橡膠顆粒對碾壓混凝土抗凍性的影響

趙爽，張武滿

（北京航空航天大學交通學院土木系，北京 100191）

橡膠顆粒對碾壓混凝土抗凍性的影響

趙爽，張武滿

（北京航空航天大學交通學院土木系，北京 100191）

本文采用快速凍融的試驗方法，研究了碾壓混凝土添加橡膠顆粒后的抗凍性。測定不同橡膠顆粒摻量的碾壓混凝土在水中凍融后和同種橡膠顆粒摻量的碾壓混凝土在不同凍融介質中凍融后的質量損失和動彈性模量等參數。結果表明：用橡膠顆粒等體積取代 5%、10%、15% 細骨料的碾壓混凝土，在水中凍融表現出良好的抗凍性，凍融過程中的質量損失極小，相對動彈性模量損失隨著橡膠摻量增加而降低，損傷同時表現為表層砂漿剝蝕和內部微裂縫發展；與水中凍融相比，橡膠摻量 10%的碾壓混凝土在質量分數為 35% 醋酸鉀溶液和 25% 乙二醇溶液中受到的凍融破壞更小，損傷主要在試塊表層。

碾壓混凝土；橡膠顆粒；抗凍性

0 引言

碾壓混凝土（RCC）是一種具有低砂漿含量、高強高抗滲性等特點的干硬性混凝土。由于其施工速度快、成本低[1]，近幾十年來被廣泛應用于道路、大壩和機場建設工程中。但是RCC 的引氣效果較差，抗凍性也有較大的爭議[2-3]，影響其在機場路面建設中的應用。因此研究如何提高 RCC 的抗凍性有重要意義。Paine[4]等人，用橡膠顆粒代替引氣劑填入混凝土中，起到了與引氣劑相同的抗凍效果。也有文獻記錄[5]，在混凝土中添加橡膠顆粒有利于提高含氣量。作為彈性材料，橡膠顆?？梢跃徑鈨鋈谶^程中混凝土內部的凍脹壓力和滲透壓力[6]。因此，在考慮到北方機場冬季使用除冰液會對混凝土路面凍融產生影響的基礎上[7-8]，本文將不同摻量的橡膠顆粒填入到碾壓混凝土中，在水和兩種北方機場除冰液作凍融介質的條件下，通過試驗研究碾壓橡膠混凝土的抗凍性能及規律。

1 試驗概況

1.1 原材料

本次試驗采用的材料：①水泥為曲阜中聯水泥廠生產的P·I42.5 混凝土外加劑檢驗專用基準水泥，其基本力學性能見表 1，化學成分見表 2；②細骨料采用北京沙河所產河砂，表觀密度 2650kg/m3，堆積密度 1565kg/m3，細度模數 2.55；③石料采用粒徑為 5～20mm 級配良好的碎石；④橡膠集料采用合肥召輝橡膠制品有限公司生產的橡膠顆粒，粒徑為 1～3mm 連續級配的橡膠顆粒，該橡膠顆粒是由廢舊輪胎墊帶經機械破碎、篩分、清洗并除塵等一系列過程所得到，表面無預處理；⑤減水劑采用北京世紀洪雨科技公司生產的 HY801聚竣酸高性能減水劑；⑥除冰液采用成都民航六維航化有限責任公司生產的：NW－056A 機場道面除冰液，主要成分為醋酸鉀溶液，下文簡稱 KA 溶液，及 FCY-1A 飛機除冰液，其主要成分為質量分數為 78% 的乙二醇溶液，下文簡稱 AD 溶液。

表1　基準水泥基本力學性能

表2　基準水泥的化學成分 %

1.2 配合比設計、試件的養護和成型

碾壓混凝土的配合比按照 GJB 1578－92《機場道面水泥混凝土配合比設計技術標準》設計，設計抗折強度為5.0MPa，抗壓強度等級為 C60，水泥用量為 315kg/m3，配合比為水:水泥:砂:石＝1:2.89:8.21:11.08，橡膠摻量共三種（5%、10%、15% 等體積取代砂）。減水劑摻量為水泥用量的 2.76%。配合比見表 3。

為了防止橡膠發生團聚，首先將橡膠顆粒和水泥攪拌均勻，之后連同粗骨料、細骨料加入到攪拌機干拌 30s 后，加入水拌合，期間均勻加入減水劑。然后出料后使用振動機碾壓，振搗臺振動成型 100mm×100mm×400mm 的棱柱體試件。試件成型后帶模養護 24h 后，拆模并移入自動養護室內養護 24d。養護室的條件為溫度 (20±2)℃、濕度 95%。養護至 24d 后，將要進行凍融試驗的試塊分組移入凍融介質中浸泡 4d。

