劉春生，陳 雷，朱 涵,2

(1. 天津大學建筑工程學院，天津 300072；

2. 天津大學濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點實驗室，天津 300072)

橡膠集料混凝土(crumb rubber concrete，CRC)是一種采用橡膠作為集料，并以一定比例替代細骨料(或粗骨料)配制而成的新型水泥混凝土，其目的是在原有多組分混凝土基礎(chǔ)上引入一定量的柔性成分，從而使混凝土性能得到相應(yīng)改善[1]．目前國內(nèi)外對橡膠集料混凝土的研究主要集中在混凝土材料基本性能上，研究發(fā)現(xiàn)摻入橡膠集料可使新拌混凝土的含氣量增加[2]、塌落度降低[3]，并可大幅度提高混凝土韌性[4]．最近的研究表明，橡膠集料混凝土具有較高的吸聲系數(shù)和較低的導熱系數(shù)[5]．

作為一種土木工程材料，耐久性的優(yōu)劣將直接影響橡膠集料混凝土的應(yīng)用和推廣，然而目前國內(nèi)外關(guān)于橡膠集料混凝土耐久性的研究卻非常少見，研究氯鹽侵蝕環(huán)境下橡膠集料鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是筆者研究的出發(fā)點，歐興進等[6]曾經(jīng)采用 ASTM C 1202-97直流電量法對橡膠集料混凝土的氯離子滲透性進行試驗，發(fā)現(xiàn)橡膠集料混凝土的電導量很低．

氯鹽侵蝕是產(chǎn)生混凝土劣化和鋼筋銹蝕的重要原因，特別是在橋墩、碼頭、船塢、潮差區(qū)、濺浪區(qū)、除冰鹽作用區(qū)域，由于干濕交替作用，從而導致鋼筋銹蝕的氯離子、氧氣和水分往往同時存在，破壞也最為嚴重．大量的關(guān)于氯離子侵蝕機理研究所得到的一致性的結(jié)論是氯離子閾值(Cl/OH ratio)是決定鋼筋發(fā)生銹蝕的關(guān)鍵指標[7-8]．即使在較高堿度下，氯離子濃度超過該值也會破壞鋼筋鈍化膜，激活鋼筋表面的鐵原子，形成腐蝕電池，從而導致鋼筋銹蝕．處在氯鹽侵蝕環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的劣化試驗方法包括自然狀態(tài)浸泡法和外加電流法兩種．與自然狀態(tài)法相比，施加陽極電流加速試驗方法具有與自然狀態(tài)法相同的反應(yīng)產(chǎn)物，且周期較短，是筆者采用的試驗方法．同時，本文以非飽和狀態(tài)下孔隙中液相滲流與氯離子擴散兩個基礎(chǔ)過程的耦合，并考慮橡膠集料本身的物理化學性質(zhì)，對橡膠集料混凝土中氯離子的滲透過程進行了分析．

1 試 驗

1.1 試驗方案

采用的試驗方法如圖 1所示，陽極、陰極、NaCl溶液、導線在外電流的作用下形成腐蝕電池回路．直流電源的電壓輸出范圍為 0～30,V，最大輸出電流為5,A．混凝土梁試件尺寸為100,mm×100,mm×515,mm，梁的 1/2高度浸沒在質(zhì)量分數(shù) 3.5%的 NaCl溶液當中，2根5,mm直徑鋼筋作為陽極，混凝土保護層厚度為 10,mm，鋼筋與電源的正極相連(鋼筋位于液面以上)．陰極為布置在試件下部的不銹鋼片．待試件養(yǎng)護至 28,d后取出進行銹蝕試驗，暴露時間分別為5,d和 10,d．可對若干個試件同時進行試驗，每根鋼筋與一個電阻串聯(lián)，實測阻值為 10.8,Ω，試驗采用的電壓為 12,V并始終保持不變，通過鋼筋的電流隨閉合電路的電阻而變化，每隔 6,h測量一次串聯(lián)電阻兩端的電壓，計算出該梁中鋼筋的平均電流密度．

受彎性能試驗參照 GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行，4點加載，鋼筋在受拉一側(cè)，加載速度控制在 0.1,kN/s．利用千分表測量梁跨中撓度，每1 kN采集一次數(shù)據(jù)．

