楊晨晨，白 英，田曉宇，張金龍

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

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摻纖維橡膠混凝土抗凍性能研究

楊晨晨，白 英，田曉宇，張金龍

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

通過(guò)測(cè)定10組100 mm×100 mm×400 mm混凝土試件能夠經(jīng)受的快速凍融循環(huán)次數(shù)，研究了橡膠粒和玄武巖纖維摻量變化對(duì)纖維橡膠混凝土抗凍性的影響規(guī)律，分析了纖維橡膠混凝土凍融破壞的損傷機(jī)理。研究結(jié)果表明：橡膠和纖維摻入混凝土能有效降低混凝土受凍融循環(huán)而發(fā)生的損傷劣化程度，明顯提高混凝土的抗凍融循環(huán)性能。而且隨著橡膠粒、纖維摻量的增加，混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量下降趨勢(shì)越平緩，在本試驗(yàn)橡膠粒、纖維摻量范圍內(nèi)，橡膠粒摻量為60 kg/m3，纖維摻量為2.5 kg/m3時(shí)，混凝土抗凍融循環(huán)性能最佳，較基準(zhǔn)混凝土提高150次。

橡膠?；炷?； 玄武巖纖維； 凍融循環(huán)； 相對(duì)動(dòng)彈模量

1 引 言

對(duì)于我國(guó)北方地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)，抗凍性是影響其耐久性能的主要因素。在凍融環(huán)境作用下，水分子受凍膨脹，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生不均勻凍脹擠壓作用，極大地破壞了混凝土的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期使用產(chǎn)生巨大影響[1,2]。如何改善混凝土耐久使用性能一直是研究人員不斷探索追尋的問(wèn)題，到目前，通過(guò)摻加橡膠粒、玄武巖纖維到混凝土中，以改良普通混凝土力學(xué)、抗凍性能的研究已成為改善混凝土耐久性能的研究熱點(diǎn)[3-6]，但對(duì)混摻橡膠粒、玄武巖纖維的混凝土耐久性研究還較少[6-9]。

本試驗(yàn)以普通混凝土，不同纖維摻量、橡膠粒摻量混摻的纖維橡膠混凝土為研究對(duì)象，采用快凍法對(duì)10組30個(gè)試件進(jìn)行了凍融循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)比分析纖維摻量、橡膠粒摻量變化對(duì)混凝土抗凍性能的影響規(guī)律，為纖維橡膠混凝土耐久性研究提供理論依據(jù)。

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原材料

水泥：P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料：中砂，細(xì)度模數(shù)2.6，含泥量1.5%，堆積密度1460 kg/m3，表觀密度2675 kg/m3，級(jí)配良好；粗骨料：粒徑5～20 mm連續(xù)級(jí)配的碎石，表觀密度2690 kg/m3，含水率0.19%;外加劑：SA-3型高效減水劑；水：飲用自來(lái)水；橡膠粒：由廢舊汽車輪胎生產(chǎn)的2 mm橡膠粒；短切玄武巖纖維，主要性能見(jiàn)表1。

表1 玄武巖纖維主要性能Tab.1 Main properties of basalt fiber

2.2 試驗(yàn)配合比

本試驗(yàn)以設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30的普通混凝土為基準(zhǔn)混凝土，通過(guò)試配、調(diào)整，確定基準(zhǔn)混凝土的配合比為W∶C∶S∶G=160∶360∶650∶1200，水灰比：0.44，砂率：35%。對(duì)比試驗(yàn)組是在保持基準(zhǔn)混凝土中水泥、骨料、外加劑、水灰比不變情況下，摻入不同質(zhì)量的橡膠粒、玄武巖纖維，成型的玄武巖纖維橡膠混凝土。AXY表示每組試件的橡膠粒、玄武巖纖維摻量變化，其中A1Y、A2Y、A3Y表示橡膠粒摻量分別為36 kg/m3、48 kg/m3、60 kg/m3；AX1、AX2、AX3表示玄武巖纖維摻量為1.5 kg/m3、2.0 kg/m3、2.5 kg/m3。

2.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)共計(jì)10組，30個(gè)試塊，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“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)中要求的快凍法進(jìn)行各組混凝土的抗凍性試驗(yàn)。每進(jìn)行25次凍融循環(huán)，檢查各組試件的外部損傷并且測(cè)取其質(zhì)量和相對(duì)動(dòng)彈模量，當(dāng)各組試驗(yàn)中出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，即停止試驗(yàn)：(1)達(dá)到300次凍融循環(huán)次數(shù)；(2)試件的相對(duì)動(dòng)彈模量下降到60%；(3)試件的質(zhì)量損失率達(dá)到5%。

