基于橡膠再生材料結構的凍融現(xiàn)狀研究

王鵬舉，劉 闖，謝景洲，師營營

（華北水利水電大學土木與交通學院 河南 鄭州 450000）

0 引言

近幾年，隨著城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，建筑材料的需求量也逐年增加。天然砂石等自然資源消耗嚴重，導致建筑垃圾不斷增多。據(jù)統(tǒng)計我國每年產(chǎn)生的建筑垃圾達到10億噸以上，因此由廢棄結構制備的再生結構將成為未來結構的發(fā)展趨勢。與普通結構相比，再生結構的抗凍性能較差，制約了再生結構的發(fā)展。當再生結構中加入廢棄橡膠顆粒，一定程度上提高了再生結構的韌性，并且抗凍性能也得到了提升。抗凍性是評價結構耐久性的重要指標之一，嚴寒地區(qū)的結構凍害現(xiàn)象尤為嚴重。我國東北、華北和西北地區(qū)氣候條件惡劣，年均溫度低，水工建筑物干濕交替頻繁，大壩、港口、城市景觀河道、輸水工程等水工結構凍融破壞嚴重。大部分學者僅單一研究了橡膠結構或者是再生結構的凍融損傷，將兩者結合起來的研究卻比較少。因此本文結合目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分別闡述了橡膠和再生骨料在凍結方面的損傷影響以及提高抗凍性能的改善措施。

1 凍融破壞機理

結構的凍融破壞過程是基于多種物理變化共同作用的結果。結構凍結損傷過程如此復雜的原因是由于其內(nèi)部由多種材料共同組成。普通結構是由骨料和水泥砂漿以及水共同組成的復合材料。由于結構在拌合成型過程中加入了大量的水，在凝結硬化過后，多余的水便滯留在結構內(nèi)部，形成了大量的連通毛細孔。隨著環(huán)境溫度降低，結構內(nèi)部的水分就從液相變成固相，水變成冰體積膨脹，使結構發(fā)生凍害現(xiàn)象。

1.1 靜水壓力理論

結構在負溫條件下毛細孔水會由液態(tài)相變成固態(tài)相，即水變成了冰。水變成冰之后其體積會膨脹約9%，因此毛細孔會受到因為水變成冰帶來的膨脹壓力，孔結構也會形成相應的拉應力。毛細孔水存在于細小的毛細孔中，當溫度降到零下時，這部分水便會結冰膨脹，產(chǎn)生凍脹水壓力。游離水也是可凍水，一旦溫度降到負溫，便會發(fā)生結冰現(xiàn)象。因此結構的凍害現(xiàn)象主要是由于這兩種存在于結構內(nèi)部的水結冰造成的。

1.2 滲透壓理論

雖然靜水壓理論可以解釋大部分的凍融破壞現(xiàn)象，但仍然存在一些無法被很好解釋的凍害現(xiàn)象，如一些不會發(fā)生膨脹的有機溶液同樣也會發(fā)生凍融破壞現(xiàn)象。因此，基于以上問題，一些學者研究出了滲透壓力理論，該理論認為水和冰的自由能不同，水變成冰后，水的蒸汽壓遠大于冰的蒸汽壓。因此隨著溫度持續(xù)降低，結構內(nèi)部尚未結冰的水就會向已結冰的方向移動。另外，結構內(nèi)部還含有大量的鹽類，當結構降至負溫結冰，這些鹽類離子就會聚集在已結冰區(qū)域，于是便形成了濃度差，導致濃度低區(qū)域的溶液向濃度高的區(qū)域移動，這種水分子的移動和重分布引起了滲透壓。

2 再生骨料和橡膠對結構抗凍性影響

為了得到最優(yōu)的再生骨料摻量配比，一些學者研究了再生骨料在不同摻量下結構的抗凍性能。其中周宇等[1]研究了在相同配合比的條件下，將再生粗骨料以等質量的方法取代0、30%、50%、70%、100%進行凍融循環(huán)試驗，結果表明：凍融次數(shù)相同的情況下，再生粗骨料的摻量越大，其抵御抗凍的能力也越差。其原因是再生結構內(nèi)部有較多的孔隙和細小微裂痕，因此非常容易發(fā)生凍融破壞。出現(xiàn)這種情況的原因是由于在凍結過程中再生骨料吸收了一部分水抵消掉了質量損失，并且再生骨料的孔隙率較大，在凍結過程中產(chǎn)生的凍脹壓力較小。相對彈性模量則隨著再生骨料的增加而逐漸降低。