圖1 施加陽極電流試驗方法Fig.1 Impressed anode current test method

1.2 原材料及配合比

所用鋼筋為預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)用碳素刻痕鋼絲，公稱直徑 5,mm，含碳量為 0.7%(質(zhì)量分數(shù))，其他元素如硫、磷含量均小于 0.04%(質(zhì)量分數(shù))，機械性能見表1．

表1 鋼筋的機械性能Tab.1 Mechanical properties of reinforcement bar

鋼筋的除銹方法為：首先用鋼絲刷和砂紙磨去鋼筋表面銹斑，酸洗液用硫酸溶液(工業(yè)硫酸與水的比例為 1∶10)，將鋼筋泡入酸洗液中 10～15,min，待表面氧化皮溶解后取出．將鋼筋泡入正己烷液體中30,min，然后用干凈的鋼絲刷刷至鋼筋接近底色，再用干毛巾擦干，放入已預先升至(105 ± 5)℃的烘箱內(nèi)烘 20,min．

試驗中所用材料的配合比如表2所示．拌和混凝土所用橡膠集料最大粒徑為 2.0,mm，平均粒徑為1.0,mm，表觀密度為 1,050,kg/m3，其他材料包括P·O42.5水泥、砂(細度模數(shù) 2.6)、Dmax＝10,mm 碎石、UNF-5高效減水劑．主要考察橡膠集料摻量對鋼筋銹蝕的影響，摻量水平依次為 50,kg/m3、100,kg/m3和150,kg/m3，分別取代等體積的砂．水灰比也是影響滲透性的重要因素，本試驗中用兩種水灰比，分別為0.45和0.55．

表2 試驗配合比Tab.2 Mix proportion for experiment

試件成型 24,h后脫模，然后用環(huán)氧樹脂將裸露的鋼筋密封進行養(yǎng)護．每組配合比成型 3個試件，養(yǎng)護至 28,d后每組取出其中 2個試件進行銹蝕試驗，其余作為對比試件．

2 試驗結(jié)果分析

2.1 抗壓強度、電流密度、鋼筋失重率和裂縫寬度

試驗所得抗壓強度、電流密度、鋼筋失重率及保護層裂縫寬度結(jié)果見表 3．以混凝土保護層裂縫寬度作為不同腐蝕程度的判別控制條件．輕微開裂：保護層出現(xiàn)可見裂縫寬度小于 0.2,mm．中度開裂：保護層裂縫在 0.2～0.5,mm．嚴重開裂：裂縫寬度在 0.5～2.0,mm或以上[9]．采用DJCK-3型全自動裂縫測寬儀進行測試，取裂縫的 6個等間距點，結(jié)果取平均值．受彎試驗結(jié)束后，用壓力機將試件破開，取出其中的鋼筋進行除銹，然后用精度為 0.01,g的天平稱重，鋼筋的失重率 ΔS＝mloss/m0，m0為鋼筋的初始質(zhì)量(g)，mloss為實測鋼筋質(zhì)量損失(g)．

28,d抗壓強度結(jié)果表明摻入橡膠集料會導致混凝土強度的降低，且隨摻量增加，降低幅度增大，這與以往橡膠集料混凝土力學性能方面的研究結(jié)論相一致[10-11]．同時，隨橡膠集料摻量增加，鋼筋的電流密度呈降低趨勢．電流密度表示在測試過程中單位鋼筋截面積上電流強度的平均值，該指標也反映了混凝土電阻率的大小，電流密度越小，則混凝土的電阻率越高．

表3 抗壓強度、電流密度、鋼筋失重率與混凝土裂縫寬度Tab.3 Compressive strength，current density，reinforcement bar mass loss and concrete crack width

鋼筋失重率試驗結(jié)果也顯示摻入橡膠集料能夠降低鋼筋的銹蝕程度，在 5,d和 10,d的暴露時間下，CRCH-15組較基準混凝土降低了 63.6%和 61.4%；而CRCL-15組降低了80.1%和67.7%．裂縫寬度上，普通混凝土在5,d時全部產(chǎn)生了中度開裂，10 d則全部為嚴重開裂；相比之下，橡膠集料混凝土的開裂情況則要減輕很多，除 CRCH-5組 10 d下的嚴重開裂和CRCL-10組 10,d下的中度開裂外，其他各組試件均為輕度甚至未開裂，圖2是高水灰比各組試件的開裂和表面銹斑情況，混凝土保護層位于試件上部．

