橡膠粉摻量和粒徑對(duì)橡膠混凝土抗凍性能的試驗(yàn)

聞 洋,賀希茂,崔 浩,宋文學(xué)

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010;2.包頭市公路工程股份有限公司,內(nèi)蒙古 包頭 014010)

廢舊橡膠在自然環(huán)境下很難降解,將廢舊橡膠用于制備橡膠混凝土是一種有效的處理方法。橡膠混凝土與普通混凝土相比,具有質(zhì)量輕、韌性好、延性好、抗凍性好、降噪隔音、耐磨減震好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用到道路工程領(lǐng)域[1-4]。目前國(guó)內(nèi)外的研究多聚焦在摻加橡膠粉后混凝土耐久性諸如凍融、滲透、硫酸鹽侵蝕、碳化、堿骨料反應(yīng)等的單一因素研究。張立群等[5]研究了橡膠混凝土抗?jié)B性能,橡膠摻量在12%以下時(shí)能有效改善混凝土的抗氯離子滲透性能。王開惠等[6]研究了橡膠混凝土抗鹽侵蝕性能,無(wú)論水灰比還是強(qiáng)度等級(jí)相同,橡膠混凝土抗鹽侵蝕能力均隨橡膠摻量的增加而增大。葛文慧[7]使用橡膠等體積取代了5%的砂子混凝土抗凍性能最好。我國(guó)北方土壤中富含硫酸鹽,在硫酸鹽和凍融耦合條件下,對(duì)混凝土的破壞較單一條件更加嚴(yán)重,目前對(duì)摻加精加工的細(xì)膠粉凝土耦合作用下的耐久性能研究較少?；诖?筆者研究摻加不同粒徑、不同摻量細(xì)膠粉混凝土在硫酸鹽侵蝕及凍融循環(huán)耦合作用下抗凍性能的變化,并結(jié)合掃描電鏡(SEM)對(duì)內(nèi)部水化產(chǎn)物進(jìn)行分析,為橡膠混凝土在北方地區(qū)應(yīng)用提供可靠依據(jù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料和配合比

水泥選用包頭蒙西廠出產(chǎn)的普通硅酸鹽P·O 42.5水泥,其性能指標(biāo)如表1所示。細(xì)骨料采用普通天然河砂,其細(xì)度模數(shù)為2.80,粗骨料采用粒徑在5～25 mm連續(xù)級(jí)配均勻的碎石,壓碎值3.54%。橡膠選用0.425 mm、0.18 mm、0.125 mm粒徑橡膠粉,各粒徑橡膠粉的表觀密度為1 170 kg/m3,橡膠粉顆粒均勻。

表1 水泥物理性能Table 1 Physical properties of cement

混凝土配合比如表2所示,其中CJ為普通混凝土,RC為橡膠混凝土。

表2 混凝土配合比Table 2 Mix proportions of concrete

基準(zhǔn)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40,將0.425 mm、0.18 mm、0.125 mm粒徑的橡膠分別以10、20、30 kg/m3等質(zhì)量方式取代細(xì)骨料,橡膠粉的摻入會(huì)對(duì)混凝土工作性能產(chǎn)生不利影響,因此在橡膠混凝土的配制過程中需根據(jù)實(shí)際情況適量增加減水劑,減水劑用量為水泥的0.8%。

1.2 試驗(yàn)方法及設(shè)備

試驗(yàn)澆筑長(zhǎng)寬高為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件,將成型后的試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24 d后放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的Na2SO4溶液中, 浸泡4 d后取出測(cè)量初始質(zhì)量和初始動(dòng)彈性模量。將測(cè)量好的試件繼續(xù)放入裝有5% Na2SO4溶液的橡膠桶內(nèi),并依據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50082—2009)進(jìn)行快速凍融循環(huán)試驗(yàn)。每隔25次凍融循環(huán)后將試件取出,測(cè)試試件的相對(duì)質(zhì)量損失和動(dòng)彈性模量。切取橡膠混凝土與集料交界的部分,通過掃描電鏡(SEM)觀察界面及侵蝕產(chǎn)物情況,分析研究其微觀形貌對(duì)抗凍性能的影響,從微觀上解釋橡膠粉提高混凝土抗凍性能的作用機(jī)理。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及分析

橡膠混凝土強(qiáng)度變化曲線如圖1所示。橡膠混凝土在受壓時(shí),首先在試件邊緣出現(xiàn)豎向裂縫,隨著加載至極限荷載,邊緣形成多條細(xì)小裂縫,破壞模式呈明顯的塑性破壞,且橡膠集料摻量的越多,混凝土產(chǎn)生塑性變形幅度越大。隨著橡膠摻量的增加,抗壓強(qiáng)度隨之下降,摻量為30 kg/m3時(shí),0.425 mm、0.18 mm、0.125 mm粒徑的抗壓強(qiáng)度分別為34.65 MPa、31.48 MPa、 29.39 MPa,分別下降為基準(zhǔn)試件的82.3%、74.7%、69.8%。

圖1 橡膠摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.1 Influence of rubber content on compressive strength of concrete

2.2 凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果及分析

橡膠混凝土凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率變化如圖2所示。

圖2 橡膠混凝土凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率Fig.2 Mass loss rate of rubber concrete after freeze-thaw cycles

