自密實(shí)橡膠混凝土性能研究綜述

田 雷，邱流潮，胡 筱

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；2.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司,成都 610072)

0 引 言

自密實(shí)混凝土(Self-Compacting Concrete，SCC)是一種能夠在自身重力作用下將復(fù)雜空間填充密實(shí)的新型混凝土，該材料自20世紀(jì)80年代日本學(xué)者Okamura等[1]首次提出以來已在全世界范圍內(nèi)被廣泛使用。此外，SCC具有良好的流動性、均質(zhì)性、填充性和抗離析性，其硬化后的力學(xué)性能和耐久性能與普通混凝土相似。但是通常情況下，硬化后的SCC脆性較強(qiáng)、彈性和變形能力較弱，這將嚴(yán)重不利于其在一些工程應(yīng)用中的耐久性和使用壽命。另一方面，隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和工業(yè)化水平的不斷提高，汽車數(shù)量在急劇增加的同時，大量報廢輪胎的處理成為了全世界共同面臨的難題。根據(jù)資料顯示，僅在歐洲和美國每年大概有830萬t報廢輪胎被丟棄[2]，在澳大利亞僅2013年大概產(chǎn)生了5 100萬條廢棄輪胎[3]。而在世界范圍內(nèi)每年大概有10億條輪胎被報廢，其中大約50%的廢舊輪胎在沒有經(jīng)過任何處理的前提下被丟棄、掩埋；到2030年，全世界每年報廢的輪胎數(shù)量將達(dá)到12億條[4]。大量廢棄輪胎未經(jīng)過任何加工處理被露天堆放、掩埋、焚燒，不僅會嚴(yán)重污染土壤、大氣和水源，還會造成橡膠資源的嚴(yán)重浪費(fèi)[5-7]。在過去幾十年間，如何有效減輕廢棄輪胎造成的“黑色污染”[8-9]、促進(jìn)自然資源和經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)吸引了世界各國專家學(xué)者的廣泛關(guān)注，如何回收利用廢棄輪胎已經(jīng)成為全世界研究的熱點(diǎn)話題[10]。

由于廢棄輪胎橡膠自身具有良好的彈性和變形能力，且具有一定的耐堿腐蝕性，將廢棄輪胎破碎加工成具有一定形狀、大小和級配的橡膠顆粒并作為骨料摻加到混凝土中，已經(jīng)成為一種提升SCC變形能力和處理廢棄輪胎的新手段。從工程角度看，將廢棄輪胎橡膠摻入SCC中能夠有效降低后者的脆性，增強(qiáng)其變形能力；從生態(tài)環(huán)保角度看，將廢棄輪胎橡膠摻入SCC中不僅能夠有效減輕廢棄輪胎造成的“黑色污染”，還能減少對自然砂石骨料的消耗，促進(jìn)自然資源的可持續(xù)利用及人類社會的可持續(xù)發(fā)展。已有研究表明由于SCC具有流動性強(qiáng)和免振搗的獨(dú)特優(yōu)勢，將密度小、質(zhì)量輕的廢棄輪胎橡膠加工成骨料摻加到SCC中，橡膠顆粒能夠在SCC流動填充過程中均勻分布[3,11]，并且能夠有效提高常規(guī)SCC硬化后的抗沖擊能力[12-14]、變形能力[15]、延展性和耐久性[16-17]。由于自密實(shí)橡膠混凝土(Self-Compacting Rubberized Concrete，SCRC)具有良好的流動性、抗離析性、抗沖擊性、抗凍性等性能，其已被廣泛應(yīng)用在一些工程領(lǐng)域，如港口碼頭、防護(hù)堤、海洋平臺、高速公路、機(jī)場跑道、鐵路枕軌、橋梁護(hù)欄等[18-21]。

在過去十年間，國內(nèi)外學(xué)者針對SCRC的性能及應(yīng)用進(jìn)行了大量科學(xué)研究，并取得了豐碩的成果。本文目的是對過去十年間國內(nèi)外針對SCRC的研究工作進(jìn)行綜合介紹，其中重點(diǎn)介紹摻加橡膠骨料對SCC自密實(shí)性能、力學(xué)性能、耐久性能和內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的影響。最后對SCRC的研究結(jié)論進(jìn)行歸納總結(jié)，提出仍需解決的問題并對未來研究進(jìn)行展望，以期能夠?yàn)楦咝阅躍CRC的研究及推廣提供一定的借鑒和參考。

1 自密實(shí)性能

1.1 流動性、粘聚性、間隙通過性和抗離析性

與常規(guī)SCC相同，良好的自密實(shí)性能同樣是新拌和SCRC的重要特征，其中具體包括流動性、粘聚性、間隙通過性和抗離析性[22]，上述性能均可以通過表1中所示的一種或幾種試驗(yàn)方法進(jìn)行判定，性能等級如表2中所示[23]。良好的自密實(shí)性能能夠保證SCRC在重力作用下將復(fù)雜空間填充密實(shí)，從而保證材料硬化后的性能。