2.2 抗銹蝕性影響的作用機理

處于干濕交替作用區(qū)域的混凝土，混凝土內(nèi)部孔隙飽和度分布由表及里始終處于非均勻狀態(tài)，從而形成孔隙飽和度分布場．孔隙液在場的作用下發(fā)生滲流，于是溶解于其中的氯離子隨孔隙液在混凝土內(nèi)部形成擴散作用．干濕交替區(qū)域氯離子在孔隙中的通量JCl可以描述為[12]

圖2 銹蝕后混凝土表面銹斑和裂縫Fig.2 Rust stains and cracks on concrete cover

式中：C′為孔隙液中氯離子含量；s為孔隙飽和度；ρcon為混凝土的密度；φ為混凝土連通孔隙率；Ds為飽和狀態(tài)下氯離子在混凝土孔隙液中的擴散系數(shù)；Jl為混凝土中孔隙液的流速．根據(jù) Darcy定律，多孔介質(zhì)的滲流速度可以表示為

式中：K(s)為各向同性的滲流系數(shù)；p為壓力水頭，對于干濕交替區(qū)域的混凝土，其壓力由孔隙的毛細孔壓力決定[13]．根據(jù)Laplace方程，毛細孔壓力p為[14]

式中：r為毛細孔半徑；γ為孔隙液相的表面張力；θ為毛細孔孔壁的水接觸角．

傳統(tǒng)上采用 Fick定律來解釋由于濃度梯度而導致的離子擴散過程，而Darcy定律則解釋了由于存在水壓力梯度，水在混凝土的滲流過程．本文中，以橡膠集料取代部分砂料實質(zhì)上是改變了液相進入混凝土的另一種方式，即毛細效應(yīng)．毛細效應(yīng)的大小取決于毛細孔壓力，由式(3)可知，毛細孔壓力取決于孔隙液相的表面張力、孔壁的水接觸角以及孔徑大小，因此，在孔徑和液相表面張力不變的情況下，毛細孔壓力受孔壁水接觸角的影響．研究發(fā)現(xiàn)[15]，橡膠集料分子的極性很低，與固化水泥漿體間的作用力很弱，且由于表面憎水性和粗糙性，造成橡膠集料在混凝土中被毛細孔所包圍．對橡膠集料和水泥石的水接觸角的研究表明，不同橡膠品種和表面粗糙程度下橡膠集料的水接觸角介于80°～116°，由此計算的毛細孔壓力是普通混凝土的38%～80%．

因此，干濕交替區(qū)域橡膠集料混凝土抗銹蝕的機理在于，與普通混凝土所用的砂料相比，橡膠集料表面非極性和粗糙性導致了毛細孔中液相的滲流壓力降低，毛細作用減小，溶解在液相中的氯離子擴散作用比普通混凝土低；同時，混凝土材料的擴散系數(shù)還受孔結(jié)構(gòu)以及孔隙飽和度的影響，與砂料相比，橡膠集料很大程度上改變了混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，鋼筋周圍所形成的氯離子濃度下降，因而起到了防銹的作用．

對于外加電流加速方法，氯離子的滲透過程為孔隙液在毛細作用下發(fā)生滲流，以及溶解于其中的氯離子在電場作用下的電遷作用，可以表示為

式中：Di為電遷離子擴散系數(shù)；zi為離子電價；E為電場強度；F為法拉第常數(shù)；T為溫度；R為氣體常數(shù)．由式(4)可知，電遷作用與擴散作用均發(fā)生在孔隙液滲流的基礎(chǔ)過程，因此，毛細作用降低均會引起鋼筋銹蝕的降低．

2.3 銹蝕后梁的受彎承載力與延性

試驗得到了未銹蝕以及 5,d、10,d暴露時間的混凝土梁受彎承載力和跨中位移，承載力損失和位移延性系數(shù)見表4，位移延性系數(shù)

