吳安利，高 峰，郝贠洪，劉艷晨，王瑞龍

(1．內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010051； 3.內(nèi)蒙古自治區(qū)建筑檢測(cè)鑒定與安全評(píng)估工程技術(shù)研究中心，呼和浩特 010051)

0 引 言

內(nèi)蒙古中西部地區(qū)鹽漬土區(qū)域面積較廣且溫差較大，長(zhǎng)期遭受風(fēng)沙沖蝕作用[1-3]。風(fēng)沙沖蝕作用會(huì)使混凝土結(jié)構(gòu)表面的水泥基體剝落，鹽類(lèi)腐蝕和凍融循環(huán)對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)損害嚴(yán)重[4]，復(fù)合鹽凍融循環(huán)作用與風(fēng)沙沖蝕作用使該地區(qū)路面混凝土工程的耐久性和安全性受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

橡膠混凝土由廢舊輪胎制成的橡膠顆粒加入混凝土中制備而成，具有廢物利用、節(jié)約資源和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[5]，還可改善混凝土抗凍、韌性和抗磨損等性能[6]。國(guó)內(nèi)外對(duì)橡膠混凝土研究較多，主要集中在不同粒徑和摻量對(duì)橡膠混凝土基本力學(xué)性能[7-10]、抗凍性能[11]和斷裂韌性[12-14]的影響等方面，對(duì)橡膠混凝土沖蝕損傷也有研究[15-16]；但橡膠顆粒與水泥基體粘結(jié)性差限制了橡膠混凝土的應(yīng)用，改性溶液可以改變橡膠顆粒表面的物理性能，增強(qiáng)橡膠顆粒與水泥基體的粘結(jié)性。對(duì)改性橡膠混凝土的研究主要集中在改性溶液不同對(duì)其力學(xué)性能影響的方面[17-19]，改性溶液主要有自來(lái)水、HCl、CaCl、NaOH等溶液，其中NaOH是改性作用最為明顯的無(wú)機(jī)溶液。但目前對(duì)改性橡膠混凝土的沖蝕損傷研究較少，因此研究改性橡膠混凝土在復(fù)合鹽凍融循環(huán)-風(fēng)沙沖蝕作用下的損傷尤為重要。

針對(duì)內(nèi)蒙古中西部鹽漬土與風(fēng)沙環(huán)境特征，使用NaOH溶液對(duì)橡膠顆粒進(jìn)行浸泡改性處理，研究改性橡膠混凝土力學(xué)性能與沖蝕損傷規(guī)律，研究結(jié)果可為內(nèi)蒙古中西部地區(qū)路面混凝土工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料及制備

水泥采用42.5級(jí)冀東牌普通硅酸鹽水泥；粗骨料采用大青山采石場(chǎng)5～20 mm連續(xù)級(jí)配碎石；細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)為2.81、級(jí)配良好的中砂；拌合水采用普通自來(lái)水；橡膠顆粒為石家莊市雨馨建筑材料有限公司生產(chǎn)，粒徑為10目(2.00 mm)、40目(0.42 mm)和80目(0.18 mm)，主要成分是丁苯橡膠。

對(duì)橡膠顆粒改性作用最為明顯的無(wú)機(jī)改性劑為NaOH溶液，經(jīng)過(guò)前期不同濃度NaOH溶液改性對(duì)橡膠混凝土的風(fēng)沙沖蝕損傷試驗(yàn)，選取濃度為15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的NaOH溶液對(duì)改性橡膠混凝土進(jìn)行研究。將橡膠顆粒浸泡處理48 h后，用自來(lái)水沖洗直至沖洗溶液的pH值為中性，將其自然晾干備用。

依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55—2011)，配制C30普通混凝土作為基準(zhǔn)混凝土；根據(jù)等體積取代細(xì)骨料的方法配制橡膠顆粒摻量10%的未改性橡膠混凝土和改性橡膠混凝土，經(jīng)過(guò)前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)10目、40目與80目橡膠顆粒在摻量15%以下時(shí)上浮現(xiàn)象并不明顯，橡膠顆粒在混凝土內(nèi)部分布均勻。試件尺寸為40 mm×40 mm×40 mm(用于風(fēng)沙沖蝕試驗(yàn)與復(fù)合鹽凍融循環(huán)試驗(yàn))、100 mm×100 mm×100 mm(用于立方體抗壓強(qiáng)度測(cè)試)、150 mm×150 mm×150 mm(用于靜態(tài)彈性模量測(cè)試)、100 mm×100 mm×400 mm(用于抗折強(qiáng)度測(cè)試)。試件編號(hào)及配合比如表1所示。