劉恩銘等[2]基于凍融破壞機理，從宏觀角度和微觀角度研究了再生結構的凍結破壞。從宏觀角度看，再生結構隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，表面粗骨料脫落嚴重。在微觀角度，通過掃描電鏡照片可以看到，再生結構尚未凍融時新老界面之間就存在著細微裂縫，伴隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，界面過渡區(qū)逐漸開始擴展，并有少量的砂漿掉落，最終大量裂縫相交在一起，孔隙也逐漸增多，相比于普通結構，再生結構的裂縫開展更快，且裂縫寬度也較大。通過大量的文獻論證了結構的質量損失和相對動彈性模量，最終得出結論，當再生骨料摻量小于50%時，其抗凍結能力接近于普通結構。

LIU等[3]研究利用反硝化細菌作為處理再生粗骨料（RCA）的解決方案，然后將處理后的RCA應用于再生粗骨料結構（RCAC），以提高結構性能，而不會使用或產(chǎn)生有毒或污染物質。基于熱重分析和掃描電子顯微鏡觀察，采用雙階段反硝化細菌處理方法后，發(fā)現(xiàn)新老界面過渡區(qū)（ITZ）和水泥基質均被生物誘導碳酸鈣填充。抗壓強度和抗拉劈裂強度分別提高了30.3%和19.2%。填充結構內(nèi)開孔的細菌導致吸水率降低33.0%，阻礙了外部水的吸收，并減少了水凍結引起的膨脹。細菌將ITZ結合在一起，從而提高骨料和基質之間的凝聚力，并增強對凍融循環(huán)造成的壓力的抵抗力。總之，使用反硝化細菌進行處理是一種環(huán)保方法，可以顯著提高結構強度和耐久性，從而使RCAC在霜凍地區(qū)得到廣泛應用

對于橡膠在結構中的作用，一些學者已經(jīng)做了充分的研究。Liu等[4]通過將橡膠結構浸入到硫酸鹽溶液后烘干測結構的抗壓強度發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過15次浸泡烘干循環(huán)后，結構的耐蝕系數(shù)明顯提高，并且隨著橡膠摻量的增大而升高。Zhang等[5]研究了氯丁橡膠替代河砂和土工聚合物替代普通硅酸鹽水泥（OPC）對RGC力學性能和抗凍融性能的影響。結果表明，抗壓強度和抗拉強度隨CR置換率從0%增加到10%而略有增加，隨著CR置換率進一步增加到20%而降低。此外，CR的加入提高了土工聚合物結構的強度和抗凍融性，而不考慮置換率。對于含10%氯丁橡膠的結構，它比其他結構具有更小的尺寸和更少的內(nèi)部裂縫。此外，氯丁橡膠具有良好的耗能能力，可以減輕凍融循環(huán)造成的破壞。然而用土工聚合物代替OPC對橡膠結構的力學性能和抗凍融性起到了不利的作用。結果表明，適量氯丁橡膠的加入有利于土工聚合物結構的性能，最佳取代率為10%，從而保證了結構的高強度和良好的抗凍融性能。橡膠顆粒如圖1所示：

圖1 橡膠顆粒

Bayraktar等[6]研究了水泥用量和廢輪胎橡膠作為骨料對經(jīng)受H2SO4和凍融循環(huán)的泡沫結構力學、運輸和磨損特性的影響。泡沫結構混合料由0%和20%兩個百分比的硅粉部分替代波特蘭水泥和100%的廢輪胎橡膠替代細骨料制成。制備了兩組SF含量分別為0%和20%的混合物。在每組混合物中，使用300 kg/m3、400 kg/m3和500 kg/m3的三種水泥含量和20 kg/m3、40 kg/m3和60 kg/m3的泡沫含量生產(chǎn)水/黏結劑（w/b）比為0.75的結構混合物。通過坍落度試驗評估新拌結構的工作性。7天后和28天后測定混合物的抗壓強度和彎曲強度，28天后通過孔隙率和吸水率測量運輸性能。除了微觀結構研究外，還進行了收縮、吸附性、磨損、酸侵蝕和30和60次凍融循環(huán)試驗，并且還進行了優(yōu)化。結果表明，最低和最高收縮值對應水泥用量為300 kg/m3和500 kg/m3，結果還表明，水泥含量為500 kg/m3、泡沫含量為20 kg/m3的SF混合料在磨耗、F-T循環(huán)和酸侵蝕后表現(xiàn)出最佳的抵抗力。