表1 自密實(shí)性能及測試方法[23]Table 1 Self-compacting ability and test methods[23]

表2 自密實(shí)性能分級[23]Table 2 Self-compacting ability classes[23]

續(xù)表

在研究中發(fā)現(xiàn)無論橡膠顆粒是何種形狀和粒徑大小，隨著橡膠顆粒摻量的增加，SCRC的流動性和間隙通過性均會下降[24-26]，粘聚性增強(qiáng)[22,27]，如表3中所示。此外，部分研究發(fā)現(xiàn)橡膠顆粒級配與自然骨料越接近，對自密實(shí)性能產(chǎn)生的不利影響越小[21,28]。摻加橡膠顆粒造成SCRC自密實(shí)性能下降的原因主要包括：(1)橡膠骨料表面粗糙，隨著摻量的增加，混凝土拌合物在流動過程中橡膠骨料之間的摩擦頻率增加，骨料之間會發(fā)生“互鎖”作用[29-30]；(2)橡膠顆粒在混凝土拌合物中容易聚集，包裹部分自由水[31]。部分研究發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整增塑劑[3,32]、高性能減水劑[20,33]和粘度改性外加劑[3]用量可以有效改善SCRC的自密實(shí)性能。此外，也有少量研究結(jié)果與上述結(jié)論存在差異。例如馬昆林等[34]在試驗(yàn)中用4～8目(4.75～2.36 mm)的橡膠顆粒取代砂子體積的5%、10%、15%、20%，發(fā)現(xiàn)當(dāng)取代體積不超過15%時，隨著橡膠顆粒摻量的增加，SCRC的流動性和間隙通過性均提高。Mishra等[35]在研究中用5 mm和10 mm的粗橡膠骨料取代自然粗骨料總體積的5%、10%、15%、20%，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著粗橡膠骨料摻量的增加，SCRC的流動性、粘聚性、間隙通過性均會增強(qiáng)。造成上述現(xiàn)象的主要原因是摻加橡膠顆粒使得SCRC的容重減小并且氣泡數(shù)量增加，其中氣泡在SCRC的流動過程中起到潤滑作用[34]。

另一方面，良好的抗離析性是保證SCRC均質(zhì)性和施工質(zhì)量的前提。現(xiàn)有研究中檢測混凝土拌合物抗離析性的主要方法為篩分離析試驗(yàn)[23]和靜態(tài)沉降柱試驗(yàn)[31]。大部分研究表明無論橡膠顆粒的類型和粒徑大小，隨著摻量的增加，混凝土拌合物的穩(wěn)定性均會下降，抗離析能力減弱[24,36-37]，這主要是因?yàn)橄鹉z顆粒相比于自然骨料，具有密度小、質(zhì)量輕、疏水的特性，在SCRC的流動過程中，橡膠顆粒具有向上運(yùn)動的趨勢，從而降低了SCRC的穩(wěn)定性[38]。通過增加膠凝材料用量、對橡膠顆粒表面進(jìn)行水洗處理等方式，SCRC的穩(wěn)定性可以得到有效改善，抗離析性能顯著提高[3,33]，并且研究發(fā)現(xiàn)水洗浸泡方式是一種簡便有效的方法[3]。然而，極少研究發(fā)現(xiàn)用連續(xù)級配的細(xì)橡膠顆粒等體積取代自然砂，隨著橡膠顆粒摻量的增加，自密實(shí)輕骨料混凝土的抗離析性能增強(qiáng)，這歸因于橡膠顆粒對自密實(shí)砂漿的增稠效應(yīng)[31]。

表3 自密實(shí)性能與橡膠顆粒摻量的關(guān)系Table 3 Relationship between self-compacting ability and rubber content

1.2 孔隙率和含氣量

由于橡膠顆粒表面粗糙，用橡膠顆粒取代自然骨料會使得混凝土拌合物中的孔隙率和含氣量增加[42]，并且摻量越大，含氣量越大[34]。例如Li等[16]在試驗(yàn)中分別使用2～4 mm、1～2 mm、0～0.3 mm的橡膠顆粒取代砂子，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著橡膠顆粒摻量的增加及粒徑的減小，新拌和SCRC中的含氣量逐漸增加，如圖1所示。Ismail等[39]在研究中用粒徑不超過4.75 mm的橡膠顆粒取代砂子體積的5%、15%、25%，并發(fā)現(xiàn)隨著橡膠顆粒體積的增加，新拌和SCRC的含氣量從1.5%分別增加到2%、3.1%和4.6%。此外，Ismail等[40]還在研究中用細(xì)橡膠顆粒取代砂子體積的5%、10%、15%、20%、25%、30%、40%，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)橡膠摻量從體積分?jǐn)?shù)0%增加到40%時，新拌和SCRC中的含氣量從1.5%增加到6.8%。

圖1 含氣量與橡膠顆粒含量、尺寸的關(guān)系[16]Fig.1 Relationship between air content and rubber aggregate content and size[16]

