橡膠粉對混凝土抗凍耐久性的影響

董玉文，彭 亮，謝 輝

(1.重慶交通大學 水工建筑物健康診斷技術重慶市高校工程研究中心，重慶 400074;2.都江堰市水務局，四川 都江堰 611830)

0 引 言

我國北方及西部地區(qū)的公路、橋梁、大壩、碼頭等混凝土結構容易在凍融循環(huán)作用下發(fā)生耐久性破壞，影響結構的正常運行及使用壽命。提高混凝土的抗凍耐久性對于混凝土結構的正常使用及工程效益發(fā)揮具有重要意義。研究表明：適量添加粉煤灰、鋼纖維、礦粉、橡膠粉等在一定程度上可以改善混凝土的抗凍性能[1-3]。其中將廢舊輪胎制成橡膠粉摻入混凝土，可以改善混凝土的韌性、抗開裂、抗沖擊、吸收噪音等性能，是一種變廢為寶、保護環(huán)境、節(jié)約原材料、循環(huán)利用廢舊橡膠產(chǎn)品的有效措施[4]。目前，國內外學者已經(jīng)開展了橡膠粉對混凝土物理、力學性能的影響研究，如摻入橡膠粉對混凝土的坍落度、抗壓強度、劈裂抗拉強度、彈性模量等的影響，研究表明：摻入橡膠粉后混凝土的力學性能會有一定程度的降低[5-8]。關于橡膠粉對混凝土耐久性方面的影響也有涉及，李光宇[5]、王勇升[7]研究發(fā)現(xiàn)摻入橡膠粉后混凝土的抗沖耐磨性能都有所提高；A.SIDDIKA等[8]、陳勝霞[9]、葉文超[10]研究發(fā)現(xiàn)橡膠顆粒的摻入可以明顯改善抗氯離子滲透性能，可以改善混凝土的抗碳化性能，但效果不明顯；許金余等[11]、李小慧[12]、韋華等[13]、陳勝霞等[14]開展了橡膠粉粒徑對凍融循環(huán)作用下混凝土的質量損失、動彈性模量的影響，發(fā)現(xiàn)摻橡膠粉混凝土抗凍性能優(yōu)于摻橡膠顆粒的混凝土，橡膠顆粒的摻入明顯改善了混凝土的抗凍融性能；ZHANG Yancong等[15]研究了橡膠粉粒徑及摻量對混凝土抗凍耐久性的影響，但僅選擇抗折強度這一指標進行研究，結果表明隨著橡膠粉摻量的增加，凍融后混凝土的抗折強度損失率達到40%的凍融循環(huán)次數(shù)先增加后減小，最佳橡膠粉摻量為15%。筆者通過室內試驗，研究了摻橡膠粉對混凝土抗凍耐久性的影響，分析了橡膠粉摻量對凍融作用下混凝土的外觀、質量損失、動彈模、抗壓強度的影響，為工程設計提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料與混凝土配合比

試驗采用重慶市江津區(qū)生產(chǎn)的P.042.5拉法基普通硅酸鹽水泥，細骨料采用細河沙，粗骨料為篩分后的碎石，最大粒徑不超過20 mm，大小石子按照6∶4的質量比混合，采用日常生活用的自來水進行拌和。混凝土基準配合比如表1。

表1 混凝土配合比

前人研究了橡膠粉粒徑對混凝土抗凍性能的影響，發(fā)現(xiàn)橡膠粉粒徑在80～150目之間時，混凝土的抗壓、抗凍效果最佳[12,16]。筆者采用100目的橡膠粉，考慮了0、5、10、15、20、25、30、35 kg/m3共8種橡膠粉摻量，以表1中的基準配合比為基礎，采用外摻法，不替代任何膠材與骨料，將橡膠粉摻入進行拌和。

1.2 試驗方法

試驗過程中用到的主要試驗設備有SJD-30單臥軸強制式混凝土攪拌機、YSHY-800D混凝土快速凍融試驗機、SCE-MATS-B混凝土多功能無損檢測儀、RMT-150C壓力試驗機、掃描電鏡。