表1 試件編號(hào)及配合比Table 1 Specimen number and concrete mix proportion

注：ST表示普通混凝土，作為基準(zhǔn)混凝土；M表示改性橡膠混凝土，UM表示未改性橡膠混凝土，M-n與UM-n中n表示橡膠顆粒目數(shù)，例如UM-10表示10目未改性橡膠混凝土。

1.2 試驗(yàn)方法及設(shè)備

混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)進(jìn)行。

為能夠真實(shí)有效地模擬實(shí)際風(fēng)沙環(huán)境特征，采用模擬風(fēng)沙環(huán)境侵蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)橡膠混凝土進(jìn)行風(fēng)沙沖蝕試驗(yàn)研究，該系統(tǒng)由高壓氣源系統(tǒng)、供沙系統(tǒng)、沖蝕控制系統(tǒng)和沙?；厥障到y(tǒng)四部分組成，可以準(zhǔn)確地控制沖蝕速度、沖蝕角度、沖蝕時(shí)間和下沙率。模擬風(fēng)沙環(huán)境侵蝕系統(tǒng)原理示意圖如圖1所示。

選取內(nèi)蒙古中西部庫(kù)布齊沙漠的風(fēng)積沙作為該試驗(yàn)沖蝕用沙，沙粒粒徑主要分布在0.75～0.30 mm之間，所占的比例為88%以上，沙粒級(jí)配不良，形狀不規(guī)則且主要以尖角粒子為主，庫(kù)布齊沙漠沙粒粒徑分布圖及形貌特征如圖2所示。

圖1 模擬風(fēng)沙環(huán)境侵蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理示意圖Fig.1 Sketch map of simulated wind-sand environment erosion experiment system

圖2 庫(kù)布齊沙漠沙粒粒徑分布圖及形貌特征圖Fig.2 Size distribution and morphology of sand grains in Kubuqi Desert

根據(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/T 50082—2009)中快凍法的試驗(yàn)要求自行進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，將外觀良好的混凝土試樣放入復(fù)合鹽溶液浸泡4 d后進(jìn)行凍融試驗(yàn)，根據(jù)鄂爾多斯地區(qū)夏季鹽漬土中陰離子、陽(yáng)離子的含量配制復(fù)合鹽溶液，配制濃度為3.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的NaCl和NaSO4的復(fù)合鹽溶液作為凍融循環(huán)試驗(yàn)介質(zhì)溶液。每個(gè)凍融循環(huán)共計(jì)150 min，分成四個(gè)階段，凍融循環(huán)過(guò)程及時(shí)間段劃分如表2所示。考慮到模擬風(fēng)沙環(huán)境侵蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)試件尺寸的限制，經(jīng)過(guò)前期試驗(yàn)，對(duì)凍融循環(huán)試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)設(shè)定較少，設(shè)定循環(huán)5次、10次、15次、20次、25次、30次時(shí)質(zhì)量損失率不超過(guò)5%。采用MNSY-2400L模擬自然環(huán)境下工程材料耐久性損傷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。

表2 凍融循環(huán)過(guò)程及時(shí)間段劃分Table 2 Freeze-thaw cycle process and time division

1.3 損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)

以沖蝕率作為改性橡膠混凝土沖蝕損傷程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)[20]，即單位質(zhì)量的粒子對(duì)材料造成的質(zhì)量損失。沖蝕率計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

式中：β為風(fēng)沙沖蝕率，mg/g；m1為沖蝕前試件質(zhì)量，mg；m2為沖蝕后試件質(zhì)量，mg；M為下沙量，是下沙率和沖蝕時(shí)間的乘積，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同組分混凝土力學(xué)性能

在ST混凝土、UM混凝土和M混凝土基本力學(xué)性能測(cè)試過(guò)程中，橡膠混凝土表現(xiàn)出一定的延性破壞。未改性橡膠混凝土抗折破壞狀態(tài)如圖3(a)所示，改性橡膠混凝土抗折破壞狀態(tài)如圖3(b)所示。