1.3 流變特性

新拌混凝土是一種觸變性材料，而流變特性是表示其流動性和均質(zhì)性強(qiáng)弱的一項(xiàng)重要指標(biāo)[43]。在研究中，Wu等[44]表示砂漿的流變特性決定了SCC的流動性和抗離析性，因此可以通過研究砂漿流變特性表示SCC的流變性能。例如Güneyisi[22]在試驗(yàn)中用級配與砂子相近的橡膠顆粒取代砂子總體積的0%、5%、15%和25%，并用布魯克菲爾德DV-E型流變儀檢測了自密實(shí)橡膠砂漿(Self-Compacting Rubberized Mortar,SCRM)的塑性粘度，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)流變儀轉(zhuǎn)速相同時，橡膠摻量越多，塑性粘度越大，并且隨著轉(zhuǎn)速的提高，SCRM的塑性粘度會下降。Lv等[31]在研究中用級配分布與砂子相近的橡膠顆粒取代砂子體積的10%、20%、30%、40%、50%，然后用R/S流變儀檢測了SCRM的流變性能，并用Bingham模型描述其流變特性。研究發(fā)現(xiàn)隨著橡膠顆粒摻量的增加，SCRM的屈服應(yīng)力和塑性粘度均顯著提高，并且用Bingham模型描述剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化關(guān)系依然是可行的，結(jié)果如圖2、圖3所示。Güneyisi等[45]在試驗(yàn)中用5目(4.00 mm)、18目(1.00 mm)以及二者的混合物分別取代細(xì)骨料，用橡膠碎片取代粗骨料，取代比例均為骨料體積的5%、10%、15%、20%和25%，然后用ICAR流變儀檢測新拌和SCRC的流變特性，并用Herschel-Bulkley模型和改進(jìn)的Bingham模型對流變特性進(jìn)行了表征。結(jié)果表明摻加橡膠骨料會增大流變儀的扭矩，并且SCRC表現(xiàn)出明顯的剪脹性，尤其是摻加粗橡膠骨料的SCRC。此外，橡膠骨料摻量越高，Herschel-Bulkley模型中的n值和改進(jìn)Bingham模型中的c/μ值越大(其中，n為冪指數(shù)，μ和c分別為剪切速率和剪切速率平方的系數(shù))，即新拌和SCRC的剪脹特性越明顯。

圖2 流變特性與橡膠骨料含量的關(guān)系[31]Fig.2 Relationship between rheological properties and rubber aggregate content[31]

圖3 不同橡膠顆粒含量的砂漿流變曲線[31]Fig.3 Flow curves of mortar pastes on various replacement levels of rubber particles[31]

盡管在研究中通常使用流變儀對SCRM或SCRC的流變特性進(jìn)行檢測分析，但是采用流變儀對流變特性進(jìn)行研究的方法過程較為復(fù)雜，試驗(yàn)結(jié)果容易受儀器攪拌和儀器型號參數(shù)的影響。因此，在未來研究中有必要使用更簡便、更準(zhǔn)確的方法對SCRM和SCRC的流變特性做更充分的研究。

2 力學(xué)性能

2.1 抗壓強(qiáng)度

研究發(fā)現(xiàn)無論將橡膠以何種形狀、粒徑大小、級配摻加到SCRC中，均會造成SCRC抗壓強(qiáng)度的下降[46-49]，如表4中所示。例如在研究中龍廣成等[50]采用連續(xù)級配的細(xì)橡膠顆粒等體積取代砂子，研究發(fā)現(xiàn)每增加1%體積分?jǐn)?shù)的橡膠顆粒，SCRC抗壓強(qiáng)度約下降4.5%。Hilal[21]在試驗(yàn)中用18目(1.00 mm)、5目(4.00 mm)及二者的混合物分別取代砂子體積的5%、10%、15%、20%、25%，并發(fā)現(xiàn)90 d齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度隨著橡膠摻量的增加而逐漸降低，并且橡膠顆粒越粗，對抗壓強(qiáng)度的不利影響越大，但是SCRC的抗壓強(qiáng)度均能達(dá)到30 MPa以上。造成SCRC抗壓強(qiáng)度下降的主要原因概括為以下幾點(diǎn)：(1)相比于周圍的混凝土，橡膠顆粒自身的彈性模量較小，在混凝土內(nèi)部形成了軟弱部位[51]；(2)橡膠顆粒與周圍混凝土之間的界面粘結(jié)強(qiáng)度較弱，這使得混凝土在受壓破壞時，內(nèi)部裂縫首先沿著薄弱界面快速發(fā)展[52]；(3)摻加橡膠顆粒起到一定的引氣作用，造成混凝土中孔隙體積增加[34]。

表4 抗壓強(qiáng)度與橡膠顆粒摻量的關(guān)系Table 4 Relationship between compressive strength and rubber content