3 結(jié)果與討論

3.1 凍融循環(huán)對(duì)混凝土試塊表面形態(tài)影響

試驗(yàn)開(kāi)始前，觀察各組試件表面形態(tài)：基準(zhǔn)混凝土表面光滑密實(shí)；摻入橡膠粒的混凝土表面則有部分細(xì)小凹坑，且摻量越大，凹坑現(xiàn)象越嚴(yán)重；對(duì)比同橡膠粒摻量的混凝土，纖維摻量的變化對(duì)混凝土的表面凹坑現(xiàn)象影響不明顯。50次凍融循環(huán)后，基準(zhǔn)混凝土表面水泥漿體脫落，少量粗骨料外露，其余混凝土試件表面狀況良好。150次凍融循環(huán)后，基準(zhǔn)混凝土表面漿體剝蝕嚴(yán)重，大量粗骨料外露，部分脫落；其余試件表層出現(xiàn)水泥漿體剝落現(xiàn)象，可以看到黑色的橡膠顆粒和粗骨料；對(duì)比各組試件可以看出，橡膠粒摻量越少，相同凍融循環(huán)次數(shù)下表面剝落越明顯；對(duì)比同橡膠粒摻量的混凝土，纖維摻量大的混凝土表層情況好于纖維摻量小的。從混凝土表面形態(tài)的變化可以看出，適量橡膠粒和纖維的摻入，可以提高混凝土的抗凍性能。

3.2 凍融循環(huán)對(duì)混凝土試件質(zhì)量的影響

表2 凍融循環(huán)后各組試件質(zhì)量損失率Tab.2 Mass loss rate after freeze-thaw circulations

續(xù)表

各組混凝土的凍融循環(huán)質(zhì)量損失率見(jiàn)表2。由表2可知，基準(zhǔn)混凝土和摻纖維橡膠混凝土試件在凍融循環(huán)過(guò)程中的質(zhì)量均呈現(xiàn)出下降-上升-下降的趨勢(shì)。這是由于混凝土試件表面水化物受凍融循環(huán)影響而發(fā)生開(kāi)裂、脫落最終導(dǎo)致其質(zhì)量有所降低；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，表面裂隙擴(kuò)張、連通而形成裂縫，同時(shí)裂縫由于應(yīng)力作用進(jìn)一步擴(kuò)張伸入試件內(nèi)部，導(dǎo)致內(nèi)部空隙增加，試件吸附了較多自由水而表現(xiàn)出試件表層混凝土繼續(xù)脫落而質(zhì)量增大現(xiàn)象；繼續(xù)凍融下，試件由于內(nèi)部?jī)雒浧茐膶?dǎo)致混凝土質(zhì)量脫落大于試件內(nèi)部吸附水而呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。分析相同纖維摻量下的混凝土可以看出，相同凍融循環(huán)次數(shù)下，摻加橡膠粒的混凝土質(zhì)量損失較基準(zhǔn)混凝土有所降低，隨著橡膠粒摻量的增加其質(zhì)量損失降低更明顯。對(duì)比橡膠粒摻量相同下的混凝土也可以看出摻入纖維能提高混凝土的抗凍融破壞性能，且隨著纖維摻量增加其抗凍融破壞性能亦呈現(xiàn)提高趨勢(shì)。因此，混凝土中摻入纖維和橡膠粒能增強(qiáng)混凝土的抗凍融破壞性能，且試件的質(zhì)量損失率隨橡膠粒摻量的增加而表現(xiàn)降低趨勢(shì)。

3.3 凍融循環(huán)對(duì)混凝土試塊相對(duì)動(dòng)彈模量的影響

圖1 不同摻量橡膠粒、纖維對(duì)混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量的影響(a)纖維摻量1.5 kg/m3;(b)纖維摻量2 kg/m3;(c)纖維摻量2.5 kg/m3;(d)膠粒摻量36 kg/m3;(e)膠粒摻量48 kg/m3;(f)膠粒摻量60 kg/m3Fig.1 Effect of dosage on the dynamic elastic modulus of rubber power and fiber concrete