式中：μΔ為位移延性系數(shù)；Δμ為極限位移；Δc為初裂位移．

表4 承載力、位移和延性系數(shù)試驗結(jié)果Tab.4 Results of bearing capacity，deflection and ductility coefficient

梁受彎承載力的變化(ΔP)主要受兩方面因素影響：一是橡膠集料摻入量的影響(ΔPr)，二是鋼筋銹蝕的影響(ΔPc)．表 4和圖 3中分別給出了不同橡膠集料摻量、暴露時間和水灰比下的ΔP值，ΔP＜0表示承載力降低，ΔP＞0表示承載力提高．

對于未浸泡的情況，ΔPc＝0，表示 ΔP 僅與橡膠集料摻量大小有關(guān)，圖中顯示隨著摻量增加，承載力有一定降低，其中低水灰比的試件的降低幅度大于高水灰比的試件，說明水灰比越低則受橡膠集料摻量的影響越大．對于普通混凝土，ΔPr＝0，承載力變化僅受暴露時間的影響，結(jié)果表明高水灰比的混凝土 10,d承載力降低值約為5,d時的3倍，達到22.35%；低水灰比的情況下，10,d承載力降低值為5,d時的4倍以上，達 60.56%．筆者認為其原因可能在于低水灰比混凝土的密實度較高，毛細孔半徑變小，表層混凝土的毛細作用增強，導致水分滲入混凝土內(nèi)部的深度較大；此外，銹蝕往往在鋼筋表面形成深淺不一的銹蝕坑，削弱了鋼筋截面，也可能是原因之一．當橡膠集料與暴露時間同時作用時，橡膠集料混凝土的承載力變化并未如普通混凝土一樣產(chǎn)生大幅降低，CRCH-10和 CRCL-15兩組的承載力反而較未浸泡的情況有所提高．同時，從圖 3中可以看出，與普通混凝土相比，各個摻量下的橡膠集料混凝土 ΔPr值均大于 0，且∣ΔPr/ΔPc∣＞1，表明橡膠集料的摻入彌補了由于混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕而產(chǎn)生的承載力降低．

圖3 橡膠集料摻量和鋼筋銹蝕對梁承載力的影響Fig.3 Influence of crumb rubber content and steel corrosion on beam bearing capacity

以往的研究表明，橡膠集料混凝土的突出特點是開裂應(yīng)變比普通混凝土高[16]，筆者測得混凝土開裂時的跨中位移比普通混凝土有所增加，特別是在未浸泡的情況下比較明顯．試驗還觀察到混凝土梁的破壞為剪壓破壞(未配置箍筋)，因此破壞時梁的變形取決于斜裂縫兩側(cè)混凝土的剪切滑移大小．

圖4 橡膠集料摻量與鋼筋銹蝕對梁延性的影響Fig.4 Influence of crumb rubber content and steel corrosion on beam ductility

圖4為高水灰比的4組試件延性系數(shù)結(jié)果，可以看出隨著橡膠集料摻量和暴露時間的增加，延性系數(shù)呈先增長后降低的趨勢．對于普通混凝土，鋼筋銹蝕必然會導致梁的延性降低，結(jié)果顯示 5,d時延性系數(shù)降低了19.7%，10,d時降低了29.7%．對于橡膠集料混凝土，各配比中 50,kg/m3摻量的延性系數(shù)最高，且高于普通混凝土；100,kg/m3摻量的橡膠集料混凝土延性系數(shù)與普通混凝土大致相當．說明橡膠集料的摻入量存在一個最優(yōu)范圍，摻量過低則可能開裂變形提高不大，摻量過高則會導致混凝土強度降低過多，開裂過早，難以達到增加混凝土韌性的目的．

3 結(jié) 論

(1)采用施加陽極電流加速銹蝕的試驗方法模擬了自然環(huán)境中干濕交替作用區(qū)域氯離子對橡膠集料混凝土內(nèi)鋼筋的銹蝕作用，結(jié)果表明，隨著橡膠集料摻量的增加，鋼筋的電流密度、失重率以及混凝土保護層裂縫寬度較普通混凝土有較大降低，因而能夠起到提高混凝土耐久性的效果．

