祁 術 洪

(鄭州升達經貿管理學院建筑工程學院，河南 鄭州 451191)

0 引 言

混凝土材料發(fā)生凍脹破裂破壞是渠道防滲工程出現(xiàn)病害的主要現(xiàn)象。這種破壞主要是因為水的入滲而引起凍融循環(huán)和化學侵蝕引起的，嚴重影響防滲混凝土結構的耐久性[1-3]。因此，提高防滲性能已經成為渠道混凝土材料改性研究領域的一個熱點方向。而在普通混凝土漿料中摻加橡膠顆粒，能有效地改善混凝土防滲性能[4-6]。目前，國內外學者已經開展了一些關于橡膠混凝土的研究。如：Benazzouk等[7]研究了少量細橡膠粒摻入混凝土后提高了其防滲性能。楊春峰等[8]的試驗研究發(fā)現(xiàn)摻入橡膠的細顆粒在一定程度上能夠降低混凝土的滲透率。常英[9]等通過將橡膠粒摻入混凝土進行改性，提高了水工混凝土的耐久性，試驗結果表明橡膠粒對防滲性能的影響非常顯著。

顯然，橡膠顆粒對于混凝土的耐久性起到顯著的改良作用。但是防滲性能的改性效果和機理的研究還比較薄弱，對于橡膠混凝土的孔隙分布特點還需要開展進一步的微觀結構測試。核磁共振技術(NMR)為混凝土的孔隙分布研究提供了一種無損檢測手段，目前，利用NMR技術分析混凝土等水泥基材料的細觀結構，已經取得了大量研究成果[10-13]。本文基于普通混凝土防滲性能較差的特點，設計了不同橡膠的粒徑和摻量的改性試驗，獲得試樣的防滲性能指標，并從微觀結構的角度試圖解釋不同橡膠粒摻入量引起防滲性能變化的機理。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗所用的混凝土材料由粗骨料(碎石)、細骨料(河砂)、膠凝材料(硅酸鹽水泥)、外摻料(粒徑分別為80目、40目和20目的橡膠粒，其表觀密度為1 030 kg/m3)、減水劑以及水組成,對漿料進行一段時間的養(yǎng)護形成橡膠改性混凝土試樣。采用篩分法和密度計獲得了該混凝土的級配曲線，顆粒粒徑分布結果如表1所示，1.0 mm以下細骨料顆粒成分占總含量的63.2%,1.0 mm以上的顆粒占總成分的36.8%，粗細顆粒的配比對孔隙結構的分布有重要影響。多次適配后得到混凝土基準配合比為 水∶ 水泥∶ 細骨料∶粗骨料=200∶400∶550∶1 205，減水劑的用量為水泥質量的1%。在保持混凝土試樣的基準配合比的基礎上，將不同粒徑(80目、40目和20目)的橡膠顆粒按10%、20%和30%的比例等體積取代普通混凝土的細骨料，從而獲得不同橡膠含量的改性混凝土。不同粒徑的橡膠顆粒如圖1所示。

1.2 試驗過程

本試驗主要分為三個步驟，包括：試樣制備、滲透試驗和核磁共振掃描，流程和各步驟的設備如圖2所示。

圖1 不同粒徑級別的橡膠粒Fig.1 Rubber particles of different size

粒徑/mm≤0.150.15～0.5 0.5～1.01.0～2.02.0～5.05.0～10.0≥10.0占有率/%37.914. 910.4 8.8 13.27.9 6.9累積率/% 37.952.8 63.272.085.293.1100.0

1.2.1 試樣制備

為了使得橡膠混凝土拌和均勻，首先將粗骨料、細骨料和橡膠粒在攪拌機拌和1min；然后放入硅酸鹽水泥干拌1 min；最后在攪拌桶中倒入一定質量的水和減水劑拌和2 min。在拌和過程中，由于橡膠粒密度較小，觀察到橡膠粒由于密度較小出現(xiàn)了上浮的現(xiàn)象。故在試件成型過程中，當坍落度<70 mm時，采用二次短振動方式的振動臺成型，第一次振動持續(xù)5 s，第二次振動采取瞬時振動; 當坍落度≥70 mm時，通過手工將攪拌好的漿料分兩層加入試模。漿料入模后，采用恒溫恒濕箱進行養(yǎng)護[見圖2(a)]。養(yǎng)護的溫度為( 20±2) ℃，相對濕度為95%，養(yǎng)護28天后拆模，再分別進行滲透試驗。

