于　群, 王　景, 葉文超

(沈陽大學(xué) a. 建筑工程學(xué)院; b. 遼寧省環(huán)境巖土工程重點實驗室, 遼寧 沈陽　110044)

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廢舊橡膠混凝土抗碳化性能的試驗研究

于群a,b, 王景a, 葉文超a

(沈陽大學(xué) a. 建筑工程學(xué)院; b. 遼寧省環(huán)境巖土工程重點實驗室, 遼寧 沈陽110044)

摘要:以廢舊橡膠混凝土抗碳化性能為研究目標(biāo),試驗研究了體積分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%等三種橡膠顆粒摻量和2~4 mm、30~40目、60~80目等三種橡膠顆粒粒徑對混凝土抗碳化性能的影響規(guī)律.試驗結(jié)果表明:橡膠顆粒的摻入對混凝土早期抗碳化性產(chǎn)生了不利作用,但使混凝土后期抗碳化能力有所提升;不同橡膠顆粒粒徑、摻量對抗碳化性能影響不同,橡膠顆粒最佳摻量的體積分?jǐn)?shù)為10%,且顆粒粒徑越小效果越好.

關(guān)鍵詞:廢舊橡膠; 混凝土; 耐久性; 抗碳化性能

混凝土結(jié)構(gòu)是應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)之一,我國有約70%的房屋建筑和50%的橋梁結(jié)構(gòu)采用了混凝土結(jié)構(gòu).隨著這些工程結(jié)構(gòu)使用時間的增長,混凝土材料和結(jié)構(gòu)的耐久性破壞越來越受到重視,許多工程結(jié)構(gòu)往往由于耐久性的原因引起使用功能退化甚至結(jié)構(gòu)破壞,給社會帶來了不必要的損失.混凝土碳化是混凝土重要的耐久性指標(biāo)之一,由于大氣中的二氧化碳和混凝土中的堿性物質(zhì)反應(yīng),使得混凝土呈現(xiàn)中性化的過程即稱為混凝土的碳化,碳化使混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋失去鈍化膜的保護,極易使鋼筋生銹,進而使結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞.隨著工業(yè)化進程的不斷推進,二氧化碳的排放量大增,在產(chǎn)生溫室效應(yīng)的同時,對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性也產(chǎn)生了不利影響[1-3].

國內(nèi)外許多學(xué)者對混凝土抗碳化性能做了許多研究,研究結(jié)論表明在混凝土中加入諸如礦渣、 粉煤灰等超細(xì)礦物摻合料, 可提高混凝土的抗碳化能力[4]. 基于已有抗碳化性能研究的基本思路, 本文對廢舊橡膠混凝土的抗碳化性能開展系統(tǒng)研究. 以廢舊橡膠顆粒等體積取代砂的方式制備廢舊橡膠混凝土, 開展橡膠顆粒摻量和粒徑對混凝土抗碳化性能影響規(guī)律的研究, 并分析了廢舊橡膠混凝土的抗碳化機理, 以供相關(guān)研究參考借鑒.

1試驗設(shè)計

1.1　原材料

(1) 水泥.遼寧本溪山水實業(yè)有限公司生產(chǎn)的工源牌42.5級普通硅酸鹽水泥.

(2) 細(xì)骨料.普通河砂,最大粒徑為5 mm,連續(xù)級配,細(xì)度模數(shù)2.6,表觀密度為2 540 kg/m3.

(3) 粗骨料.碎石,粒徑為5~25 mm,連續(xù)級配,表觀密度為2 780 kg/m3.

(4) 粗橡膠粒(膠粒a).沈陽市宏玉盛橡膠材料廠生產(chǎn)的粒徑為2～4 mm的廢舊輪胎橡膠粒,表觀密度為1 250 kg/m3.

(5) 中橡膠粒(膠粒b).沈陽市宏玉盛橡膠材料廠生產(chǎn)的粒徑為30～40目的廢舊輪胎橡膠粒,表觀密度為980 kg/m3.

(6) 細(xì)橡膠粒(膠粒c).沈陽市宏玉盛橡膠材料廠生產(chǎn)的粒徑為60～80目的廢舊輪胎橡膠粒,表觀密度為890 kg/m3.

(7) 減水劑.山西黃騰化工有限公司生產(chǎn)的UNF-1型萘系高效減水劑,減水率的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%.

