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(guó)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(yùn)行及使用壽命。提高混凝土的抗凍耐久性對(duì)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(kāi)裂、抗沖擊、吸收噪音等性能，是一種變廢為寶、保護(hù)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(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了橡膠粉對(duì)混凝土物理、力學(xué)性能的影響研究，如摻入橡膠粉對(duì)混凝土的坍落度、抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)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(huì)有一定程度的降低[5-8]。關(guān)于橡膠粉對(duì)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(kāi)展了橡膠粉粒徑對(duì)凍融循環(huán)作用下混凝土的質(zhì)量損失、動(dòng)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(duì)混凝土抗凍耐久性的影響，但僅選擇抗折強(qiáng)度這一指標(biāo)進(jìn)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(qiáng)度損失率達(dá)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(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，研究了摻橡膠粉對(duì)混凝土抗凍耐久性的影響，分析了橡膠粉摻量對(duì)凍融作用下混凝土的外觀、質(zhì)量損失、動(dòng)彈模、抗壓強(qiáng)度的影響，為工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與混凝土配合比

試驗(yàn)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(xì)骨料采用細(xì)河沙，粗骨料為篩分后的碎石，最大粒徑不超過(guò)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(lái)水進(jìn)行拌和?；炷粱鶞?zhǔn)配合比如表1。

表1 混凝土配合比

前人研究了橡膠粉粒徑對(duì)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(shí)，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(zhǔn)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(jìn)行拌和。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)過(guò)程中用到的主要試驗(yàn)設(shè)備有SJD-30單臥軸強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)、YSHY-800D混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)、SCE-MATS-B混凝土多功能無(wú)損檢測(cè)儀、RMT-150C壓力試驗(yàn)機(jī)、掃描電鏡。

試驗(yàn)制備100 mm×100 mm×100 mm混凝土試件若干，24 h 后拆模，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24 d，然后在水中養(yǎng)護(hù)4 d。養(yǎng)護(hù)完成后，將試件放入快速凍融試驗(yàn)箱進(jìn)行凍融試驗(yàn)，對(duì)凍融25、50、75、100、125、150次后的試件進(jìn)行外觀、質(zhì)量損失、沖擊波波速、動(dòng)彈性模量測(cè)量，并進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，分析各組試件的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)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(gè)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(hù)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(lái)越嚴(yán)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(yán)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(lái)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(jì)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(shí)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(shì)，即凍融次數(shù)較小時(shí)質(zhì)量增大，凍融次數(shù)較大時(shí)質(zhì)量減小。主要原因是，凍融次數(shù)較小時(shí)，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(huì)有所增加, 即出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象；而凍融次數(shù)較多時(shí)，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(lái)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(shí)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(shuō)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(xiàn)[11]得出的規(guī)律一致)，說(shuō)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(dòng)彈模

動(dòng)彈模是評(píng)價(jià)混凝土耐久性劣化的關(guān)鍵指標(biāo)。目前測(cè)量混凝土動(dòng)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(guò)測(cè)量混凝土內(nèi)部的彈性波波速來(lái)計(jì)算混凝土的動(dòng)彈性模量，該方法準(zhǔn)確性高，現(xiàn)場(chǎng)適用性更強(qiáng)[19]。

對(duì)于一維傳播的試件，P波波速與動(dòng)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(dòng)彈模，Pa。

根據(jù)經(jīng)歷不同凍融次數(shù)后的動(dòng)彈模，可以按式(3)計(jì)算出不同凍融次數(shù)后的相對(duì)動(dòng)彈模：

(3)

式中：Pn為相對(duì)動(dòng)彈模，%；Ed0為未凍融試件的動(dòng)彈模，Pa；Edn為凍融n次后試件的動(dòng)彈模，Pa。

試驗(yàn)觀測(cè)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(jì)算了動(dòng)彈模及相對(duì)動(dòng)彈模，結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6，可以得出以下規(guī)律。

圖5 橡膠粉摻量對(duì)動(dòng)彈模的影響

圖6 橡膠粉摻量對(duì)相對(duì)動(dòng)彈模的影響

1)在凍融次數(shù)較低時(shí)(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(kuò)展、連通，其動(dòng)彈模有輕微的增長(zhǎng)；之后隨凍融次數(shù)的增加，動(dòng)彈模基本呈直線規(guī)律減小，主要原因是凍融次數(shù)較多時(shí)，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(shí)，摻橡膠粉混凝土的動(dòng)彈模與未摻橡膠粉相比有所降低，而當(dāng)凍融次數(shù)較大時(shí)，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(dòng)彈模較未摻橡膠粉反而增大。但是，當(dāng)摻量達(dá)35 kg/m3時(shí)，混凝土的彈性增強(qiáng)，不論凍融與否，其動(dòng)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(shí)，摻橡膠粉混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模普遍高于普通混凝土。但是，相對(duì)動(dòng)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(shuō)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(duì)動(dòng)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(qiáng)度

圖7是橡膠粉摻量對(duì)凍融作用后混凝土極限抗壓強(qiáng)度的影響曲線。從圖7可以看出：

圖7 橡膠粉摻量對(duì)混凝土極限抗壓強(qiáng)度的影響

1)與動(dòng)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(qiáng)度呈先略微增大、后直線減小的趨勢(shì)。

2)凍融次數(shù)相對(duì)較低時(shí)，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(qiáng)度逐漸降低；但是，凍融次數(shù)相對(duì)較大時(shí)，橡膠顆粒作為一種彈性填料分布在混凝土中，具有較強(qiáng)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(qiáng)度較普通混凝土有所增大，但摻量太大反而會(huì)導(dǎo)致彈性增強(qiáng)、抗壓能力降低，最佳摻量范圍約為15～20 kg/m3，說(shuō)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(xiàn)[15]中通過(guò)測(cè)量?jī)鋈诨炷恋膹澱蹚?qiáng)度損失率達(dá)到40%的凍融循環(huán)次數(shù)，以此評(píng)價(jià)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(qiáng)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(qiáng)度下降率分別為7.9%與6.4%，說(shuō)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(jī)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(duì)混凝土抗凍性能的影響機(jī)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(jìn)行了掃描電鏡分析(圖8)。

對(duì)比圖8(a)與圖8(b)，可以看出，普通混凝土凍融前顆粒密實(shí)，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(kuò)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(dòng)彈模、抗壓強(qiáng)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(duì)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(jìn)而減少混凝土的吸水量；橡膠顆粒在凍融循環(huán)過(guò)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(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，選取外觀、質(zhì)量損失、動(dòng)彈模、抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，研究了摻橡膠粉對(duì)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(guò)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(duì)動(dòng)彈模分別提高21.6%與16.5%，極限抗壓強(qiáng)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。