圖2 試驗儀器及流程圖Fig.2 Testing instruments and the flow chart

1.2.2 滲透試驗

采用《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG E30-2005)[15]中水泥基材料的滲水試驗方法，滲透儀見圖2(b)。在滲水試驗中控制水壓(0.8 MPa)保持恒定24 h后進行降壓，取出混凝土試件測滲透高度，取每組試驗的平均滲透高度作為該試件的防滲性能指標。

1.2.3 微觀結構觀測

采用核磁共振掃描技術(NMR)對混凝土試樣進行微觀結構觀測，見圖2(c)。該技術通過評估材料孔隙中水分子中氫元素分布位置探測材料的孔隙特征。核磁共振掃描技術在較低強度的磁場中,通過對材料中流體的氫元素核磁信號進行測定,從而獲取材料孔隙中流體的核磁共振T2譜,用于分析多孔介質材料的細觀結構特征?；炷敛牧系某谠r間T2與孔隙的半徑成正比，即孔隙越大，則弛豫時間越長, 在T2譜上弛豫時間較長的核磁信號所占的比例越大[14]。

對4組不同橡膠配合比的試樣各開展一次NMR掃描,得到四組核磁共振T2分布譜。根據核磁共振的試驗原理,材料孔隙內部水的弛豫時間T2和孔隙尺寸的關系可以用公式(1)表示:

(1)

式中:ρ是多孔介質內的表面弛豫強度，μm/ms，ρ值的大小與材料種類有關;S是孔隙的表面積;V是孔隙的體積。

2 試驗結果分析

2.1 滲透試驗結果

對改性的復合材料進行均勻拌和及養(yǎng)護之后，橡膠粒在混凝土內部孔隙中處于游離狀態(tài)，不與硅酸鹽水泥等物料發(fā)生化學反應，但可以有效地填充內部孔隙(尤其是對大孔隙和裂隙)，提高混凝土結構的密實程度，從而改善混凝土的防滲性能。

從滲透試驗的結果(如圖3)看出摻入橡膠粒含量一致時，粒徑為80目的滲透高度最小，40目次之，20目最大，說明橡膠粒徑越小，試樣的防滲性能的改善效果越好，即橡膠粒填充孔隙的效果越好。從圖3中還可以看出在一定橡膠粒摻和量范圍內，滲透高度與橡膠含量成正比。隨著摻入橡膠粒含量增加到一定程度后，滲透高度開始隨顆粒含量增加而上升，即防滲性能隨顆粒含量增加出現(xiàn)了下降趨勢。從本試驗的結果來看，體積含量為20%的橡膠粒摻量對混凝土防滲性能的提升效果最有利。

圖3 橡膠粒摻量對滲透性能影響Fig.3 Influence of rubber aggregate contents on permeability

2.2 微觀結構掃描結果

本文對80目橡膠粒作為外摻料的改性混凝土進行NMR掃描試驗。從圖4可以看出，摻入0%、10%、20%和30%體積含量的橡膠粒后，混凝土試樣的T2分布曲線有明顯改變。圖4中的縱坐標表示信號強度的幅度，橫坐標表示弛豫時間T2，T2值越大表示孔隙尺寸越大，幅度越高表示該尺寸下的孔隙數量越多。根據核磁共振掃描的原理，雖然不能直接獲得材料內部具體孔隙的大小與數量，但是通過T2分布曲線能反映不同尺寸級別孔隙的比例大小。通過T2分布曲線還可以分析同一種材料的試樣經過微觀結構變異后，孔隙的演化規(guī)律與特點。

由圖4可以看出：1號試樣表示未摻入橡膠粒的混凝土試樣，其T2曲線存在三個峰，第一個峰表示微小孔隙，第二個峰表示的是中等大小的孔隙，第三個峰表示尺寸較大的孔、裂隙。而且，1號試樣中三個峰的峰值和面積明顯比其他試樣大，表明試件內部的原生大孔隙較多，并形成貫通的大裂隙，對于混凝土防滲性能有極大的影響。