(8) 水.自來水.

1.2　橡膠混凝土配合比設(shè)計

混凝土基準(zhǔn)組采用設(shè)計強度為C45級的普通混凝土,采用膠粒a、膠粒b和膠粒c分別按5%、10%和15%的比例等體積取代砂,其他配合比組分不變,具體配合比如表1所示.

表1　混凝土配合比

注: 混凝土試件編號為Cm-n,其中m表示橡膠粒種類,n表示橡膠摻量,C-J為基準(zhǔn)組.

1.3　試驗方法

試驗共計10組,30個試件,試驗參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)中碳化試驗進行,試件尺寸均為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體,混凝土碳化試驗采用沈陽天宏竣實驗設(shè)備有限公司生產(chǎn)的混凝土碳化試驗箱.

試驗步驟為:

(1) 將各碳化試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d后取出,置于60 ℃烘干箱中48 h.

(2) 對經(jīng)過烘干處理的試件,除去留下兩個相對的側(cè)面,其余各面用加熱的石蠟油進行密封,并在兩個留下的向?qū)γ嫔涎亻L度方向用鉛筆以10 mm間距畫平行線作為碳化深度測量點,如圖1所示.

圖1　試件表面劃線

(3) 密封碳化箱,設(shè)置試驗參數(shù),二氧化碳體積分?jǐn)?shù)為(20±3)%,濕度為(70±5)%,溫度為(20±2)℃,開始碳化試驗,定期檢查二氧化碳鋼瓶和加濕器,確保二氧化碳溶度以及碳化箱內(nèi)濕度,如若用完,應(yīng)及時更換,保證試驗的連續(xù)性.

(4) 碳化到3,7,14,28 d,分別取出試件,采用混凝土切割機進行破型,切除深度為50 mm,如圖2所示.

圖2　試件切割

(5) 清除所得斷面表面殘存粉末及泥漿,隨即噴上體積分?jǐn)?shù)為1%的酒精酚酞溶液,30 s后,按預(yù)先劃線進行測量.如果測點處的碳化分界線上剛好嵌有粗骨料顆粒,則取該顆粒兩側(cè)處碳化深度的平均值作為該點的深度值.碳化深度測量精確至1 mm.

2試驗結(jié)果與分析

2.1　試驗結(jié)果

按《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50082—2009)中碳化試驗計算公式計算各組橡膠混凝土各碳化齡期碳化深度,具體數(shù)據(jù)見表2,碳化時間與碳化深度的關(guān)系曲線如圖3所示.

由表2可知,在碳化初期(3 d),橡膠混凝土碳化深度大于基準(zhǔn)混凝土,且隨著粒徑的減少呈增大趨勢,可見橡膠的摻入降低了混凝土初期抗碳化性.而隨著碳化齡期增加,各試塊碳化深度呈增長趨勢,主要體現(xiàn)在碳化齡期由7~14 d,但增長幅度隨橡膠摻量及粒徑的不同而各有差異,橡膠混凝土碳化增長幅度要小于基準(zhǔn)混凝土,而其中以橡膠摻量體積分?jǐn)?shù)為10%效果最為明顯.在28 d齡期時,橡膠混凝土碳化深度基本上小于基準(zhǔn)混凝土,且隨著橡膠粒徑的減小,碳化深度越小,抗碳化效果越明顯.由圖3可知,碳化深度與碳化時間的曲線大致符合冪函數(shù)關(guān)系,這也剛好符合碳化深度隨時間變化的一般規(guī)律,碳化初期碳化速度較快,當(dāng)碳化達(dá)到一定程度,碳化速度逐漸減緩.

表2　各橡膠混凝土碳化深度試驗數(shù)據(jù)

圖3　碳化時間與碳化深度的關(guān)系曲線

2.2　 橡膠混凝土抗碳化機理分析

在相同的外部環(huán)境中,混凝土的抗碳化性能取決于混凝土內(nèi)部的組成與結(jié)構(gòu),主要指硬化漿體內(nèi)部可碳化物質(zhì)種類和數(shù)量以及硬化漿體中孔的數(shù)量、尺寸,其中作用最大的是開口聯(lián)通孔隙數(shù)量與孔的尺寸[5].因此,對摻橡膠混凝土抗碳化性能變化機理分析可以從孔結(jié)構(gòu)來分析.