3 橡膠再生結構抗凍性的改善措施

3.1 引氣劑的影響

關于結構的外加劑有很多種類，其中包括引氣劑、減水劑、早強劑等。當結構中摻入引氣劑后，引入了大量均勻分布的微小氣泡，氣泡承擔了一部分水凍結時的膨脹壓力，對于結構凍結損傷有積極作用。王俊潔等[7]研究了引氣劑摻量對凍融循環(huán)前后砂漿毛細吸水規(guī)律的影響。結果表明：引氣劑摻量較低砂漿的前期毛細吸水性系數(shù)較未凍融循環(huán)作用時明顯增加，引氣劑摻量較高砂漿的前期毛細吸水性系數(shù)較未凍融循環(huán)作用時無明顯增加。這是由于引氣劑的加入會產(chǎn)生大量的氣泡在結構內(nèi)部，一定程度上減少了毛細孔以及孔隙的產(chǎn)生，并減弱和緩沖了由水變成冰產(chǎn)生的膨脹應力，因此引氣劑對于結構的凍結損傷有重要積極作用。

3.2 纖維的影響

吳倩云等[8]對玄武巖纖維-礦渣粉-粉煤灰混凝土（BSFC）的抗凍性能進行研究，為探究玄武巖纖維對凍融后BSFC抗壓強度的影響，定義玄武巖纖維貢獻率來定量表征玄武巖纖維的影響程度。結果表明玄武巖纖維的貢獻率在不同凍融循環(huán)次數(shù)下呈現(xiàn)上升趨勢，并且在纖維摻量為0.18%時對BSFC抗凍性能提高最佳。玄武巖纖維對于抗凍性能提高有顯著的增強效果。纖維混合在混凝土中形成錯綜復雜的亂向結構，在早期水泥硬化過程中，由于溫度變化引起混凝土體積變形收縮，產(chǎn)生拉應力。而纖維具有良好的韌性，能夠承擔一部分的拉應力，從而緩解裂縫的發(fā)展。在凍結過程中，微裂縫要承受水變成冰的凍脹壓力，部分纖維貫穿裂縫，可以承受分擔一部分力，緩解凍結損傷對混凝土的劣化作用。

3.3 橡膠顆粒的影響

橡膠顆粒材料具有一定的彈性，橡膠材料可以減緩在結構凍結過程中產(chǎn)生的凍結膨脹壓力，因此在一定程度上對結構凍結損傷有一定的積極意義。王鳳池等[9]研究不同橡膠粉摻量、橡膠粉粒徑、養(yǎng)護方式以及齡期等因素對橡膠水泥土抗凍性能的影響。橡膠粉摻量為5%、10%、15%和20%進行凍融循環(huán)試驗。結果表明：凍融循環(huán)下的橡膠水泥土隨著橡膠粉摻量的增加，其抗壓強度降低，橡膠粉摻量為 10% 的橡膠水泥土受凍融循環(huán)影響較小。

4 結論及展望

結構的抗凍性是非常重要的一個耐久性能，尤其是在我國北方凍融破壞較為嚴重的地區(qū)。本文查閱大量的國內(nèi)外關于橡膠再生結構的研究現(xiàn)狀。得出以下結論：（1）引氣劑的摻入可以有效改善結構的凍結損傷。（2）結構中摻入纖維對于抵抗結構的凍結損傷有相當程度的提升，并且在一定范圍內(nèi)摻量越高抗凍效果越好。（3）橡膠顆粒具有比較好的引氣效果，一定程度上起到引氣劑的效果。另外，橡膠材料屬于彈性材料，有良好的彈性變形能力，可以緩解一定的凍結膨脹應力。橡膠再生結構符合綠色環(huán)保的建筑材料，關于橡膠各個方面的耐久性能還需要眾多學者共同研究探討，希望得到比較符合的再生材料摻量配比，能夠應用到實際工程中。