圖3 混凝土試樣抗折強(qiáng)度試驗(yàn)的破壞狀態(tài)圖Fig.3 Failure state diagram of concrete specimen flexural strength test

由力學(xué)性能試驗(yàn)現(xiàn)象可知：UM混凝土在破壞時(shí)聲音較為清脆，裂紋貫通時(shí)間較短，破壞后裂紋寬度較小，接近脆性破壞；M混凝土在破壞時(shí)聲音沉悶，裂紋開(kāi)展過(guò)程較慢，破壞后裂紋寬度較大，由于橡膠顆粒的拉結(jié)作用，仍維持原有形狀。這主要是由于NaOH會(huì)與橡膠顆粒表面的硬脂酸鋅等憎水性物質(zhì)反應(yīng)，改善橡膠顆粒表面親水性，提高其與水泥基體之間的界面粘結(jié)強(qiáng)度[21]。

混凝土試樣經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得立方體抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度如表3所示。

表3 混凝土試樣立方體抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度Table 3 Cube compressive strength and flexural strength of concrete specimen

由表3可知，在混凝土中加入橡膠顆粒使得混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均降低。NaOH溶液改性會(huì)使橡膠混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度得到提升。UM-10相對(duì)ST混凝土抗壓強(qiáng)度降低24%，抗折強(qiáng)度降低22%，UM-80的降低程度最大，使得混凝土抗壓強(qiáng)度降低37%，抗折強(qiáng)度降低33%。NaOH溶液改性使得UM-10抗壓強(qiáng)度提高17%，抗折強(qiáng)度提高19%，對(duì)UM-80的改善效果最差，抗壓強(qiáng)度只提高13%，抗折強(qiáng)度只提高15%。其主要原因?yàn)橄鹉z顆粒為廢舊輪胎粉碎制備而成，表面吸附雜質(zhì)且光滑，與水泥基體界面的粘結(jié)強(qiáng)度較低，對(duì)抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度均有一定程度的降低。一方面NaOH溶液可清除橡膠顆粒表面的雜質(zhì)，與聚酯酸鋅發(fā)生反應(yīng)使橡膠顆粒表面親水性提高，提高與水泥基體界面粘結(jié)強(qiáng)度，另一方面NaOH為強(qiáng)堿溶液，會(huì)對(duì)橡膠顆粒表面產(chǎn)生微量腐蝕，使橡膠顆粒表面變粗糙，增強(qiáng)與水泥基體之間的粘結(jié)強(qiáng)度，提高橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。

混凝土折壓比為混凝土試樣抗折強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的比值，使用折壓比對(duì)混凝土的韌性進(jìn)行評(píng)價(jià)，混凝土的折壓比越大，韌性越好[22]。混凝土試樣的折壓比及靜彈性模量的變化曲線如圖4所示。

圖4 混凝土試樣的折壓比及靜彈性模量的變化曲線 (將ST混凝土的折壓比和靜彈性模量視為1)Fig.4 Curves of flexural-compressive ratio and static elastic modulus of concrete sample (consider the flexural-compressive ratio and static elastic modulus of the ST concrete as 1)

由圖4中折壓比變化情況可知，在混凝土中加入橡膠顆粒能提高混凝土的折壓比，改善混凝土韌性，隨著橡膠顆粒粒徑越小折壓比提高越明顯。M-40混凝土的韌性改善作用最為明顯。UM混凝土對(duì)混凝土折壓比平均提高3.4%，UM-80混凝土對(duì)ST混凝土折壓比提高最為顯著，達(dá)7.4%。M混凝土較UM混凝土折壓比平均提高1.8%左右，其中M-40混凝土對(duì)折壓比的提高程度最大可達(dá)2.7%。分析其原因，橡膠顆粒彈性模量較小，在受力時(shí)可發(fā)生彈性變形吸收部分能量，提高混凝土韌性，橡膠顆粒粒徑越小則單位體積顆粒數(shù)量越多，對(duì)混凝土發(fā)生形變時(shí)吸收的彈性變形越多，吸收能量也越多，韌性提高越明顯。本試驗(yàn)中橡膠顆粒為等體積取代細(xì)骨料的方法進(jìn)行摻加，40目橡膠顆粒與中砂粒徑相差較小，10目與80目橡膠顆粒摻入使橡膠混凝土中骨料級(jí)配更優(yōu)，10目與80目橡膠混凝土骨料級(jí)配優(yōu)異占據(jù)韌性的主要方面，NaOH溶液對(duì)其力學(xué)性能的改性效果有限，因此40目橡膠顆粒改性效果更為顯著。