試驗制備100 mm×100 mm×100 mm混凝土試件若干，24 h 后拆模，在標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護24 d，然后在水中養(yǎng)護4 d。養(yǎng)護完成后，將試件放入快速凍融試驗箱進行凍融試驗，對凍融25、50、75、100、125、150次后的試件進行外觀、質量損失、沖擊波波速、動彈性模量測量，并進行壓縮試驗，分析各組試件的抗壓強度變化規(guī)律。

2 試驗結果及分析

2.1 凍融后混凝土的外觀變化

判斷混凝土抗凍耐久性的最直接方法就是觀察其外觀變化。圖1及圖2給出了普通混凝土及摻橡膠粉混凝土經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后的外觀照片。由于不同橡膠粉摻量的試件隨凍融次數(shù)增加后的外觀變化規(guī)律相似，筆者僅選取橡膠粉摻量為20 kg/m3的試件，分析其隨凍融次數(shù)增加的外觀變化規(guī)律。

圖1 不同凍融循環(huán)次數(shù)后普通混凝土試件的外觀變化

從圖1及圖2可以看出以下規(guī)律：

圖2 不同凍融循環(huán)次數(shù)后摻橡膠粉混凝土試件的外觀變化

1)普通混凝土凍融25次后試件表面砂漿輕微脫落，出現(xiàn)少量蜂窩狀孔洞；凍融50次后試件表面出現(xiàn)大量砂漿脫落，個別骨料露出；凍融100次后表面砂漿基本完全脫落，大量骨料露出。在凍融作用下表面出現(xiàn)損傷的原因是，隨著凍融次數(shù)的增加，試件表面的砂漿保護層中的孔隙，在凍融作用下反復吸水膨脹，擠壓周圍的砂漿，導致試件表面砂漿逐漸疏松并脫落，表面損傷越來越嚴重。

2)摻橡膠粉混凝土試件凍融50次后試件表面的砂漿有輕微脫落；凍融100次后，試件表面砂漿明顯脫落，試件表面出現(xiàn)少量孔洞；凍融150次后，試件表面砂漿脫落嚴重，部分骨料露出，有的試件甚至少量骨料脫落。

3)從外觀變化來看，摻入橡膠粉后混凝土的抗凍性能有一定的提高，主要原因是橡膠粉有一定的彈性，在凍融作用下，混凝土內的空隙吸水后反復膨脹、收縮，橡膠粉也隨著受壓收縮、恢復變形，為水泥基體的變形提供了空間。因此摻入橡膠粉后，混凝土在經(jīng)歷不同凍融次數(shù)后，其試件表面較經(jīng)歷相同凍融次數(shù)的普通混凝土更加平整。

2.2 混凝土凍融質量損失

混凝土的質量損失率按照式(1)計算：

(1)

式中：ΔWni為質量損失率,%;W0i為試件凍融前的質量，kg；Wni為試件凍融后的質量，kg。

圖3 給出了不同橡膠粉摻量的混凝土試件的質量損失率隨凍融次數(shù)變化的規(guī)律。從圖3中可以看出：

圖3 不同橡膠粉摻量時質量損失率隨凍融次數(shù)的變化規(guī)律

1)不論橡膠粉摻量大小，隨著凍融次數(shù)的增加，混凝土的質量損失率均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，即凍融次數(shù)較小時質量增大，凍融次數(shù)較大時質量減小。主要原因是，凍融次數(shù)較小時，混凝土內部的微裂隙及空隙凍融后吸水膨脹，但試件表面砂漿脫落不甚明顯，導致混凝土試件的質量會有所增加, 即出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象；而凍融次數(shù)較多時，試件表面砂漿在凍融作用下反復膨脹、收縮，結構越來松散，最終不斷脫落，導致質量損失增大。