纖維橡膠混凝土不同凍融循環(huán)的相對(duì)動(dòng)彈模量見(jiàn)圖1，由圖1可以看出，隨著凍融次數(shù)的增加，基準(zhǔn)混凝土和摻纖維橡膠混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量總體上呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，且開(kāi)始階段各組動(dòng)彈模量曲線下降趨勢(shì)較為平緩，當(dāng)動(dòng)彈模量降到75%以下時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈模量曲線下降趨勢(shì)急劇增大，其原因主要是達(dá)到一定凍融循環(huán)后，混凝土試件內(nèi)部孔隙量增加、增大，更多水分子進(jìn)入內(nèi)部參與凍脹破壞，加速了混凝土的凍融損傷。相對(duì)基準(zhǔn)混凝土而言，橡膠粒和纖維的摻入，明顯提高了混凝土抗凍融循環(huán)的能力，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)小于50時(shí)，基準(zhǔn)混凝土和摻纖維橡膠混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量損失較為接近，但隨著凍融次數(shù)的增加，基準(zhǔn)混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量急劇下降，當(dāng)達(dá)到150次凍融循環(huán)時(shí)，基準(zhǔn)混凝土即被凍壞，而摻纖維橡膠混凝土凍融循環(huán)達(dá)到200次后才有試件出現(xiàn)凍壞現(xiàn)象。

纖維摻量一定時(shí)，橡膠粒的摻入，明顯減緩了纖維混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量降低率，改善了纖維橡膠混凝土的抗凍性能，且橡膠粒摻量增加至60 kg/m3時(shí)，纖維橡膠混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量下降最慢。

橡膠粒摻量一定時(shí)，摻入纖維能改善纖維橡膠混凝土的抗凍性能，纖維摻量的增加能提高纖維橡膠混凝土的抗凍性能，但提高不明顯。

3.4 纖維橡膠混凝土凍融損傷機(jī)理分析

已有研究表明，凍融循環(huán)破壞是混凝土自身凍融循環(huán)過(guò)程中發(fā)生的物理變化過(guò)程[10,11]?；炷猎跐矒v成型硬化過(guò)程中，由于水灰比、施工工藝、養(yǎng)護(hù)環(huán)境等因素，會(huì)形成毛細(xì)裂隙和裂縫等薄弱部位。在凍融循環(huán)過(guò)程中，混凝土內(nèi)部水分發(fā)生低溫凍結(jié)膨脹而在薄弱部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，使得薄弱部位繼續(xù)擴(kuò)張；再者，水泥水化物與骨料的粘結(jié)部位較薄弱，在反復(fù)凍融作用下將破壞結(jié)合面而形成新的裂隙。

纖維橡膠混凝土是“氣泡”緩沖卸壓和“微加筋”阻裂作用的結(jié)合，從而抵抗凍融循環(huán)損傷能力較普通混凝土提高明顯。

混凝土中摻入橡膠粒，能夠在混凝土內(nèi)部引入更多均勻分布的密閉凝膠孔，減少了普通混凝土在水化反應(yīng)中產(chǎn)生的毛細(xì)孔數(shù)量，提高了混凝土的密實(shí)度、阻礙了水分的滲入[12]；由于橡膠粒是彈性體，在混凝土內(nèi)部受膨脹壓力過(guò)程中可以消耗部分內(nèi)應(yīng)力，緩解對(duì)混凝土水化產(chǎn)物的破壞，緩減裂隙的擴(kuò)張，提高混凝土的抗凍融循環(huán)次數(shù)。

摻入均勻分布的玄武巖纖維，在混凝土內(nèi)部形成網(wǎng)狀“微加筋”，有效抑制了混凝土早期凝結(jié)硬化過(guò)程中微裂縫產(chǎn)生和擴(kuò)展，緩減了水分進(jìn)入混凝土內(nèi)部的滲水通道的出現(xiàn)，減少了水分的滲入[13]；由于玄武巖纖維和混凝土的天然相容性，在混凝土基體內(nèi)部受到較大膨脹壓力時(shí)，纖維可以抵抗較多壓力，減少凍融循環(huán)破壞引起的裂縫的增長(zhǎng)速度。

3.5 凍融循環(huán)損傷模型

由材料損傷理論可知[14]，混凝土結(jié)構(gòu)損傷度有如下定義：

(1)

上式中，Et，E0分別表示為混凝土經(jīng)過(guò)t次凍融循環(huán)和未進(jìn)行凍融循環(huán)測(cè)得的相對(duì)動(dòng)彈模量。為了探究纖維橡膠混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量與凍融循環(huán)次數(shù)的具體函數(shù)關(guān)系，參照已有研究的混凝土凍融循環(huán)損傷方程[15,16]，設(shè)

yit=fi(t)+εiti,i=1,...,10;t=0,...,300

(2)