由圖4中彈性模量變化情況可知，混凝土中加入橡膠顆粒后彈性模量降低，且橡膠顆粒粒徑越小彈性模量降低越多。NaOH溶液會(huì)使橡膠混凝土的彈性模量進(jìn)一步降低，且橡膠顆粒粒徑越小降低程度越小。UM-80混凝土相比ST混凝土彈性模量降低最多，達(dá)30%，M-10混凝土相比UM-10混凝土的降低程度越大，達(dá)6%。分析其原因，混凝土的彈性模量是由組成材料的彈性模量共同決定的[22]，其中橡膠顆粒的彈性模量遠(yuǎn)低于混凝土中其他配料，在混凝土中加入橡膠顆粒會(huì)降低混凝土的彈性模量，混凝土的彈性模量還與界面彈性模量有關(guān)[21,23]，NaOH為強(qiáng)堿溶液，會(huì)對(duì)橡膠顆粒表面產(chǎn)生微量腐蝕，降低橡膠顆粒表面的彈性模量[24]，相同體積分?jǐn)?shù)下80目橡膠顆粒表面積較大，因而界面低彈性模量占比較大，導(dǎo)致UM-80混凝土的彈性模量降低程度最大。NaOH改性作用會(huì)使橡膠混凝土彈性模量進(jìn)一步降低主要是由改性作用使橡膠顆粒表面彈性模量降低導(dǎo)致。

綜上所述，一般情況下混凝土的抗壓強(qiáng)度增大，混凝土的彈性模量越大，本試驗(yàn)改性作用使得橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度升高，但彈性模量降低。分析原因?yàn)榛炷恋膹椥阅Ａ坎粌H與其他配料的彈性模量有關(guān)，還與界面彈性模量有關(guān)，改性作用使得橡膠顆粒表面親水性增加，與水泥基體的粘結(jié)更為牢固，但改性作用會(huì)降低橡膠顆粒與界面的彈性模量，在纖維混凝土中也存在抗壓強(qiáng)度變化與彈性模量變化不對(duì)應(yīng)情況[25]。

2.2 不同組分混凝土對(duì)沖蝕角度的損傷研究

Finnie[26]指出典型塑性材料的最大沖蝕角度在15°～30°之間，而典型脆性材料最大沖蝕角度在90°處，混凝土為典型的脆性材料，低角度沖蝕損傷以切削為主，高角度沖蝕損傷以擠壓為主。研究ST混凝土、UM混凝土以及M混凝土在沖蝕角度方面對(duì)于沖蝕率的影響，通過(guò)觀察混凝土試樣最大沖蝕角度的變化可得到其脆性變化趨勢(shì)。將沖蝕速度20 m/s、下沙率25 g/min和沖蝕時(shí)間30 min作為不變量，沖蝕角度設(shè)為15°、30°、45°、60°、75°、90°。普通混凝土、改性橡膠混凝土與未改性橡膠混凝土在不同沖蝕角度下的沖蝕率變化如圖5所示。