研究中為了降低摻加橡膠顆粒對SCRC抗壓強(qiáng)度造成的不利影響，可以對橡膠顆粒表面進(jìn)行預(yù)處理或者額外摻加其它膠凝材料[56-57]。例如Si等[20]在研究中用經(jīng)過NaOH溶液處理的橡膠顆粒取代細(xì)骨料，有效減小了SCRC抗壓強(qiáng)度的衰減幅度，這主要是由于采用NaOH溶液浸泡會使橡膠顆粒表面形成弱堿性，從而提高水泥漿在橡膠顆粒表面處的水化反應(yīng)，增強(qiáng)橡膠顆粒與周圍基質(zhì)間的界面粘結(jié)強(qiáng)度[58-59]。此外，Ismail等[40]在研究中發(fā)現(xiàn)當(dāng)橡膠體積摻量為20%、30%、40%時，摻加偏高嶺土的SCRC試塊7 d抗壓強(qiáng)度分別提高了73.1%、60.7%和58.0%，28 d抗壓強(qiáng)度分別提高了44.3%、47.2%和56.2%，這是因?yàn)閾郊悠邘X土提高了新拌和SCRC的粘聚性和均質(zhì)性。

盡管摻加橡膠顆粒會對SCRC的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響，但是當(dāng)橡膠顆粒摻量較低時，SCRC的抗壓強(qiáng)度依然能夠滿足大部分的工程需求[60]。針對摻加橡膠顆粒會造成SCRC抗壓強(qiáng)度下降的問題有必要進(jìn)行更多的橡膠表面改性和填充材料優(yōu)選的試驗(yàn)研究。

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度在高速公路等工程領(lǐng)域中是非常重要的力學(xué)性能[61]，因此研究摻加橡膠對SCRC劈裂抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律十分必要。研究發(fā)現(xiàn)，橡膠顆粒不管以何種形狀、粒徑摻加到SCRC中，均會造成硬化后SCRC劈裂抗拉強(qiáng)度的下降，并且摻量越多，強(qiáng)度越低，如表5中所示。造成SCRC劈裂抗拉強(qiáng)度下降的原因與造成抗壓強(qiáng)度下降的原因相似，均可以歸因于橡膠顆粒的低彈模、橡膠顆粒與周圍混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度較弱、摻加橡膠顆粒導(dǎo)致混凝土內(nèi)部孔隙體積增加[20]。為了降低摻加橡膠顆粒對劈裂抗拉強(qiáng)度造成的不利影響，同樣可以對橡膠顆粒表面進(jìn)行預(yù)處理或者添加其它膠凝材料。例如Najim等[56]在研究中發(fā)現(xiàn)用砂漿對橡膠顆粒表面預(yù)處理可以將劈裂抗拉強(qiáng)度提升19%。Ismail等[57]在研究中發(fā)現(xiàn)摻加偏高嶺土可以將SCRC的劈裂抗拉強(qiáng)度提高17%。此外，摻加纖維也是一種提升SCRC劈裂抗拉強(qiáng)度的有效方式，這是因?yàn)槔w維分布在混凝土中起到了連接裂縫和加筋加固的作用[29,32,62]。例如Aslani等[63]在研究中發(fā)現(xiàn)摻加PP纖維或者鋼纖維均能夠提高SCRC的劈裂抗拉強(qiáng)度，當(dāng)PP纖維體積分?jǐn)?shù)為0.1%時，劈裂抗拉強(qiáng)度提高10.5%；當(dāng)鋼纖維含量為1%時，劈裂抗拉強(qiáng)度提高了51.1%。

表5 劈裂抗拉強(qiáng)度與橡膠顆粒摻量的關(guān)系Table 5 Relationship between splitting tensile strength and rubber content

2.3 彈性模量

彈性模量是決定混凝土變形能力的重要指標(biāo)[66]，研究中發(fā)現(xiàn)由于橡膠顆粒與周圍混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度較低以及橡膠顆粒自身彈性模量較小、變形能力較強(qiáng)等原因[13,21]，使得SCRC的彈性模量隨著橡膠顆粒摻量的增加而逐漸減小，如表6中所示。此外，從SCRC單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線中發(fā)現(xiàn)隨著橡膠顆粒摻量的逐漸增加，峰值應(yīng)力逐漸下降，但峰值應(yīng)力對應(yīng)的峰值應(yīng)變逐漸增大，這說明隨著橡膠顆粒摻量的增加，SCRC的脆性減弱，韌性和變形能力增強(qiáng)，如圖4所示[67]，圖中S1～S9表示橡膠顆粒體積摻量分別為0%、3%、5%、10%、15%、20%、25%、30%和35%的SCRC。另一方面，通過在SCRC中摻加少量偏高嶺土有利于減小彈性模量的損失[57]，但摻加鋼纖維[13]或者其他人造纖維[65]對SCRC的彈性模量不會產(chǎn)生明顯影響。

表6 彈性模量與橡膠顆粒摻量的關(guān)系Table 6 Relationship between elastic modulus and rubber content

圖4 SCRC的應(yīng)力-應(yīng)變曲線[67]Fig.4 Stress-strain relationship curves of SCRC[67]

