橡膠混凝土抗凍性能與抗氯離子滲透性能的試驗

楊春峰, 儲超群, 張 坤

(1. 沈陽大學 a. 建筑工程學院, b. 遼寧省環(huán)境巖土工程重點實驗室, 遼寧 沈陽 110044;2. 河南省平原監(jiān)獄 十監(jiān)區(qū), 河南 新鄉(xiāng) 453000)

橡膠混凝土是工程新材料研究的熱點問題之一,其不但解決了廢舊橡膠的無污染消化處理,且與普通混凝土相比具有質(zhì)量輕、抗沖擊性好、抗凍性能好等優(yōu)點[1].隨著對各類橡膠混凝土性能的深入研究,普通強度橡膠混凝土的力學性能和耐久性能已經(jīng)較為明確,但針對高強度橡膠混凝土材料的研究還較為少見.對于工程結(jié)構(gòu)來說,其耐久性能設(shè)計得到了越來越多的重視,因此,開展高強度橡膠混凝土耐久性能研究具有一定的科學價值和工程實用意義.

本文以試驗研究為主要手段,探索了不同強度等級混凝土和不同橡膠顆粒等體積取代砂對耐久性能的影響,相關(guān)數(shù)據(jù)可以供類似研究參考,相關(guān)結(jié)論可以為橡膠混凝土耐久性設(shè)計提供借鑒.

1 配合比設(shè)計及試驗方法

1.1 配合比設(shè)計

試驗原材料:采用425#的普通硅酸鹽水泥;粗、細骨料采用河砂和花崗巖碎石,骨料級配和質(zhì)量均符合相關(guān)規(guī)范要求;為達到高強度混凝土的配置要求,配合比設(shè)計過程中摻入粉煤灰和超細硅灰,硅灰的粒徑為0.1～0.3 μm,二氧化硅的質(zhì)量分數(shù)在96%以上;橡膠顆粒由廢舊汽車輪胎制備,顆粒粒徑為60～80目(177～250 μm),表觀密度為890 kg·m-3;采用UNF-1型萘系高效減水劑,減水率為18%左右.

試驗配合比設(shè)計借鑒密實混凝土配合比的設(shè)計方法,通過“全計算法”計算得出各材料摻量.各組混凝土的強度等級分別為C50、C60、C70,采用橡膠顆粒等體積取代砂的方式,取代的體積分數(shù)分別為4%、8%、12%、16%,配合比具體數(shù)值見表1,表中試件編號的最后數(shù)字代表橡膠顆粒取代砂的體積分數(shù).

表1 橡膠混凝土配合比Table 1 Mix ratio of rubber concrete

1.2 試驗方法

試驗試件的制備和養(yǎng)護均依據(jù)相關(guān)設(shè)計及試驗規(guī)程進行.抗凍性能測試采用快速凍融循環(huán)試驗,抗氯離子滲透性能采用電通量測試試驗,相關(guān)試驗的步驟和方法按規(guī)范進行.

2 抗凍性能試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗數(shù)據(jù)采集

混凝土在經(jīng)歷凍融循環(huán)后,其內(nèi)部的裂縫的開展情況可以通過相對動彈性模量來表示.混凝土強度的降低是由于混凝土內(nèi)部微裂縫不斷發(fā)展,從而表現(xiàn)為相對動彈性模量的下降,根據(jù)快速凍融試驗的要求,一般可以通過相對動彈性模量反映混凝土抗凍性能[2].

2.2 試驗分析

2.2.1 C50組試驗結(jié)果分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù),繪制C50組不同體積分數(shù)下相對動彈性模量和凍融次數(shù)的相對關(guān)系,對比結(jié)果如圖1所示.由圖1可知,隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加,各種組混凝土試塊的相對動彈性模量均下降,但摻入橡膠顆粒的試件較未摻入橡膠顆粒的試件抗凍性能更好.凍融100次時,各組抗凍性能下降幅度相當;凍融200次時,各組差異增大,不摻橡膠顆粒的試件相對動彈性模量最小,體積分數(shù)為8%的試件相對動彈性模量最大,說明橡膠顆粒的摻入對抗凍性能有影響.隨著凍融次數(shù)增多,C50組不同體積分數(shù)試件變化規(guī)律不變,表現(xiàn)最好的為體積分數(shù)8%的試件,凍融400次時,其相對動彈性模量下降幅度超過20%.