其中，fi(t)是主項(xiàng)值，εit是小周期與隨機(jī)誤差項(xiàng)。由于事先不知道fi(t)的形式，故假定函數(shù)為：

yit=b0i+b1it+b2it2+b3it3+b4it-1+b5it-2+b6it-2+b7it1/2+b8it-1/2+b9iet+b10iInt+εi，i=1,...,10

(3)

以橡膠粒摻量為60 kg/m3、纖維摻量分別為1.5 kg/m3、2.0 kg/m3、2.5 kg/m3為例,通過(guò)Origin9.1對(duì)三組試件凍融后的損傷度的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)試件隨凍融循環(huán)次數(shù)增加損傷度的變化均遵循線性函數(shù)規(guī)律變化，而且相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.9918，擬合見(jiàn)表3。因此，在本試驗(yàn)橡膠粒、纖維摻量范圍內(nèi)，混凝土損傷度變化和凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系可表達(dá)為：

y=Ax2+Bx+η

(4)

其中y是損傷度；b，η為無(wú)量綱系數(shù)，與凍融循環(huán)次數(shù)有關(guān)。

表3 損傷度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Tab.3 Relationship between the degree of damage and the number of freeze-thaw cycles

4 結(jié) 論

(1)提高混凝土抗凍融損傷性能關(guān)鍵在于提高其結(jié)構(gòu)密實(shí)度和抗裂性能，通過(guò)玄武巖纖維對(duì)水泥水化物的增韌、阻裂作用，橡膠粒對(duì)水泥水化物受力有緩沖和卸壓效應(yīng)，大幅度增強(qiáng)了混凝土抵抗凍融循環(huán)損傷的能力；

(2)橡膠粒的摻量對(duì)纖維混凝土抗凍融循環(huán)損傷的能力影響顯著，本試驗(yàn)下橡膠粒摻量為60 kg/m3時(shí)，纖維橡膠混凝土抗凍融循環(huán)損傷的能力較強(qiáng)；玄武巖纖維的摻入能提高橡膠混凝土抗凍融循環(huán)損傷的能力，但摻量的變化對(duì)其影響不大；本試驗(yàn)下纖維摻量為2.5 kg/m3時(shí)，纖維橡膠混凝土抗凍融循環(huán)損傷的能力較強(qiáng)；

(3)由試驗(yàn)結(jié)果，以相對(duì)動(dòng)彈模量的變化定義了混凝土凍融循環(huán)損傷度，分析了摻入不同橡膠粒、纖維質(zhì)量的混凝土其損傷特性隨凍融循環(huán)的變化規(guī)律，經(jīng)數(shù)據(jù)擬合可知，纖維橡膠混凝土在凍融循環(huán)下其相對(duì)動(dòng)彈模量呈線性函數(shù)衰減的規(guī)律變化，并得到了抗凍融性能較優(yōu)的混凝土凍融循環(huán)損傷演化方程表達(dá)式。

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Frost Resistance Property of Fiber Reinforced Rubber Powder Concrete

YANGChen-chen,BAIYing,TIANXiao-yu,ZHANGJin-long

(College of Water Conservancy and Civil Engineering,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010018,China)

Measuring rapid freezing-throwing cycle times of 100 mm×100 mm×400 mm concrete specimens,this paper studies the effect of the rubber power and fiber content change on the frost resistance property of fiber reinforced rubber powder concrete,and analyses the freezing-thawing damaged mechanism of fiber reinforced rubber power concrete.Results shows:concrete mixed with rubber powder and fiber could reduce the damage caused by freezing-thawing cycles,and improve its frost resistance property.With the volume increase of rubber particle and fiber,relative dynamic modulus of concrete decreased more slowly.Within the volume range of rubber particles and fiber in this test,concrete antifreeze thawing cycle has the best performance when the rubber particle content is 60 kg/m3and the fiber volume fraction is 2.5 kg/m3,and it increased 150 cycle times compared to the basic concrete.

rubber powder concrete;basalt fiber;freezing-thawing cycle;relative dynamic modulu

楊晨晨(1991-)，男，碩士研究生.主要從事結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析方面的研究.

白 英，教授.

TU528

A

1001-1625(2016)10-3456-05