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(xué) 水工建筑物健康診斷技術(shù)重慶市高校工程研究中心，重慶 400074;2.都江堰市水務(wù)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(jié)構(gòu)容易在凍融循環(huán)作用下發(fā)生耐久性破壞，影響結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了橡膠粉對混凝土物理、力學(xué)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(xué)性能會有一定程度的降低[5-8]。關(guān)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(zhì)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(jié)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(nèi)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(zhì)量損失、動彈模、抗壓強度的影響，為工程設(shè)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(zhì)量比混合，采用日常生活用的自來水進行拌和?；炷粱鶞逝浜媳热绫?。

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(chǔ)，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(shè)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(zhì)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(jié)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(fù)吸水膨脹，擠壓周圍的砂漿，導(dǎo)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(nèi)的空隙吸水后反復(fù)膨脹、收縮，橡膠粉也隨著受壓收縮、恢復(fù)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(zhì)量損失

混凝土的質(zhì)量損失率按照式(1)計算：

(1)

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

圖3 給出了不同橡膠粉摻量的混凝土試件的質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)量增大，凍融次數(shù)較大時質(zhì)量減小。主要原因是，凍融次數(shù)較小時，混凝土內(nèi)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(dǎo)致混凝土試件的質(zhì)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(fù)膨脹、收縮，結(jié)構(gòu)越來松散，最終不斷脫落，導(dǎo)致質(zhì)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(fù)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)量損失率比分別下降3.23%與3.12%，抗凍效果顯著。

圖4 質(zhì)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(guān)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(nèi)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(guān)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(jié)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(nèi)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?；境手本€規(guī)律減小，主要原因是凍融次數(shù)較多時，混凝土內(nèi)微裂隙逐漸發(fā)育、貫通，導(dǎo)致膠凝結(jié)構(gòu)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(yīng)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(nèi)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(dǎo)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(xué)性能與其微觀結(jié)構(gòu)有密切關(guān)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(nèi)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(jié)構(gòu)松散，從而導(dǎo)致試件表面沙漿脫落，質(zhì)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(yīng)力擠壓而產(chǎn)生收縮變形，緩解混凝土孔隙中的膨脹應(yīng)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(fù)，并繼續(xù)充滿混凝土內(nèi)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(fù)，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(yīng)力，從而可以提高混凝土抗凍性能及力學(xué)性能。

圖8 不同混凝土膠凝顆粒掃描電鏡圖像

3 結(jié) 論

通過室內(nèi)試驗，選取外觀、質(zhì)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(jié)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(zhì)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。