圖1 C50組凍融循環(huán)后相對動彈性模量變化曲線Fig.1 Change curve of relative dynamic elastic modulus after freeze-thaw cycles in C50 group

2.2.2 C60組試驗結(jié)果分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù),繪制C60組不同體積分數(shù)情況下相對動彈性模量和凍融次數(shù)的相對關(guān)系,對比結(jié)果如圖2所示.由圖2可知,隨著凍融次數(shù)增加,各組混凝土試塊的動彈性模量均下降,且各組摻入橡膠顆粒的試件抗凍性能均低于未摻加橡膠顆粒的試件.凍融100次時,除體積分數(shù)為4%的試件抗凍性能下降超過5%外,其他各組下降幅度相當;凍融200次時,各組試件的相對動彈性模量變化規(guī)律不變,僅是相差幅度拉大;凍融300次時,除體積分數(shù)為4%的試件相對動彈性模量下降超過20%外,其他各組試件的數(shù)據(jù)仍符合要求,當凍融達到350次時,各組相對動彈性模量下降幅度均超過20%.

圖2 C60組凍融循環(huán)后相對動彈性模量變化曲線Fig.2 Change curve of relative dynamic elastic modulus after freeze-thaw cycles in C60 group

2.2.3 C70組試驗結(jié)果分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù),繪制C70組不同體積分數(shù)情況下相對動彈性模量和凍融次數(shù)的相對關(guān)系,對比結(jié)果如圖3所示.由圖3可知,隨著凍融次數(shù)增加,各組混凝土試塊的動彈性模量均下降,且各組摻入橡膠顆粒的試件抗凍性能均低于未摻加橡膠顆粒的試件.凍融100次時,體積分數(shù)為4%和8%的試件抗凍性下降超過5%,其他各組與基準組混凝土相當;凍融200次時,各組試件的相對動彈性模量變化規(guī)律不變,僅是相差幅度拉大;凍融300次時,體積分數(shù)為4%、8%和12%的各組試件的相對動彈性模量下降均超過20%;當凍融達到350次時,各組橡膠混凝土試件的相對動彈性模量下降幅度均超過20%.

圖3 C70組凍融循環(huán)后相對動彈性模量變化曲線Fig.3 Change curve of relative dynamic elastic modulus after freeze-thaw cycles in C70 group

徐金花等[3]指出,將橡膠粉摻入普通混凝土中能提升混凝土的抗凍性能.張坤[4]試驗研究表明,向普通混凝土中摻入適當摻量的橡膠顆粒將有助于提高混凝土的抗凍性能.崔翰博等[5]提出,存在最佳摻入橡膠粒徑,使得普通混凝土的抗凍融循環(huán)破壞能力達到最優(yōu).王海進[6]通過試驗指出,在普通混凝土中摻入橡膠顆粒,能有效提升混凝土的抗凍性能,且水灰比越小、強度越大的普通混凝土,其抗凍性能越好.根據(jù)以上的試驗結(jié)果和分析可知,僅C50組的橡膠混凝土抗凍性能優(yōu)于普通混凝土,當混凝土強度等級為C60和C70時,橡膠顆粒的摻入會導(dǎo)致混凝土抗凍性能下降.這與普通強度橡膠混凝土試驗得出的“隨橡膠顆粒摻入,混凝土抗凍性能提升[7]”的結(jié)論相悖.可見,高強度橡膠混凝土的凍融性能有其特殊性.