2.4 抗折強(qiáng)度

大部分研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)橡膠顆粒被用作細(xì)骨料或者粗骨料時，隨著橡膠摻量的增加，SCRC的抗折強(qiáng)度均逐漸減小，如表7中所示。造成SCRC抗折強(qiáng)度下降的原因與上述造成抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度下降的原因相似[21]。但是也有研究發(fā)現(xiàn)摻加橡膠顆粒能夠增強(qiáng)SCRC的抗折強(qiáng)度，這主要?dú)w因于橡膠顆粒具有較好的拉伸承載能力[69]。此外，由于橡膠屬于彈性體，在試塊彎折過程中其具有較好的變形能力和吸能能力[70]，因此摻加橡膠顆粒會使SCRC試塊的彎折韌性和斷裂能提高[16,37,61,71]。

為了補(bǔ)償摻加橡膠顆粒對SCRC抗折強(qiáng)度造成的不利影響，可以采取對橡膠顆粒表面進(jìn)行預(yù)處理、摻加其他粉體或纖維的方式[13,33,56,66]。如Ismail等[57]在研究中發(fā)現(xiàn)當(dāng)用橡膠顆粒取代砂子體積的20%、30%、40%時，用偏高嶺土取代20%的水泥可以將SCRC的28 d抗折強(qiáng)度平均提高14.6%。AbdelAleem等[65]在試驗(yàn)中得出摻加人造柔性纖維、人造半剛性纖維和人造鋼纖維能夠顯著提升SCRC的抗折強(qiáng)度，并且摻加1%體積分?jǐn)?shù)的人造纖維即可有效補(bǔ)償摻加體積分?jǐn)?shù)30%橡膠顆粒造成的抗折強(qiáng)度損失。

表7 抗折強(qiáng)度與橡膠顆粒摻量的關(guān)系Table 7 Relationship between flexural strength and rubber content

續(xù)表

2.5 抗沖擊性能

圖5 橡膠顆粒含量與SCRC抗沖擊性能的關(guān)系[13]Fig.5 Relationship between rubber content and SCRC impact resistance[13]

在一些工程領(lǐng)域，如海岸防護(hù)堤、機(jī)場跑道等，巨大的沖擊荷載會加速降低混凝土材料的耐久性和使用壽命，因此需要針對SCRC的抗沖擊性能開展研究。在研究中，通常采取重復(fù)跌落沖擊試驗(yàn)[12,72]和分離式霍普金森壓桿(SHPB)試驗(yàn)[73]來檢測混凝土的抗沖擊性能。例如Ismail等[13]在研究中用粒徑不超過4.75 mm的橡膠顆粒取代砂子體積的5%、10%、15%、20%、25%、30%，通過重復(fù)跌落沖擊試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著橡膠顆粒摻量的增加，試塊首次開裂和最終破壞的沖擊次數(shù)均逐漸增加，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，這表明SCRC的脆性逐漸下降，延展性和抗沖擊性逐漸提高。AbdelAleem等[65]通過試驗(yàn)研究同樣發(fā)現(xiàn)隨著橡膠顆粒摻量的增加，SCRC試塊的抗沖擊能力不斷提高。在重復(fù)跌落沖擊試驗(yàn)中，當(dāng)橡膠體積摻量為30%時，SCRC試塊的能量吸收率相比于SCC試塊提高了91%；在彎折沖擊試驗(yàn)中，當(dāng)橡膠體積摻量為25%時，SCRC試塊的抗彎折沖擊性能是SCC試塊的2.42倍。此外，龍廣成等[73]在SHPB試驗(yàn)中用粒徑大小為1.18～2.36 mm的橡膠顆粒取代砂子體積的10%、20%、30%，并通過研究發(fā)現(xiàn)在應(yīng)變率相近的條件下，隨著橡膠顆粒摻量的增加，SCRC試塊的破壞程度減弱，抗沖擊性能得到明顯提高。Li等[16]通過SHPB試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)摻加橡膠顆粒的SCRC在沖擊荷載作用下，試塊受壓過程中的臨界應(yīng)變和極限應(yīng)變均顯著提高，表明摻加橡膠顆粒能夠顯著增強(qiáng)SCRC的變形能力、韌性和抗沖擊性能。

總體來看，摻加橡膠顆粒能夠顯著提高SCRC試樣的抗沖擊性能和變形能力，但是現(xiàn)有研究中針對SCRC沖擊破壞過程的研究仍比較缺乏。在未來需要針對SCRC的抗沖擊性能做更多的研究，并從細(xì)觀角度對SCRC的沖擊破壞機(jī)理做研究分析。