橡膠混凝土在硫酸鈉溶液中凍融循環(huán)作用下的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化規(guī)律如圖3所示。從圖可知,各試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量均是隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而不斷減小,且變化呈現(xiàn)快速下降、緩慢下降、迅速下降3個(gè)階段。對(duì)普通混凝土而言,橡膠粉的加入明顯改善了其抗凍融循環(huán)的性能,凍融循環(huán)次數(shù)由150次增加到250次,單凍融循環(huán)次數(shù)就提升了67%,且動(dòng)彈性模量的下降率從28%變化到2.8%。摻加0.18 mm的橡膠混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量下降速度較摻0.425 mm、0.125 mm的混凝土緩慢,抗凍性能更佳,因?yàn)槠胀ɑ炷量紫秲?nèi)部被浸入了硫酸鎂溶液,形成結(jié)晶壓和結(jié)冰壓[9-14]而凍脹破壞,而橡膠混凝土中由于凍脹作用而產(chǎn)生的孔隙被水化產(chǎn)物與硫酸鹽反應(yīng)生成的鈣礬石以及橡膠顆粒填充,且這些孔隙在凍融循環(huán)后期會(huì)被生成的小部分石膏會(huì)進(jìn)一步填充,阻止其內(nèi)部裂紋的生成、延升和貫通,提高其抗凍性能,而0.18 mm橡膠粒徑相對(duì)較大,因此動(dòng)彈性模量的變化趨于平穩(wěn),較0.425 mm、0.125 mm抗凍性能更佳。

圖3 橡膠混凝土凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量變化率Fig.3 Change rate of relative dynamic elastic modulus of rubber concrete after freeze-thaw cycle

2.3 壓汞試驗(yàn)結(jié)果及分析

表3為摻0.18 mm橡膠粉的混凝土300次凍融循環(huán)試驗(yàn)后壓汞測(cè)試結(jié)果。

表3 橡膠混凝土300次凍融循環(huán)試驗(yàn)后壓汞測(cè)試結(jié)果Table 3 Mercury intrusion test results of rubber concrete after 300 freeze-thaw cycle tests

吳中偉[14]根據(jù)孔徑大小將混凝土內(nèi)部孔隙分為:孔隙<20 nm為無(wú)害孔、孔隙=20～50 nm為少害孔、孔隙=50～200 nm為有害孔、孔隙>200 nm為多害孔4類孔隙。從表3可知,摻入橡膠粉后最可幾孔徑的大體趨勢(shì)是向大孔發(fā)展。圖4為摻0.18 mm橡膠粉的混凝土孔隙特征。從圖中可以看出,曲線呈現(xiàn)整體右移的趨勢(shì),孔隙率不斷增大,混凝土內(nèi)部的損傷逐漸加劇,同時(shí)可以看出橡膠混凝土曲線一直處于普通混凝土的下側(cè),隨著普通混凝土的大孔徑孔隙數(shù)量不斷增加,抗凍性能也逐漸劣于橡膠混凝土。

圖4 橡膠混凝土孔隙特征Fig.4 Pore characteristics of rubber concrete

根據(jù)混凝土內(nèi)部孔隙4類孔隙,由壓汞試驗(yàn)結(jié)果可知,凍融循環(huán)試驗(yàn)前RC-20-80組橡膠混凝土中無(wú)害及少害孔所占比例為59.1%,相比普通混凝土C-J的49.33高了9.77%;凍融循環(huán)后,300-RC-20-80橡膠混凝土有害及多害孔所占比例為37.97%,相比普通混凝土凍融循環(huán)300次后的有害及多害孔少14.27%。由此可見，加入適量的橡膠粉可以提高混凝土內(nèi)部小孔所占的比例,提高混凝土的密實(shí)度,有害離子及水分進(jìn)入混凝土內(nèi)部變得更加困難,相應(yīng)的凍脹力減少,因此橡膠混凝土的抗凍能力優(yōu)于普通混凝土。

2.4 掃描電鏡試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖5 凍融循環(huán)后橡膠混凝土微觀形貌Fig.5 Microscopic morphology of rubber concrete after freeze-thaw cycles

3 結(jié) 論

(1)適當(dāng)橡膠粉的摻入可減緩混凝土試件的質(zhì)量損失,隨橡膠摻量的增加,混凝土鹽凍循環(huán)后的質(zhì)量損失越大,隨橡膠粒徑的減小質(zhì)量損失也越嚴(yán)重。硫酸鹽對(duì)凍融循環(huán)既有促進(jìn)作用又有抑制作用,因此試件質(zhì)量出現(xiàn)先上升后下降。

(2)摻入過細(xì)的橡膠粉對(duì)混凝土的抗凍性能不利,鹽凍循環(huán)后的混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量呈現(xiàn)先下降,而后平穩(wěn),最后又下降的趨勢(shì)。

(3)橡膠混凝土在硫酸鹽溶液中凍融循環(huán)后生成針狀鈣礬石晶體,填充于混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的微裂縫,橡膠有助于降低混凝土的孔隙率、提高其對(duì)有害離子及水的滲透能力。

(4)RC-20-80橡膠混凝土有害及多害孔所占比例為37.97%,相比普通混凝土凍融循環(huán)300次后的有害及多害孔少約14.27%,橡膠混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí),橡膠混凝土的抗凍能力優(yōu)于普通混凝土。橡膠摻量為20 kg/m3、粒徑為0.18 mm時(shí),混凝土的抗凍性能最優(yōu)。