(2)對干濕交替作用區(qū)域氯離子滲透的機理分析表明，由于橡膠集料本身的非極性性質(zhì)有效地降低了混凝土毛細孔壓力，阻礙了孔隙液的滲流，降低了氯離子的擴散作用，從而起到了保護鋼筋的作用．

(3)從混凝土梁承載力試驗出發(fā)，分析了摻入橡膠集料和腐蝕時間對承載能力和變形、韌性的影響，結(jié)果表明橡膠集料能夠有效地保持梁的承載力并增加其延性．

［1］Taha M M R，EI-Dieb A S. Mechanical，fracture，and microstructural investigations of rubber concrete[J].Journal of Materials in Civil Engineering，2008，20(10)：640-649.

［2］Bignozzi M C，Sandrolini F. Tyre rubber waste recycling in self-compacting concrete[J].Cement and Concrete Research，2006，36(4)：735-739.

［3］Raghavan D，Huynh H，F(xiàn)erraris C F. Workability，mechanical properties，and chemical stability of a recycled tyre rubber-filled cementitous composite[J].Journal of Material Science，1998，33(7)：1745-1752.

［4］Hernádez-Olivares F，Barluenga G，Parga-Landa B，et al.Fatigue behaviour of recycled tyre rubber-filled concrete and its implications in the design of rigid pavements[J].Construction and Building Materials，2007，21(10)：1918-1927.

［5］Sukontasukkul Piti. Use of crumb rubber to improve thermal and sound properties of pre-cast concrete panel[J].Construction and Building Materials，2009，23(2)：1084-1092.

［6］歐興進，朱 涵，于新文. CRC抗氯離子侵蝕研究及其使用壽命評估[J]. 武漢理工大學學報，2006，20(2)：29-32.

Ou Xingjin，Zhu Han，Yu Xinwen. Research on chloride ion permeability and service life evaluation of crumb rubber concrete[J].Journal of Wuhan University of Technology，2006，20(2)：29-32(in Chinese).

［7］Page C L，Treadaway K W. Aspects of the electrochemistry of steel in concrete[J].Nature，1982，297：109-115.

［8］Thangavel K，Rengaswamy N S. Relationship between chloride/hydroxide ratio and corrosion rate of steel in concrete[J].Cement and Concrete Composites，1998，20(4)：283-292.

［9］田冠飛. 氯離子環(huán)境中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與可靠性研究[D]. 北京：清華大學土木水利學院，2006：64.

Tian Guanfei. Research on Durability and Reliability of RC Structures in Chloride Environment[D]. Beijing：School of Civil Engineering，Tsinghua University，2006：64(in Chinese).

［10］Eldin Neil N，Senouci A B．Rubber-tired particles as concrete aggregate[J].Journal of Materials in Civil Engineering，1993，5(4)：478-496.

［11］Zhu Han. Rubber crumbs in concrete[J].Concrete Technology Today，2003，135(8)：30-33.

［12］Marsh B K. Relationship Between Engineering Properties and Micro Structural Properties of Hardened Cement Paste Containing PFA as a Partial Cement Replacement[D]. Herts，UK：School of Engineering and Technology，Hatfield Polytechnic，1984.

［13］陳立軍，王永平，尹新生，等. 混凝土孔徑尺寸對其抗?jié)B性的影響[J]. 硅酸鹽學報，2005，33(4)：500-505.

Chen Lijun，Wang Yongping，Yin Xinsheng，et al. Effect of aperture size on impermeability of concrete[J].Journal of the Chinese Ceramic Society，2005，33(4)：500-505(in Chinese).

［14］Seheidegger A E.Physics of Flow Through Porousmedia[M]．Toronto：University of Toronto Press，1974.

［15］劉春生，朱 涵. 橡膠集料表面特性對混凝土滲透性的影響[J]. 商品混凝土，2009(12)：41-44.

Liu Chunsheng，Zhu Han. Influence of crumb rubber surface characteristics on concrete permeability[J].Readmixed Concrete，2009(12)：41-44(in Chinese).

［16］Siddique Rafat，Naik Tarun R. Properties of concrete containing scrap-tire rubber：An overview[J]．Waste Management，2004，24(6)：563-569.