2.6 疲勞特性

在混凝土疲勞試驗(yàn)中，通常將試塊失效的循環(huán)加載次數(shù)定義為疲勞壽命[74]。為了研究摻加橡膠顆粒對SCRC疲勞特性的影響，Chen等[15]基于四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究了細(xì)橡膠體積摻量為10%的SCRC的疲勞特性，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)相對于常規(guī)SCC，SCRC的疲勞壽命和變形性能得到明顯改善，這主要是因?yàn)橄鹉z顆粒具有較好的變形耗能能力，在混凝土變形過程中可以吸收部分應(yīng)變能。Chen等[75]研究了當(dāng)橡膠顆粒取代砂子體積的10%、20%、30%時SCRC的彎曲疲勞特性，結(jié)果同樣表明摻加橡膠顆粒提高了SCRC的疲勞破壞應(yīng)變和彎折韌性。Lv等[76]通過單軸壓縮疲勞試驗(yàn)研究了用連續(xù)級配橡膠顆粒取代砂子體積的10%、20%、30%、40%、50%對自密實(shí)橡膠輕骨料混凝土(Self-Compacting Rubber Lightweight Aggregate Concrete，SCRLC)疲勞特性的影響，研究結(jié)果表明隨著橡膠顆粒摻量的增加，SCRLC的疲勞壽命和疲勞應(yīng)變均得到提高，并且當(dāng)橡膠替代摻量為30%時，SCRLC的抗疲勞性能最好。作者還基于雙參數(shù)Weibull分布建立了失效概率為0.05和0.50時SCRLC疲勞壽命的預(yù)測模型，分別如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

式中：SCLC表示自密實(shí)輕骨料混凝土；SCRLC10～SCRLC50分別表示橡膠顆粒體積摻量為10%～50%的SCRLC；S為應(yīng)力水平；Nf為疲勞壽命。

2.7 阻尼比

試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)摻加橡膠顆粒會使SCRC的阻尼性能顯著增強(qiáng)[19]，這與常規(guī)振搗橡膠混凝土的表現(xiàn)相同[77]。例如Li等[16]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)用橡膠顆粒取代砂子能夠顯著增強(qiáng)SCRC的阻尼性能，并且當(dāng)橡膠顆粒體積摻量為30%時，摻加0～0.3 mm粒徑橡膠顆粒的SCRC阻尼性能比摻加1～2 mm粒徑和2～4 mm粒徑橡膠顆粒的SCRC分別高7.5%和9.6%，這說明SCRC非常適用于以吸震減振為主的領(lǐng)域。造成SCRC阻尼性能顯著增強(qiáng)的原因：一方面橡膠顆粒自身具有較好的彈性和變形能力，另一方面橡膠顆粒與周圍混凝土之間界面處的微小孔隙有助于提升SCRC的延展性和阻尼性能[61]。

3 耐久性能

3.1 干收縮性

在研究中，Yung等[78]用30目(0.595 mm)、50目(0.297 mm)以及二者混合的橡膠顆粒分別取代砂子體積的5%、10%、15%、20%，研究發(fā)現(xiàn)隨著橡膠摻量的增加，SCRC的收縮率逐漸增大。當(dāng)體積摻量為5%時，最大收縮率平均增加了35%；當(dāng)體積摻量為20%時，最大收縮率平均增加了95%。Lv等[79]研究了用橡膠顆粒取代砂子體積的10%、20%、30%、40%、50%對SCRLC收縮性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著橡膠摻量的增加，在各個齡期的SCRLC的收縮應(yīng)變均逐漸增加，并且齡期越長，收縮應(yīng)變越大。

從上述研究發(fā)現(xiàn)，摻加橡膠顆粒通常會造成SCRC收縮率的增大，這主要是因?yàn)閾郊酉鹉z顆粒會導(dǎo)致混凝土中孔隙總體積的增加，并且相比于自然骨料，橡膠顆粒的變形能力較強(qiáng)，在混凝土收縮過程中，對周圍混凝土的支撐作用弱于自然骨料[54,81]。而通過適當(dāng)減小水膠比或?qū)ο鹉z顆粒表面進(jìn)行預(yù)處理可以在一定程度上減少SCRC的收縮。

圖6 橡膠骨料對SCRC收縮性能的影響[24]Fig.6 Effect of rubber aggregate on shrinkage of SCRC[24]

3.2 吸水率

圖7 吸水率、吸附高度與橡膠顆粒含量、粒徑的關(guān)系[16]Fig.7 Relationship between water absorption, sorptivity height and rubber aggregate content and size[16]

另一方面，傅強(qiáng)等[84]通過毛細(xì)吸水試驗(yàn)研究了橡膠摻量對SCRC毛細(xì)吸水性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)水膠比相同時，隨著橡膠摻量的增加，SCRC的毛細(xì)吸水性逐漸減弱。Li等[16]在研究中用0～0.3 mm、1～2 mm、2～4 mm的橡膠顆粒分別取代砂子，發(fā)現(xiàn)隨著橡膠顆粒摻量的增加，SCRC的吸水率、水的吸附高度均下降。造成上述現(xiàn)象的原因可以概括為兩點(diǎn)：(1)橡膠材料自身的疏水性使得水被吸收的驅(qū)動力下降；(2)橡膠顆粒粗糙的表面使得毛細(xì)管通道長度增加[84]。此外，橡膠顆粒越細(xì)，橡膠與周圍混凝土之間的微小孔隙數(shù)量越多，這使得橡膠顆粒粒徑為0～0.3 mm時，SCRC的吸水率和吸附高度最大，如圖7所示。