表3　混凝土的配合比

1.3 試驗方法

三種橡膠顆粒摻量的碾壓混凝土在水、KA 溶液、AD溶液的凍融介質中進行試驗，其中 KA 溶液的質量分數為35%，AD 的質量分數為 25%。分別使用相對動彈性模量、抗折強度、質量損失及表面觀感來衡量凍融過程中混凝土試塊發生的內部凍融損傷和表面剝蝕情況。

本文采用 DT-16 型混凝土動彈性模量測定儀分析碾壓橡膠混凝土的抗凍性規律，按下式得出相對動彈性模量。

式中：

Pi——N 次凍融循環后第 i 個混凝土試件的相對動彈性模量（%），精確至 0.01；

fni——N次凍融循環后第 i 個混凝土試件的橫向基頻，Hz；

f0i——凍融循環前第 i 個混凝土試件橫向基頻的初始值，Hz。

式中：P——N 次凍融循環后一組混凝土試件的相對動彈性模量（%），精確至 0.01。

相對動彈性模量應以三個試件試驗結果的算術平均值作為測定值，且當數據中最大值和最小值與中間值之差大于15% 時，應去除此數據；如果最大值和最小值或中間值之差大于 15% 時，應取中間值為測定值。

按照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》，采用 300 次凍融循環作為凍融終止標準。

2 結果分析

2.1 不同橡膠顆粒摻量的碾壓混凝土在水中的抗凍性

不同橡膠顆粒摻量的碾壓混凝土在水中凍融循環 300 次后，試塊質量變化、表面情況和相對動彈性模量變化情況如表 4 和圖1、2 所示。由圖可知，經過 300 次凍融后，三種摻量的混凝土試件外觀形態保持完整，只有輕微的砂漿剝落情況，剝落程度隨橡膠摻量的上升而略微增加。但在凍融過程中觀測到，試塊質量并沒有發生明顯變化，甚至有輕微的質量增加的情況。這可能是由于橡膠顆粒本身吸收一部分水分，同時作為彈性體在凍融過程中釋放出了一些空間，混凝土也吸水導致重量增加，這與凍融過程中試塊表面剝蝕的質量相抵消，從而沒有引起質量變化。說明由于碾壓混凝土低水灰比和高密實性的特點，使得混凝土的表面抗剝蝕能力增強。

表4　不同橡膠摻量的混凝土凍融循環試驗結果

圖1　不同橡膠顆粒摻量下的碾壓混凝土凍融質量

從凍融過程中相對動彈性模量變化上來分析，混凝土的相對動彈性模量變化趨勢由快變慢再變快，橡膠顆粒的摻量越大，混凝土的動彈性模量損失越小。摻入橡膠顆粒后的碾壓混凝土在水中的抗凍性表現良好， 300 次凍融循環后動彈性模量降低最多的 5% 橡膠顆粒摻量的混凝土損失了 10.6%，而橡膠摻量 15% 的 RCC 只有 1.64% 的相對動彈模量損失。

圖2　不同橡膠摻量的碾壓橡膠混凝土在水中凍融后的表面情況和相對動彈性模量變化

2.2 橡膠顆粒摻量 10% 時碾壓混凝土在不同凍融介質中的抗凍性
表 5 和圖3、4 為橡膠顆粒摻量 10% 的碾壓混凝土在水、35% KA 溶液和 25% AD 溶液中凍融循環 300 次后的試塊質量變化、表面情況和動彈性模量變化。碾壓橡膠混凝土在水中凍融后表面砂漿剝落情況比在 KA 溶液和 AD 溶液中稍明顯，表面也更粗糙一些，可以看見有部分橡膠顆粒裸露在表面。而試塊在 KA 溶液中和 AD 溶液中凍融后表面情況較為完好，區別在于在 KA 溶液中凍融后的試塊表面有少量白色晶體析出。

表5　不同介質中的凍融循環試驗結果

碾壓橡膠混凝土在三種凍融介質的凍融過程中，質量損失均不明顯，在 300 次凍融后將三組試塊進行抗折試驗，結果如表 6。試塊在三種凍融介質中凍融循環 300 次后，抗折強度損失分別為 20%、21%、18%。抗折強度一定程度上反應出試塊表層的損傷情況[9]，因此可以看出碾壓橡膠混凝土在三種不同的凍融介質中凍融循環后，表層均會受到一定的破壞，但是這種破壞程度上的差別并不明顯。

