =2.0%。以上数据表明，橡胶颗粒对砂浆的抗压强度效应大于其对砂浆的抗折强度效应。
综上所述，通过定量分析橡胶颗粒对净浆、砂浆的强度效应，得到橡胶颗粒对净浆、砂浆的单位强度效应因子 、 。结果表明，就抗压强度来说，单位体积内橡胶集料体积率每增加1%，水泥基材料的抗压强度损失率在2%～5%范围内变动；针对净浆与砂浆的抗折强度，橡胶集料的单位抗折强度效应因子 相差较大，这也说明橡胶集料对净浆和砂浆的抗折强度效应有所不同。
2.3 机理分析
水泥基材料的力学性能与其组分之间存在密切的关系，且各组分之间存在协同效应，当各组分之间在物理、力学性能方面匹配性较好时，则将有利于体系力学性能的改善。橡胶颗粒在水泥基材料中的作用，即变形效应、疏水效应以及等效孔隙效应[3]，可以解释橡胶集料对净浆、砂浆强度效应的结果。此外，净浆与砂浆的微观结构完全不同，这也导致了橡胶颗粒在净浆、砂浆中效应有所差异。砂浆中含有细骨料，细骨料与水泥石之间存在界面过渡区。在外力作用下，该区域经常会发生滑移和塑性变形。橡胶粒子由于独特的变形特性，可以提高界面区的变形能力，降低张拉应力。但是，橡胶集料掺入净浆中，由于橡胶颗粒的等效孔隙效应，大大降低了净浆的抗折、抗压强度。
3.结论
（1）随着橡胶颗粒掺量的增加，试件的抗压、抗折强度均呈现降低趋势。
（2）掺入橡胶集料的水泥基材料强度较基准组会有所下降，橡胶颗粒掺量越大，强度下降幅度越大；就抗压强度而言，单位体积内橡胶集料体积率每增加1%，水泥基材料的抗压强度损失率在2%～5%范围内变动。
参考文献
[1] Eldin N N， Senouci A B. Rubber tires particles as concrete aggregate. J Materials Civil Eng 1993，5（4）：478-496
[2] Segre N.，Joekes I. Use of tire rubber particles as addition to cement paste，Cement and Concrete Research，2000，30（9）：1421-1425
[3]李哲，龙广成，谢友均.再生橡胶颗粒对自流平砂浆力学性能影响的试验研究[J]. 材料导报，2011，25：474-477.
[4] 严捍东，麻秀星，黄国晖.废橡胶集料对水泥基材料变形和耐久性影响的研究现状）[J].化工进展，2008，27（3）：395-398
[5]李红燕.橡胶改性水泥基材料的性能研究[D].南京：东南大学，2004.
关键词：橡胶集料；水泥基材料；强度效应
【分类号】：TU528.01
0.引言
由于橡胶颗粒与砂石骨料以及水泥石在物理、力学性能上有存在差异，如橡胶颗粒的弹性模量显著低于水泥石、砂石骨料，且橡胶颗粒变形性较大，这种差异将导致混凝土在荷载作用下，其内部的应力传递和变形的不协调，当受到压应力作用时，橡胶颗粒基本不能作为传力单元，在橡胶颗粒存在的附近区域水泥石将极易受到拉应力而破坏，因而将不利于混凝土的力学强度等性能。国内外大多数研究表明，橡胶颗粒混凝土的抗压强度、抗折强度较普通混凝土有所下降，其降低的程度与橡胶颗粒表面的粗糙程度、用量及其粒径有关[1～3]。
1.试验
1.1试验原料
水泥（C）为湖南宁乡南方水泥厂生产的P·O42.5级硅酸盐水泥；3种不同粒径的橡胶颗粒（R）为武汉合得利橡胶有限公司提供，分别是粗颗粒（简称CR）粒度为5目（4～2.36mm）；中等颗粒（简称MR）粒度为10目（2.36～1.4mm）；细颗粒（简称FR）粒度为60目；采用普通河砂作为骨料，满足中砂级配要求，细度模数为2.62；粉煤灰（FA）为湖南湘潭电厂提供的Ⅱ级粉煤灰，比表面积460m2/kg，烧失量为4.5%；硅灰（SF）为上海艾肯公司提供，表观密度2.1 g/cm3，比表面积为18100m2/kg；减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，减水率为30%。