從上述研究結(jié)論發(fā)現(xiàn)，摻加橡膠顆粒通常會造成SCRC的浸沒吸水率增大，毛細(xì)吸水率減小。未來需要針對橡膠顆粒的形狀、粒徑、摻量等因素對SCRC吸水性能的影響做更全面、更精細(xì)的研究，并從細(xì)觀尺度進(jìn)行機(jī)理解釋和分析。

3.3 抗凍性

在寒區(qū)工程中，凍脹現(xiàn)象會對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性造成嚴(yán)重威脅。為了研究摻加橡膠顆粒對SCRC抗凍性的影響，馬昆林等[34]在試驗(yàn)中用1.4～2.3 mm粒徑的橡膠顆粒取代砂子體積的0%、5%、10%、15%、20%，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)橡膠摻量不超過10%時，SCRC的相對動彈性模量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加先增大后減??；當(dāng)橡膠摻量超過10%時，相對動彈性模量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小。同時隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，SCRC試塊的質(zhì)量損失率逐漸增加，表層剝蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，如圖8所示。然而，Richardson等[85]在研究中發(fā)現(xiàn)當(dāng)橡膠摻量最優(yōu)時，SCRC的抗凍性能顯著優(yōu)于SCC，并且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增加，SCRC的質(zhì)量損失率變化很??；而SCC試塊在凍融循環(huán)次數(shù)超過42次時，質(zhì)量損失率急劇增加，如圖9所示，圖中Batch A、Batch B和Batch C分別表示經(jīng)清洗的橡膠混凝土、未清洗的橡膠混凝土和普通混凝土。試塊的最終外觀照片如圖10所示。

圖8 凍融循環(huán)200次后SCRC試塊外觀[34]Fig.8 Appearance of SCRC after 200 freeze-thaw cycles[34]

圖9 試塊質(zhì)量損失與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系[85]Fig.9 Relationship between the mass loss and the number of freeze-thaw cycles[85]

圖10 SCC和SCRC的最終外觀[85]Fig.10 Final appearance of SCC and SCRC[85]

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)南鹉z顆粒摻量時，摻加橡膠顆?？梢杂行岣逽CRC的抗凍性能，這主要因?yàn)椋?1)摻加橡膠顆粒會起到引氣作用，均勻分布的微小孔隙可以緩解混凝土內(nèi)部的凍脹壓力；(2)橡膠顆粒自身彈性較好，在混凝土受凍體積膨脹時，可以一定程度上削弱膨脹產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力[34]。

3.4 氯離子滲透性

但是也有研究發(fā)現(xiàn)摻加橡膠顆粒會降低SCRC的氯離子滲透性，例如馬昆林等[34]在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)隨著橡膠體積摻量從0%增加至20%，SCRC的56 d電通量逐漸下降，表明抗氯離子性能逐漸提高。造成SCRC抗氯離子滲透性能提高的原因可能有兩點(diǎn)：(1)摻加橡膠顆粒阻斷了混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔的連接,增加了內(nèi)部孔隙的曲折度，改善了SCRC中的孔結(jié)構(gòu)分布；(2)橡膠顆粒的疏水性有效降低了含氯離子溶液的毛細(xì)作用。在另一研究中，Li等[16]用1～2 mm的橡膠顆粒取代砂子體積的10%、20%、30%，用0～0.3 mm、2～4 mm的橡膠顆粒分別取代砂子體積的30%，研究發(fā)現(xiàn)隨著1～2 mm橡膠顆粒摻量的增加，SCRC中通過電荷的量逐漸減小，表明SCRC的抗氯離子滲透能力逐漸增強(qiáng)。同時發(fā)現(xiàn)當(dāng)橡膠摻量均為30%時，摻加2～4 mm橡膠顆粒對氯離子滲透能力的降低效果最好，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11 電荷通過量與橡膠含量、粒徑的關(guān)系[16]Fig.11 Relationship between charge passed and rubber aggregate content and size[16]

3.5 電阻性

混凝土的高電阻率可以有效減緩鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕速率，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的耐久性[86]。針對SCRC電阻性能的研究，Yung等[78]在試驗(yàn)中分別用30目(0.595 mm)、50目(0.297 mm)以及二者混合的橡膠顆粒取代砂子體積的5%、10%、15%、20%，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)未摻加橡膠顆粒時，SCC的56 d表面電阻為36.75 kΩ·cm，摻加30目、50目以及二者混合的橡膠顆粒，SCRC的56 d表面電阻分別為40.5～44.88 kΩ·cm、37.33～41.55 kΩ·cm、34.5～37.18 kΩ·cm，并且隨著橡膠摻量的增加，SCRC的表面電阻逐漸增大。Si等[20]在試驗(yàn)中用1.44～2.83 mm的橡膠顆粒取代砂子體積的15%，同時用經(jīng)過NaOH溶液處理的橡膠顆粒取代砂子體積的15%、25%。結(jié)果表明摻加橡膠顆粒增大了SCRC的電阻率，三組SCRC試樣的28 d電阻率相比于SCRC分別提高了36.55%、51.27%、52.28%。