2號試樣為10%橡膠摻量的混凝土，其T2曲線的第三個峰峰值明顯小于1號試樣，第二個峰的峰值略有下降，第一個峰的峰值有所上升。該現(xiàn)象表明2號試樣經過改性后大孔隙和裂隙的含量有所降低，中孔隙含量略有下降，而小孔隙的含量有所上升。

3號試樣為摻入量為20%的橡膠改性混凝土，其T2曲線只存在兩個峰，且峰值相對于2號試樣出現(xiàn)了較大幅度的下降，說明在進一步增加橡膠粒摻和量后試樣的大裂隙以及完全被填充，且中小孔隙也相繼減少，試樣的密實程度顯著提高。

4號試樣為摻入量為30%的橡膠改性混凝土，對比3號試樣，其T2曲線中又重新出現(xiàn)了第三個峰，而第一峰升高，第二峰基本不變，表明試件中摻入30%的橡膠粒后，試樣重新出現(xiàn)了大孔隙(裂隙)，且小孔隙數量有所增加。

從圖4可以看出，在混凝土中摻入橡膠后，內部結構發(fā)生變化，隨著摻入橡膠粒比例的增加，試樣內部孔隙結構變化情況有所差異?；炷恋腡2分布譜的面積可以反映內部孔隙的體積的分布特點,T2分布譜中各峰所占比例可以反映小、中或大孔(裂隙)的體積占總孔隙體積比例。不同試樣的T2分布譜面積和不同尺寸孔隙所占比例如表2所示。可以看出T2譜面積隨著隨橡膠含量增加呈現(xiàn)先減后增的趨勢，在摻量為20%達到最小值，說明20%摻量下的復合混凝土防滲性能最佳。并且從三種峰的面積比例可以看出第三峰的變化幅度最大，其變化規(guī)律與防滲高度有很好的一致性。因此，大孔隙(裂隙)的發(fā)育程度是控制混凝土防滲性能最關鍵的因素。

圖4 凍融循環(huán)的T2分布曲線Fig.4 T2 distribution curves of freeze-thaw cycles

橡膠粒比例/%譜面積峰1比例/% 峰2比例/%峰3比例/%03 027.93. 0932.91 64.00102 707.811. 6445.1043.26201 701.133.0866.92 0301 938.5 33.6546.3020.05

2.3 防滲性能的改變機理

對微觀結構掃描和防滲試驗結果進行對比分析,發(fā)現(xiàn)當橡膠顆粒的摻料在0%～20%范圍內,防滲效果隨橡膠含量增加而提高；橡膠摻量超過20%后,防滲效果隨含量增加而下降。從試驗結果可以看出橡膠對材料進行防滲性能改性的效果分為有利和不利兩方面。一方面,摻入一定比例的橡膠粒后，材料的大孔隙(裂隙)被填充，有效提高了材料的密實性，從而給防滲性能帶來有利影響；另一方面，過多橡膠粒摻入漿料后，骨料與橡膠粒的接觸界面占用大量水泥漿,材料流動性大大降低,導致密實性下降,孔隙數量和規(guī)模增大，使得混凝土試件的防滲性能出現(xiàn)下降。因此，在進行混凝土材料的性能改良時，外摻料的摻和量是影響改性效果的關鍵因素。

3 結 論

利用不同粒徑和摻量的橡膠對普通混凝土進行改性，并開展混凝土試樣的防滲性能測試和核磁共振掃描，得到如下結論。

(1)摻入橡膠粒后，混凝土的防滲性能得到較大改善，橡膠粒徑越小，防滲性能的改善效果越好；防滲性能隨顆粒含量的增加呈先增后減的趨勢。

(2)由核磁共振掃描得到橡膠混凝土T2分布曲線，從不同橡膠摻量下混凝土T2分布曲線中發(fā)現(xiàn)孔隙發(fā)育程度隨橡膠粒含量增加呈現(xiàn)先減后增的趨勢。

(3)橡膠摻量為20%時，孔隙發(fā)育程度最低，此時滲透高度也達到最小，該現(xiàn)象反映了孔隙結構的改變是防滲性能改善的內在原因。

(4)在水泥砂漿中摻入橡膠進行改性后，混凝土的滲透性能有明顯變化。一方面，橡膠可以對材料內大孔隙和裂隙起到填充作用；另一方面橡膠和骨料的接觸界面占用大量水泥漿料,降低了材料流動性,導致密實性下降。因此，橡膠的摻量是影響防滲性能改性效果的關鍵因素。