1.2试验方案
本文考虑到砂浆应具有较好的保水性，黏聚性，流动性，采用硅灰（SF）和粉煤灰（FA）两种矿物掺合料。砂浆中硅灰掺量为胶凝材料（水泥+矿物掺合料）用量的5%，粉煤灰为胶凝材料用量的20%，并且采用了高效减水剂，使砂浆的流动度在（250±30）mm。各净浆（A0、A1系列）、砂浆（C系列）试样的配合比如表1所示，净浆水胶比为0.4、砂浆水胶比0.5。
表1 净浆与砂浆各系列配合比/质量比
注：净浆A0、A1系列中橡胶掺量为胶凝材料用量的质量百分数表示，MR1、MR、MR2分别表示中等橡胶颗粒掺量为5%、10%、15%，CR、FR分别表示5目粗橡胶颗粒、60目细橡胶颗粒掺量为10%；砂浆C系列中橡胶掺量用取代砂体积百分数表示。
1.3试验方法
根据配合比方案进行净浆及砂浆搅拌、成型试验，用抹刀插捣抹面成型，制成标准胶砂试件（40mm×40mm×160mm），1d后脱模，经标准条件养护到规定龄期后测试28d强度，将试件按照GB/T 17671-1999规定的方法进行抗压强度、抗折强度测试。
2.结果与分析
2.1强度效应
橡胶颗粒是一种能够稳定存在于水泥混凝土中的惰性成分，且对水泥基材料具有明显的强度效应，这种效应与橡胶颗粒本身的物理力学特性息息相关。为了更好地理解橡胶颗粒对水泥基材料的强度效应，本文引入“单位强度效应因子λ”来反映橡胶颗粒在水泥基材料中的强度贡献相对于基准试样强度的大小。
设未掺橡胶颗粒的基准组试样强度R0，某橡胶颗粒体积掺量为ρ的对比组试样强度为R，对比组相对于基准组的强度下降率为η，采用λ来表征橡胶颗粒对水泥基材料的强度效应程度，则
……………………………（2-1-1）
………（2-1-2）
…………………………（2-1-3）
…………………………（2-1-4）
式中 —橡膠颗粒体积；V—试样总体积；
—单位抗压强度效应因子； —对比组相对于基准组的抗压强度下降率；
—单位抗折强度效应因子； —对比组相对于基准组的抗折强度下降率。
2.2结果分析
图2-1及2-2分别是净浆系列28d抗压、抗折试验结果。图中结果显示，掺矿物掺合料的A1系列抗压/抗折强度均低于未掺矿物掺合料的A0系列，试样中再掺入橡胶集料，进一步降低了水泥净浆的强度。随着橡胶集料掺量的增加，两种净浆系列的抗折、抗压强度均呈下降趋势；此外，橡胶集料的粒度同样影响试样的强度。
图2-1净浆系列抗压强度测试结果 图2-2净浆系列抗折强度测试结果
图2-3是净浆A1系列各试样相对强度值（掺橡胶集料的净浆试样强度与未掺橡胶集料的净浆基准组强度百分比），根据图中的试验数据可以对橡胶颗粒的强度效应进行定量分析。
（a）橡胶掺量的影响 （b）橡胶粒径的影响
图2-3净浆系列相对抗压/抗折强度对比
根据式2-1-1计算得到A1、A1MR1、A1MR、A1MR2四组试样的橡胶体积掺量ρ分别为0、6.4%、12.0%、17.0%。从图3-7（a）可以发现，随着橡胶体积掺量ρ的增加，试件的相对强度逐渐下降；ρ=6.4%（A1MR1处）时，相对抗压/抗折强度曲线都出现了明显的突变，随后6.4%<ρ≤17.0%，相对抗压/抗折强度曲线都几乎呈线性下降。从图2-3（b）中可得知，橡胶颗粒粒径对试样的相对抗压/抗折强度有一定影响，但这种影响并不明显，在本文考查的掺量和粒径范围内，这种影响可以忽略。因此，对于A1系列试样，橡胶体积掺量ρ=6.4%时，由式2-1-3，2-1-4计算得到 =5.4%， =5.6%；6.4%<ρ≤17.0%时，对应图中的曲线可近似为直线，由式2-1-3，2-1-4计算得到 =1.73%， =1.38%。