從上述研究發(fā)現(xiàn)摻加橡膠顆粒會提升SCRC的電阻率，這主要因?yàn)橄鹉z材料具有絕緣性，將其摻加到SCRC中，分散的橡膠顆粒會阻斷混凝土內(nèi)部的連通孔隙，從而阻斷孔隙內(nèi)液體中的電荷傳播，達(dá)到提升電阻率的效果[87-88]。

4 微觀結(jié)構(gòu)

由于橡膠顆粒表面粗糙并且自身具有疏水性，這容易造成硬化后的SCRC中橡膠顆粒與周圍混凝土之間的界面粘結(jié)區(qū)域較薄弱。為了更清楚地研究橡膠顆粒與周圍混凝土之間的界面過渡帶(Interface Transition Zone，ITZ)，Zaoiai等[24]通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察發(fā)現(xiàn)在硬化后的SCRC中，橡膠顆粒與周圍混凝土之間會產(chǎn)生明顯的界面縫隙，這不僅會增加SCRC中的孔隙率，還會對SCRC的力學(xué)性能和耐久性能造成不利影響[76]。為了改善橡膠顆粒與周圍混凝土之間的界面粘結(jié)缺陷，Najim等[56]在研究中分別用水泥漿、砂漿、水和NaOH溶液對橡膠顆粒表面進(jìn)行預(yù)處理，SEM照片如圖12所示。研究發(fā)現(xiàn)五組試件中ITZ界面寬度分別為19 μm、16 μm、14.5 μm、15 μm和17 μm，表明采用上述四種方式對橡膠顆粒表面進(jìn)行預(yù)處理均能夠改善橡膠顆粒與基質(zhì)間ITZ的薄弱粘結(jié)，并且采用砂漿處理的效果最好。

從上述研究發(fā)現(xiàn)橡膠顆粒與周圍混凝土基質(zhì)之間的界面粘結(jié)通常比較薄弱，這會對SCRC的力學(xué)性能和耐久性能造成不利影響。目前，能夠顯著改善ITZ粘結(jié)效果的方法依然比較缺乏，在未來需要針對如何改善橡膠顆粒與混凝土基質(zhì)之間ITZ的粘結(jié)效果進(jìn)行更多的試驗(yàn)探究。

圖12 橡膠骨料與混凝土之間的界面粘結(jié)[56]Fig.12 Interfacial bonding between the rubber aggregate and concrete[56]

5 結(jié)論與展望

(1)摻加橡膠顆粒通常會造成SCRC的自密實(shí)性能下降，并且摻量越高，下降越明顯。同時，新拌和的SCRC和SCRM均表現(xiàn)出剪切增稠特征，并且橡膠骨料粒徑越大、摻量越高，剪切增稠特征越顯著。但密度小、質(zhì)量輕的橡膠顆粒在SCRC中的運(yùn)動分布情況與SCRC流變特性間的定量關(guān)系，有待進(jìn)一步研究。

(2)隨著橡膠摻量的增加，SCRC的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均逐漸降低；相比于SCC，SCRC表現(xiàn)出更優(yōu)異的變形性能、抗沖擊性能、抗疲勞性能和阻尼性能。但在橡膠顆粒特性與SCRC力學(xué)強(qiáng)度之間缺乏成熟的數(shù)學(xué)預(yù)測模型，這有待進(jìn)一步研究。

(3)摻加橡膠顆粒會造成混凝土拌合物中的含氣量增加,孔隙率增大，從而使得SCRC的浸沒吸水率和干收縮性增加，并且收縮率隨著橡膠摻量的增加而增大。但是，摻加橡膠顆粒會降低SCRC的毛細(xì)吸水率，致使SCRC表現(xiàn)出更優(yōu)異的抗凍性、抗氯離子滲透性和電阻性，并且隨著橡膠摻量的增加，SCRC的抗氯離子滲透性和電阻性逐漸增強(qiáng)。

(4)通過SEM照片發(fā)現(xiàn)橡膠顆粒與混凝土基質(zhì)之間的ITZ粘結(jié)薄弱，而對橡膠顆粒表面進(jìn)行預(yù)處理可以增強(qiáng)ITZ的粘結(jié)，但作用效果有限。因此，需要針對如何增強(qiáng)ITZ的粘結(jié)做更多的試驗(yàn)研究，探究能夠更加便捷、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、高效地改善界面粘結(jié)的方法。

(5)此外，摻加更小粒徑的橡膠粉對SCRC自密實(shí)性能、力學(xué)性能、耐久性能和內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的影響，有待進(jìn)一步研究；應(yīng)對實(shí)際工程應(yīng)用中SCRC的性能進(jìn)行更多的探究，全面評估SCRC的工程應(yīng)用可靠性。