2)由于橡膠粉具有較好的彈性變形性能，橡膠粉在孔隙水凍脹時收縮、恢復變形，可以為水泥基體的變形起一定的緩沖作用。所以與未摻橡膠粉相比，摻入橡膠粉后混凝土的質量損失率明顯降低，說明摻入橡膠粉有助于改善混凝土的抗凍性能。

3)凍融次數(shù)越多，混凝土的質量損失越明顯。從圖4可以看出，隨著橡膠粉摻量的增加，混凝土的質量損失呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律(與文獻[11]得出的規(guī)律一致)，說明橡膠粉摻量要適中，最佳的摻量為15～25 kg/m3。與未摻橡膠粉相比，凍融150次后，摻量為15、20 kg/m3的試件的質量損失率比分別下降3.23%與3.12%，抗凍效果顯著。

圖4 質量損失率隨橡膠粉摻量變化的規(guī)律

2.3 動彈模

動彈模是評價混凝土耐久性劣化的關鍵指標。目前測量混凝土動彈模的主要方法有共振法、超聲波法、沖擊彈性波法[17-18]。其中沖擊彈性波法的原理與超聲波法類似，通過測量混凝土內部的彈性波波速來計算混凝土的動彈性模量，該方法準確性高，現(xiàn)場適用性更強[19]。

對于一維傳播的試件，P波波速與動彈模的關系為：

(2)

式中：ρ為材料密度，kg/m3；VP1為P波一維傳播速度，m/s；Ed為材料動彈模，Pa。

根據(jù)經(jīng)歷不同凍融次數(shù)后的動彈模，可以按式(3)計算出不同凍融次數(shù)后的相對動彈模：

(3)

式中：Pn為相對動彈模，%；Ed0為未凍融試件的動彈模，Pa；Edn為凍融n次后試件的動彈模，Pa。

試驗觀測了經(jīng)歷不同凍融次數(shù)后的混凝土試件的沖擊波波速，采用式(2)、式(3)計算了動彈模及相對動彈模，結果見圖5、圖6，可以得出以下規(guī)律。

圖5 橡膠粉摻量對動彈模的影響

圖6 橡膠粉摻量對相對動彈模的影響

1)在凍融次數(shù)較低時(25～50次)，混凝土內的空隙吸水受凍膨脹，混凝土密度增大，但微裂紋尚未擴展、連通，其動彈模有輕微的增長；之后隨凍融次數(shù)的增加，動彈模基本呈直線規(guī)律減小，主要原因是凍融次數(shù)較多時，混凝土內微裂隙逐漸發(fā)育、貫通，導致膠凝結構破壞，其抵抗彈性變形的能力逐漸下降。

2)由于橡膠粉為高分子彈性材料，因此凍融次數(shù)較少時，摻橡膠粉混凝土的動彈模與未摻橡膠粉相比有所降低，而當凍融次數(shù)較大時，摻入適量的橡膠粉可為混凝土的收縮及膨脹變形提供相應的變形空間，摻橡膠粉混凝土的動彈模較未摻橡膠粉反而增大。但是，當摻量達35 kg/m3時，混凝土的彈性增強，不論凍融與否，其動彈模顯著低于普通混凝土。

3)從圖6可以看出，相同凍融次數(shù)時，摻橡膠粉混凝土的相對動彈模普遍高于普通混凝土。但是，相對動彈模隨橡膠粉摻量的增加呈先增加后減小的規(guī)律，最佳摻量范圍為15～25 kg/m3，說明適量摻橡膠粉有利于提高混凝土的抗凍性能。凍融150次后，橡膠粉摻量為15、20 kg/m3的試件的相對動彈模比未摻橡膠粉的試件分別提高21.6%與16.5%，摻入橡膠粉后的抗凍性能明顯提高。