由圖5可知，各混凝土試樣隨著沖蝕角度的增加，沖蝕率均逐漸增大，在90°時(shí)達(dá)到最大值。UM中UM-10混凝土沖蝕率最小，抗沖蝕性能最好，UM-40混凝土較ST混凝土的沖蝕率有所增大，抗沖蝕性能有所下降。M-10混凝土對(duì)抗沖蝕性能改善最為明顯，M-80混凝土對(duì)抗沖蝕性能改善效果最小。各混凝土試樣沖蝕率大小與沖蝕角度呈線性關(guān)系，隨沖蝕角度增加，沖蝕率不斷提高。UM-10混凝土各角度沖蝕率平均降低5.6%，UM-40混凝土各角度沖蝕率平均提高2.2%。M-10混凝土較ST混凝土在各角度下的沖蝕率平均降低7%，M-80混凝土改善效果最差，在各角度下的沖蝕率平均降低1.2%。分析其原因，橡膠顆粒相對(duì)沖蝕用沙直徑較大，橡膠顆粒的摻入對(duì)混凝土的微觀性能改變較小，在沖蝕作用下橡膠混凝土的水泥基體仍為脆性材料，使得M混凝土在沖蝕損傷方面仍表現(xiàn)為脆性材料破壞。10目橡膠顆粒粒徑較大，在混凝土中與水泥基體粘結(jié)較好，不易脫落，40目和80目橡膠顆粒粒徑較小，橡膠顆粒與混凝土中水泥基體的粘結(jié)力較小，40目橡膠顆粒相比80目橡膠顆粒的質(zhì)量較大，且40目橡膠顆粒脫落后較大孔洞的存在對(duì)沖蝕損傷有加劇作用。NaOH溶液對(duì)10目橡膠顆粒的改性作用主要為NaOH溶液能夠與橡膠顆粒表面的硬脂酸鋅等憎水性物質(zhì)反應(yīng)，增強(qiáng)橡膠顆粒表面的親水性，從而提高橡膠顆粒與水泥基體的粘結(jié)作用，橡膠顆粒表面變化增大了混凝土的粘結(jié)作用，由于80目改性橡膠顆粒粒徑較小，NaOH溶液對(duì)80目橡膠顆粒的改性作用不僅僅作用于表面，強(qiáng)堿溶液使得橡膠顆粒產(chǎn)生微量腐蝕變得松軟，橡膠顆粒本身性能降低，進(jìn)而改善效果較小。

2.3 不同組分混凝土在復(fù)合鹽凍融循環(huán)作用下?lián)p傷研究

試件在復(fù)合鹽溶液浸泡4 d后進(jìn)行凍融試驗(yàn)，對(duì)改性橡膠混凝土進(jìn)行凍融循環(huán)次數(shù)分別設(shè)定為5次、10次、15次、20次、25次、30次，選用未改性橡膠混凝土以及普通混凝土進(jìn)行凍融循環(huán)作為對(duì)比試驗(yàn)。普通混凝土、改性橡膠混凝土與未改性橡膠混凝土凍融循環(huán)次數(shù)與質(zhì)量損失率的關(guān)系如圖6所示。

圖5 混凝土試樣在不同沖蝕角度下的沖蝕率變化Fig.5 Erosion rate charge of concrete samples at different erosion angles

圖6 混凝土試樣凍融循環(huán)次數(shù)與質(zhì)量損失率的關(guān)系Fig.6 Relationship between freeze-thaw cycles of concrete samples and the mass loss rate

由圖6可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，ST、UM與M混凝土的質(zhì)量損失率均呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，在凍融循環(huán)15次時(shí)質(zhì)量損失率最小。10目橡膠混凝土質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)增加變化最大，80目橡膠混凝土變化最小。M-10混凝土對(duì)抗復(fù)合鹽凍融的改善效果最好，且凍融循環(huán)次數(shù)越多改善效果越顯著。UM-10混凝土在凍融循環(huán)5次與30次對(duì)應(yīng)的質(zhì)量損失率高達(dá)1.79%和1.99%，而在15次凍融循環(huán)時(shí)質(zhì)量損失率僅為0.98%，UM-80混凝土的平均質(zhì)量損失率為1.2%，最高為1.32%，最低僅為1.07%，質(zhì)量損失率變化遠(yuǎn)小于UM-10。M-10混凝土較UM-10的質(zhì)量損失率降低最為明顯，平均降低達(dá)0.13%，在30次凍融循環(huán)時(shí)質(zhì)量損失率降低高達(dá)0.27%。主要原因是凍融過(guò)程中復(fù)合鹽溶液在混凝土的空隙中形成鹽堿結(jié)晶，在凍融循環(huán)次數(shù)較少時(shí)鹽堿結(jié)晶對(duì)混凝土試樣的損傷較小，鹽堿結(jié)晶會(huì)使得混凝土質(zhì)量提高，在凍融循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加時(shí)，混凝土孔洞中結(jié)晶膨脹力會(huì)繼續(xù)增加，使混凝土孔洞產(chǎn)生破壞。10目橡膠顆粒加入混凝土使得孔隙率增大，導(dǎo)致凍融循環(huán)次數(shù)增加時(shí)混凝土基體質(zhì)量增加顯著，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，孔洞的破壞情況也更加嚴(yán)重，80目橡膠顆粒粒徑較小，反而會(huì)提高混凝土的密實(shí)度，降低孔隙率，使得凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)80目橡膠混凝土質(zhì)量損失率影響較小。NaOH溶液會(huì)改善橡膠顆粒表面的親水性，提高其與水泥基體的粘結(jié)強(qiáng)度，但對(duì)降低孔隙率作用較小，在凍融循環(huán)次數(shù)較少時(shí)孔隙率大小占據(jù)主要作用，隨凍融循環(huán)次數(shù)增多，橡膠顆粒對(duì)孔洞破壞時(shí)的拉結(jié)作用越加顯著。