在凍融過程中相對動彈性模量變化上來分析，碾壓橡膠混凝土在水中凍融時，動彈性模量下降速率由快變慢再變快，最終 300 次凍融循環結束時損失 7.9% 的相對動彈性模量，而在 KA 溶液和 AD 溶液中凍融時，動彈性模量先下降后保持平穩而后稍有增長，只發生極小的損失。相對動彈性模量反應的是混凝土內部微裂縫發展情況[9]，而碾壓橡膠混凝土 KA 和 AD 溶液中凍融后的相對動彈性模量損失小于水中凍融，這可能是因為兩種凍融介質冰點較低，降低了凍融過程中混凝土內部孔隙中水的凍結膨脹，從而減少內部微裂縫的生長，在一定程度上降低了對混凝土的凍融損傷。

但是兩種溶液也會使混凝土表層吸水飽和程度上升，使凍融過程中破壞加大，不利于混凝土抗凍。綜上，不同于碾壓橡膠混凝土在水中凍融循環，損傷同時存在于表層和內部，在 KA 溶液和 AD 溶液的凍融過程中，損傷主要發生在表層。

圖3　不同凍融介質中碾壓橡膠混凝土的凍融質量

圖4 碾壓橡膠混凝土在不同凍融介質中凍融后的表面情況和相對動彈性模量變化

表6　凍融前后抗折強度對比

3 結論

（1）碾壓混凝土中添加橡膠顆粒后，能夠有效地減少在水、AD 和 KA 溶液內凍融過程中的相對動彈性模量的降低，說明有利于抑制凍融過程中混凝土內部微裂縫的發展，提高了碾壓混凝土的抗凍性。

（2）在碾壓混凝土中，隨著添加橡膠顆粒量的增加，在凍融循環過程中損失的動彈性模量減少，但是表面的剝蝕情況有所加劇。因此可以預見通過添加橡膠顆粒提高混凝土抗凍性有一定的范圍，超過范圍不利于抗凍。

（3）橡膠顆粒摻量 10% 的碾壓混凝土在水中凍融后，相對動彈性模量和抗折強度均有所下降，損傷表現為表層砂漿剝蝕和內部微裂縫發展。而在 35% KA 溶液和 25% AD 溶液中凍融后，相對動彈性模量變化較小，抗折強度降低 18%和 21%，說明損傷主要在表層發生。

[1] State-of-the-art report on roller compactedACI 325.10R-95, Manual of concrete practice,concrete pavementsvol. 2; 1996. p. 31

[2] Mahmoud Nili，M. ZaheriDeicer salt-scaling resistance of non-air-entrained roller-compacted concrete pavements [J]. Construction and Building Materials,2010,254:.

[3] Portland cement association．Frost durability of roller compacted concrete pavements. RD 135; 2004.

[4] Paine K A，Dhir R K，Moroney R，et al．Proceedings of

the international conference on concrete for extreme conditions[C]. Scotland UK: Universityof Dundee，2002: 486-498．

[5] Khatib,Z.K., Bayomy,F.M., Rubberized Portland cement concrete[J], Journal ofMaterials in Civil Engineering, 1999, 11(3):206-213.

[6] 牛艷芳，閆寧霞，鄭新橋，等．橡膠摻量與粒徑對混凝土抗凍性影響試驗研究[J]．人民黃河，2013,05: 121-12．

[7] 趙鴻鐸，姚祖康，張長安，等．飛機除冰液對停機坪水泥混凝土的影響[J]．交通運輸工程學報，2004,02: 1-5．

[8] 麻海燕，余紅發，白康，等．機場道面除冰液對高性能混凝土抗凍性的影響[J]．硅酸鹽通報，2011,04: 860-864+879．

[9] 慕儒．凍融循環與外部彎曲應力、鹽溶液復合作用下混凝土的耐久性與壽命預測[D]．東南大學,2000．

［通訊地址］北京市海淀區學院路 37 號（100191）

Effect of rubber particles on the frost resistance of roller compacted concrete

Zhao Shuang, Zhang Wuman
(School of Transportation Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100191)

The frost resistance of roller compacted concrete with rubber particles was studied. The mass loss, the dynamic modulus of elasticity and other related parameters were measured in the fast freeze-thaw cycling. Water, 35% potassium acetate solution and 25% ethylene glycol solution were used as the freeze-thaw mediumsrespectively.The results show that thefrost resistanceof roller compacted concrete with 5%, 10% and 15% rubber particles is goodduring thefreeze-thaw cycling in water. The loss of relative dynamic modulus decrease with the volume increasing of rubber particles. The spalling of the surface mortar and the internal micro-cracks were the damage model. Compared tothefreeze-thaw cycling in water, roller compacted concrete with 10%rubber particles show less damage after freezethaw cycling in 35% potassium acetate and 25% ethylene glycol solution, and the damage mainly occurs on the concrete surface.

roller compacted concrete; rubber particles; frost resistance

趙爽（1990—），男，碩士，主要從事混凝土耐久性研究。