2.4 抗壓強度

圖7是橡膠粉摻量對凍融作用后混凝土極限抗壓強度的影響曲線。從圖7可以看出：

圖7 橡膠粉摻量對混凝土極限抗壓強度的影響

1)與動彈模隨凍融次數(shù)變化的規(guī)律一致，隨著凍融次數(shù)的增加，摻橡膠粉混凝土的極限抗壓強度呈先略微增大、后直線減小的趨勢。

2)凍融次數(shù)相對較低時，混凝土內凍融損傷不顯著，而橡膠粉具有彈性，隨著橡膠粉摻量的增加，混凝土的極限抗壓強度逐漸降低；但是，凍融次數(shù)相對較大時，橡膠顆粒作為一種彈性填料分布在混凝土中，具有較強的拉伸、壓縮變形能力，為凍脹壓力提供緩沖、泄壓空間，可減輕凍融裂縫的發(fā)展，摻橡膠粉混凝土的極限抗壓強度較普通混凝土有所增大，但摻量太大反而會導致彈性增強、抗壓能力降低，最佳摻量范圍約為15～20 kg/m3，說明適量摻加橡膠粉，可以提高凍融作用下混凝土的抗壓性能。文獻[15]中通過測量凍融混凝土的彎折強度損失率達到40%的凍融循環(huán)次數(shù)，以此評價橡膠粉混凝土的抗凍性能，發(fā)現(xiàn)隨著橡膠粉摻量的增加，凍融后混凝土的抗凍性能先增加后減小，最佳橡膠粉摻量為15%，與文中得出的凍融混凝土抗壓性能最佳的橡膠粉摻量范圍基本吻合。與未摻橡膠粉的試件相比，凍融150次后，未摻橡膠粉試件的極限抗壓強度下降率為35%，而橡膠粉摻量為15、20 kg/m3試件的極限抗壓強度下降率分別為7.9%與6.4%，說明適量摻入橡膠粉有利于降低凍融后混凝土抗壓性能的劣化程度。

2.5 橡膠粉改善混凝土抗凍性能的微觀機理

混凝土的宏觀物理、力學性能與其微觀結構有密切關系。為分析橡膠粉對混凝土抗凍性能的影響機理，選取普通混凝土、摻橡膠粉混凝土凍融前后的膠凝顆粒進行了掃描電鏡分析(圖8)。

對比圖8(a)與圖8(b)，可以看出，普通混凝土凍融前顆粒密實，并含有大量空隙，凍融后混凝土內部的微小空隙吸水膨脹、收縮，促使微裂紋萌生、擴展、相互貫通，結構松散，從而導致試件表面沙漿脫落，質量損失加大，混凝土的動彈模、抗壓強度降低。圖8(c)是橡膠粉摻量為20 kg/m3的混凝土經(jīng)歷100次凍融循環(huán)后的膠凝顆粒微觀圖像，與圖8(b)相比可以發(fā)現(xiàn)，受凍階段，因橡膠粉受周圍孔隙水膨脹應力擠壓而產(chǎn)生收縮變形，緩解混凝土孔隙中的膨脹應力，減輕凍脹作用對水泥基體的損傷；融化階段，橡膠顆粒變形逐漸恢復，并繼續(xù)充滿混凝土內部孔隙，進而減少混凝土的吸水量；橡膠顆粒在凍融循環(huán)過程中不斷壓縮和恢復，為水泥基體提供變形空間，極大程度緩解了水泥基體承受的膨脹應力，從而可以提高混凝土抗凍性能及力學性能。

圖8 不同混凝土膠凝顆粒掃描電鏡圖像

3 結 論

通過室內試驗，選取外觀、質量損失、動彈模、抗壓強度指標，研究了摻橡膠粉對混凝土抗凍耐久性的影響，得出以下主要結論：

1)摻入橡膠粉能有效提高混凝土的抗凍性能，但橡膠粉摻量不宜過大，最佳摻量約為15～20 kg/m3。

2)與普通混凝土相比，凍融150次后，橡膠粉摻量為15、20 kg/m3混凝土試件的質量損失率分別下降3.23%與3.12%，相對動彈模分別提高21.6%與16.5%，極限抗壓強度下降率分別為7.9%與6.4%，適量摻加橡膠粉可以顯著改善混凝土的抗凍耐久性。