2.4 不同組分混凝土在復(fù)合鹽凍融循環(huán)-風(fēng)沙沖蝕作用下?lián)p傷研究

將沖蝕速度20 m/s、沖蝕角度90°、沙流量35 g/min和沖蝕時(shí)間30 min作為不變量，研究不同目數(shù)未改性橡膠混凝土和改性橡膠混凝土的風(fēng)沙沖蝕率與復(fù)合鹽溶液凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。普通混凝土、改性橡膠混凝土與未改性橡膠混凝土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的沖蝕率變化如圖7所示。

圖7 混凝土試樣在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的沖蝕率變化Fig.7 Erosion rate change of concrete samples under different freeze-thaw cycles

由圖7可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，ST、UM與M混凝土的風(fēng)沙沖蝕率均表現(xiàn)出先減小后增大趨勢(shì)，15次凍融循環(huán)時(shí)風(fēng)沙沖蝕率最低。UM混凝土中UM-10混凝土復(fù)合鹽凍融循環(huán)后的抗風(fēng)沙沖蝕性能最好。M-80混凝土對(duì)復(fù)合鹽凍融循環(huán)后抗風(fēng)沙沖蝕性能的改善效果最差。UM-10混凝土復(fù)合鹽凍融循環(huán)后的風(fēng)沙沖蝕率較ST混凝土平均下降34.6%。M-10混凝土對(duì)UM-10改性效果最好，復(fù)合鹽凍融循環(huán)后風(fēng)沙沖蝕率平均下降6.75%，M-80混凝土的風(fēng)沙沖蝕率平均僅下降2.03%。分析其原因，在凍融循環(huán)次數(shù)增加時(shí)，混凝土內(nèi)部孔洞充滿(mǎn)硫酸鈉晶體，致密程度增加導(dǎo)致風(fēng)沙沖蝕率下降，凍融循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加，混凝土孔洞內(nèi)晶體壓力繼續(xù)擴(kuò)大，孔洞周?chē)嗷w變疏松導(dǎo)致風(fēng)沙沖蝕率上升。10目橡膠顆粒與沖蝕風(fēng)沙相比粒徑較大，與水泥基體粘結(jié)較好，在風(fēng)沙沖蝕作用下不易脫落。80目橡膠顆粒粒徑與沖蝕風(fēng)沙粒徑相差較小，混凝土內(nèi)部致密程度較高，在復(fù)合鹽凍融循環(huán)時(shí)損傷較小，且NaOH溶液不僅改善80目橡膠顆粒表面親水性，強(qiáng)堿溶液使橡膠顆粒產(chǎn)生微量腐蝕，對(duì)凍融循環(huán)后抗風(fēng)沙沖蝕性能改善較小。

2.5 復(fù)合鹽凍融循環(huán)-風(fēng)沙沖蝕作用微觀形貌分析

利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀測(cè)經(jīng)復(fù)合鹽溶液凍融循環(huán)作用后橡膠混凝土試件的表面微觀形貌。復(fù)合鹽凍融循環(huán)后改性橡膠混凝土形貌、復(fù)合鹽凍融循環(huán)后改性橡膠混凝土與未改性橡膠混凝土沖蝕損傷形貌如圖8所示。

圖8 橡膠混凝土復(fù)合鹽凍融循環(huán)后微觀形貌Fig.8 Microscopic morphology of rubber concrete after salt freeze-thaw cycles