橡膠的摻入對混凝土抗碳化有著正反兩方面作用,首先橡膠顆粒表面為非極性,水泥基體為極性,兩者相容性較差,在表面張力作用下,水泥漿體受到背離橡膠顆粒表面的張力,使橡膠與水泥漿結(jié)合面產(chǎn)生裂縫,這種裂縫使混凝土密實度降低,同時也給二氧化碳的侵入提供了更加便捷的通道;其次,吳中偉院士認(rèn)為d<20 nm孔以下為無害孔,d=20~50 nm孔為少害孔,d=50~200 nm孔為有害孔,d>200 nm孔為多害孔[6].同時,T.A.Bier研究表明,不能被碳化的水泥石孔徑通常在10~50 nm范圍內(nèi),而且當(dāng)水泥石孔徑較細(xì)時,碳化生成的碳酸鈣晶體可以將孔隙塞堵的更為密實,阻止二氧化碳的進入[7],橡膠混凝土中由于橡膠的摻入可以有效改善混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu),形成大量封閉孔,從而阻止毛細(xì)孔形成連續(xù)貫通的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體系,形成一道“抗碳化帶”,對抑制二氧化碳的侵入產(chǎn)生積極作用.

在碳化初期,碳化深度較小,一般為3 mm左右,從橡膠分布的概率角度來分析,在混凝土3 mm深度左右能夠形成有效“抗碳化帶”的概率是較小的,因而不利影響大于有利作用,從而表現(xiàn)為橡膠混凝土抗碳化能力低于基準(zhǔn)混凝土,且橡膠粒徑越小,引氣量越多,表面縫隙越多,密實度越低,碳化深度越大;而隨著碳化的深入,二氧化碳遭遇“抗碳化帶”的概率越大,此時橡膠對混凝土抗碳化能力的積極作用占主導(dǎo)優(yōu)勢,且橡膠粒徑越小,抗碳化效果越明顯.然而當(dāng)含氣量達(dá)到一定程度,微小氣泡出現(xiàn)連通現(xiàn)象,反而形成孔徑較大的多害孔,導(dǎo)致混凝土抗?jié)B性降低,相對碳化相應(yīng)速度加快,這就是橡膠摻量體積分?jǐn)?shù)為15%時碳化深度反而加大的原因,由此說明橡膠混凝土在抗碳化方面存在最佳橡膠摻量,同時結(jié)合引氣混凝土抗碳化研究也證明了混凝土抗碳化最優(yōu)含氣量的存在,這也給實際工程應(yīng)用提供了參考依據(jù).

3結(jié)論

(1) 橡膠的摻入降低了混凝土初期抗碳化性,后期抗碳化性得到提升.

(2) 橡膠的摻入能夠改善混凝土抗碳化性,以橡膠摻量體積分?jǐn)?shù)10%為佳,其余各摻量改善效果不明顯.

(3) 橡膠粒徑越小對混凝土抗碳化能力改善效果越好.

參考文獻:

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【責(zé)任編輯: 王穎】

Experimental Study on Carbonation Resistance of Waste Rubber Concrete

YuQuna,b,WangJinga,YeWenchaoa

(a. Architectural and Civil Engineering College, b. Key Laboratory of Geoenvironmental Engineering of Liaoning Province, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

Abstract:The effect on the waste rubber concrete carbonization resistance performance is studied from using three different doses of rubber which is 5%, 10%, 15% and three different rubber particle size which is 2~4 mm, 30~40 mesh, 60~80 mesh. The conclusions are: the concrete adding rubber particles has an adverse effect on early carbonation resistance of concrete, but late can make concrete carbonation resistance ability raise; different rubber particle size and different influence on concrete carbonation resistance ability, 10% rubber content effect is the best, and the smaller the particle size of rubber particle concrete carbonation resistance ability of the better the results.

Key words:waste rubber; concrete; durability; carbonation resistance performance

收稿日期:2014-12-04

中圖分類號:TU 502

文獻標(biāo)志碼:A

作者簡介:于群(1975-)，遼寧沈陽人，沈陽大學(xué)副教授。

基金項目:國家科技支撐計劃項目課題(2013BAJ15B03); 遼寧省自然科學(xué)基金資助項目(201102153); 遼寧省高校創(chuàng)新團隊支持計劃項目(LT2012021)。

文章編號:2095-5456(2015)01-0060-04