上述计算结果表明，相同条件下，橡胶颗粒的单位强度效应因子随掺量变化而不同；橡胶颗粒体积掺量ρ≤6.4%时， 、 几乎相同，ρ>6.4%时，橡胶颗粒的强度效应有所降低， 、 的结果也很相近，由此得出，某一掺量ρ下，橡胶颗粒对净浆的抗压强度效应与抗折强度效应几乎相同。 橡胶集料对砂浆强度影响如图2-4所示。与多数文献研究结果一致，橡胶颗粒掺入砂浆后，28d的抗折、抗压强度明显下降。从图中的CMR1、CMR、CMR2三组试件相对强度可以看出，随着橡胶颗粒掺量的增加，砂浆强度几乎呈线性下降，但抗折强度下降的幅度小于同一试件抗压强度下降的幅度。橡胶颗粒取代砂掺量为5%、10%、15%的砂浆试件抗折、抗压强度下降率分别为-1.7%、5%、16.3%及6.3%、18.5%、43.5%，与此同时，随着橡胶颗粒粒径减小，砂浆的强度有降低的趋势。
（a）橡胶掺量的影响 （b）橡胶粒径的影响
圖2-4砂浆系列相对强度对比
定量分析橡胶颗粒对砂浆的强度效应时，首先根据式2-1-1计算得到C、CMR1、CMR、CMR2四组试样的橡胶体积掺量ρ分别为0、2.7%、5.4%、8.1%。可以认为0≤ρ≤8.1%时，图2-4（a）砂浆的相对抗压强度近似为直线，由式2-1-3得到 =5.4%；当ρ≤2.7%时，可以忽略橡胶颗粒对砂浆抗折强度效应，即 =0，2.7%<ρ≤8.1%时，砂浆的相对抗压强度曲线近似为直线，由式3-4得到 =2.0%。以上数据表明，橡胶颗粒对砂浆的抗压强度效应大于其对砂浆的抗折强度效应。
综上所述，通过定量分析橡胶颗粒对净浆、砂浆的强度效应，得到橡胶颗粒对净浆、砂浆的单位强度效应因子 、 。结果表明，就抗压强度来说，单位体积内橡胶集料体积率每增加1%，水泥基材料的抗压强度损失率在2%～5%范围内变动；针对净浆与砂浆的抗折强度，橡胶集料的单位抗折强度效应因子 相差较大，这也说明橡胶集料对净浆和砂浆的抗折强度效应有所不同。
2.3 机理分析
水泥基材料的力学性能与其组分之间存在密切的关系，且各组分之间存在协同效应，当各组分之间在物理、力学性能方面匹配性较好时，则将有利于体系力学性能的改善。橡胶颗粒在水泥基材料中的作用，即变形效应、疏水效应以及等效孔隙效应[3]，可以解释橡胶集料对净浆、砂浆强度效应的结果。此外，净浆与砂浆的微观结构完全不同，这也导致了橡胶颗粒在净浆、砂浆中效应有所差异。砂浆中含有细骨料，细骨料与水泥石之间存在界面过渡区。在外力作用下，该区域经常会发生滑移和塑性变形。橡胶粒子由于独特的变形特性，可以提高界面区的变形能力，降低张拉应力。但是，橡胶集料掺入净浆中，由于橡胶颗粒的等效孔隙效应，大大降低了净浆的抗折、抗压强度。
3.结论
（1）随着橡胶颗粒掺量的增加，试件的抗压、抗折强度均呈现降低趋势。
（2）掺入橡胶集料的水泥基材料强度较基准组会有所下降，橡胶颗粒掺量越大，强度下降幅度越大；就抗压强度而言，单位体积内橡胶集料体积率每增加1%，水泥基材料的抗压强度损失率在2%～5%范围内变动。
参考文献
[1] Eldin N N， Senouci A B. Rubber tires particles as concrete aggregate. J Materials Civil Eng 1993，5（4）：478-496
[2] Segre N.，Joekes I. Use of tire rubber particles as addition to cement paste，Cement and Concrete Research，2000，30（9）：1421-1425
[3]李哲，龙广成，谢友均.再生橡胶颗粒对自流平砂浆力学性能影响的试验研究[J]. 材料导报，2011，25：474-477.
[4] 严捍东，麻秀星，黄国晖.废橡胶集料对水泥基材料变形和耐久性影响的研究现状）[J].化工进展，2008，27（3）：395-398
[5]李红燕.橡胶改性水泥基材料的性能研究[D].南京：东南大学，2004.