2.3 機理分析

根據(jù)現(xiàn)有的混凝土凍融性能理論和相關(guān)試驗分析,橡膠顆粒的摻入對普通強度混凝土和高強度混凝土抗凍性能影響規(guī)律的不同是由混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的[4].徐金花等[8]通過研究表明,橡膠作為一種有機彈性體,在混凝土內(nèi)部起到了類似于“緩沖閥”的作用,在凍融作用下,減緩了混凝土內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生,同時抑制了混凝土內(nèi)微裂縫的開展,提升了混凝土的抗凍性.對于普通強度混凝土,水膠比較大導(dǎo)致用水較多,硬化后的水泥石中存在大量的毛細孔,這些毛細孔是導(dǎo)致混凝土抗凍性能較差的原因.楊林虎[9]通過研究發(fā)現(xiàn),隨著橡膠顆粒的摻入,由于橡膠的憎水性質(zhì),在混凝土拌合過程中引入大量空氣,起到了類似于“引氣劑”的作用,導(dǎo)致混凝土含氣量增大,硬化后的混凝土孔隙率顯著提高,可以緩解凍融產(chǎn)生的膨脹壓力,使混凝土獲得更好的抗凍性能.同時,適量橡膠顆粒的摻入改善了混凝土的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu),使混凝土內(nèi)形成了大量封閉孔,抑制了毛細孔的發(fā)展,對混凝土的抗凍性能有積極的作用[10].對于高強度混凝土來說,其水膠比較小,且因硅灰等超細材料的摻入,使混凝土更加密實,在凍融試驗的飽水過程中,毛細孔的數(shù)量少,使得吸水較少,凍融產(chǎn)生的壓力本身就不大,此時橡膠顆粒的摻入雖然起到了緩解壓力的作用,但因橡膠顆粒與水泥石之間存在的薄弱面減小了混凝土的強度,且這種強度削弱作用大于緩解壓力作用,因此導(dǎo)致高強度混凝土摻入橡膠顆粒后抗凍性能下降.

3 抗氯離子滲透性能試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗數(shù)據(jù)采集

因為高強度混凝土與普通混凝土相比具有低水膠比、高密實度等材料特性,使其具有很低的滲透性,使用測量普通混凝土抗?jié)B性的方法并不可行[4].通過胡萍[2]的研究總結(jié)可知,高強度混凝土的耐久性可以通過測量抗氯離子的滲透性來評價.抗氯離子滲透試驗采用測試電通量的方法進行,根據(jù)電通量的大小確定其抗氯離子性能.

3.2 試驗分析

通過試驗,對試驗數(shù)據(jù)的采集和匯總后,繪制不同強度等級和不同橡膠顆粒取代砂的體積分數(shù)與電通量測試值的關(guān)系曲線如圖4所示.由圖4可知,不同強度等級試塊中未摻入橡膠顆粒的試件6 h電通量均在1 000 C以下,符合相關(guān)標準要求.強度等級高的組別抗氯離子滲透性能明顯好于強度等級低的組別.摻入橡膠顆粒的試件中,各組試件的電通量均隨著橡膠顆粒取代砂體積分數(shù)的變化呈現(xiàn)出先減小再增大的趨勢,且各組的最小電通量值對應(yīng)的體積分數(shù)均為8%,C50、C60、C70各組的最小電通量分別比未摻入橡膠顆粒組的下降34.8%、26.8%和22.1%,且C60和C70組當中,體積分數(shù)為4%和12%的情況下也取得了較好的效果.可見,橡膠顆粒的摻入能夠降低混凝土的電通量,使其獲得比同強度普通混凝土更好的抗氯離子滲透性能.根據(jù)實驗可知,最佳體積分數(shù)在8%左右.

圖4 不同強度等級和不同橡膠顆粒取代砂的體積分數(shù)與電通量測試值的關(guān)系曲線Fig.4 The relationship curve between the volume fraction of sand replaced by different strength grades and different rubber particles and the measured value of electric flux

3.3 機理分析

由于橡膠顆粒料摻入起到了一定的隔絕作用,橡膠混凝土的抗氯離子滲透性能優(yōu)于普通混凝土,使得氯離子不易滲透[11].雖然橡膠顆粒與水泥石存在的薄弱結(jié)合面有可能導(dǎo)致電通量增大,但在橡膠顆粒取代砂的體積分數(shù)較小的情況下,橡膠顆粒的正面作用明顯大于負面作用,這就是橡膠顆粒摻入改善抗氯離子滲透性能的原因.混凝土的強度越高,抗氯離子滲透能力越強的原因主要是高強度混凝土的密實度明顯好于普通混凝土[4],但當橡膠顆粒取代砂的體積分數(shù)較大時,橡膠顆粒帶來的負面作用增加,混凝土的透水性能提升[12],導(dǎo)致混凝土抗氯離子能力下降.

4 結(jié) 論

1) 對于強度等級為C60、C70的高強度混凝土,橡膠顆粒摻入導(dǎo)致了混凝土抗凍性能下降,其原因在于橡膠顆粒與水泥石之間的薄弱面增加了凍脹的可能,橡膠顆粒的緩解壓力作用沒有普通強度混凝土明顯.

2) 橡膠顆粒的摻入改善了橡膠混凝土的抗氯離子滲透性能,且在橡膠顆粒體積分數(shù)在8%左右效果最佳.