如圖8(a)所示，在橡膠混凝土復(fù)合鹽凍融循環(huán)作用后，表面存在結(jié)晶體。橡膠顆粒表面粗糙，與混凝土粘結(jié)較好。橡膠混凝土表面出現(xiàn)酥松的水泥基體材料，存在部分水泥基體脫落現(xiàn)象。分析其原因，硫酸根離子和氯離子通過(guò)滲透作用進(jìn)入混凝土內(nèi)部，與內(nèi)部氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，生成的石膏和鈣礬石均不易溶于水，大量聚集在改性橡膠混凝土試件表面形成一些白色結(jié)晶體。NaOH溶液會(huì)與橡膠顆粒表面的硬脂酸鋅發(fā)生反應(yīng)，提高橡膠顆粒親水性，使表面變得粗糙。復(fù)合鹽凍融循環(huán)生成的鈣礬石體積相對(duì)較大，混凝土內(nèi)部孔洞結(jié)晶體增多時(shí)會(huì)使混凝土形成許多微小裂縫，甚至出現(xiàn)水泥基體脫落現(xiàn)象，橡膠顆粒的彈性變形在一定程度可抑制微裂紋的產(chǎn)生。

對(duì)比圖8(a)與圖8(b)，復(fù)合鹽溶液凍融循環(huán)作用后的改性橡膠混凝土經(jīng)過(guò)風(fēng)沙沖蝕作用后白色晶體脫落出現(xiàn)沖蝕坑，橡膠顆粒裸露在試件表面，橡膠顆粒四周的水泥基體脫落，存在縫隙。主要由于改性橡膠混凝土試件表面生成的石膏和鈣礬石以及橡膠顆粒表面酥松的水泥基體材料經(jīng)風(fēng)沙沖蝕后脫落；橡膠顆粒對(duì)風(fēng)沙粒子的沖蝕起到一定的緩沖作用，橡膠顆粒與水泥基體粘結(jié)界面處彈性模量與水泥基體彈性模量相比較小，橡膠顆粒的彈性變形導(dǎo)致四周的水泥基體材料變得較為酥松或形成緩沖縫隙。

對(duì)比圖8(b)與圖8(c)，在相同沖蝕條件下，復(fù)合鹽溶液凍融循環(huán)作用后改性前后橡膠顆粒與水泥石界面的沖蝕損傷差別較大。未改性橡膠混凝土界面處材料損傷遠(yuǎn)大于改性橡膠混凝土。分析其原因：未改性橡膠顆粒與水泥石之間的粘結(jié)較差，受風(fēng)沙沖蝕后橡膠顆粒與水泥石的粘結(jié)界面有較大的縫隙；NaOH溶液改性使得橡膠顆粒與水泥石之間的粘結(jié)更為牢固，因而在凍融循環(huán)-風(fēng)沙沖蝕后的界面較為牢固，材料損傷更小。

3 結(jié) 論

(1)NaOH溶液改性作用會(huì)提高橡膠混凝土的強(qiáng)度，使彈性模量有所降低；改性作用會(huì)提高橡膠混凝土的韌性，15%NaOH溶液改性后的橡膠混凝土與未改性橡膠混凝土相比，韌性可平均提高1.8%左右。

(2)NaOH溶液改性可改善橡膠混凝土宏觀力學(xué)性能，提高混凝土韌性，在風(fēng)沙沖蝕微觀力學(xué)方面分析，改性橡膠混凝土仍表現(xiàn)出脆性材料特性。

(3)橡膠顆粒粒徑越小，抗復(fù)合鹽凍融循環(huán)性能越好，且NaOH溶液改性效果越明顯；10目改性橡膠混凝土在復(fù)合鹽凍融循環(huán)后的抗風(fēng)沙沖蝕性能最好，NaOH溶液對(duì)80目橡膠混凝土改性作用最差；橡膠顆粒粒徑對(duì)橡膠混凝土不同性能的影響不同。

(4)混凝土在復(fù)合鹽凍融循環(huán)作用下，結(jié)晶體積進(jìn)一步增大使橡膠顆粒發(fā)生彈性變形，減小對(duì)水泥基體的損傷；混凝土受到風(fēng)沙沖蝕時(shí)，改性橡膠顆粒的彈性變形有一定的緩沖作用，減小混凝土沖蝕損傷。