劉 榴

(武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430073)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國城市垃圾總量的30%～40%為建筑垃圾，廢棄混凝土占建筑垃圾總量的50%～60%[1]。然而對于廢棄混凝土利用率較低，通常將其用作基坑回填或道路路基，只有少部分破碎后用于配制成再生混凝土。大部分廢棄混凝土都沒有做任何處理，通常是露天堆放或填埋[1]。同時，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)生了大量廢舊橡膠輪胎。中國每年產(chǎn)生的廢橡膠輪胎超過5 000萬條，但是只有少部分經(jīng)過處理后加以利用，大量未處理的廢舊輪胎會帶來巨大的環(huán)保問題[2]。

納米氧化硅在混凝土中能夠起到高化學(xué)活性和微粒性作用，在再生混凝土性能改善方面具有良好的應(yīng)用前景[3]。張海燕等[4]研究了不同水膠比條件下納米SiO2摻量對高性能混凝土抗壓強(qiáng)度的影響；學(xué)術(shù)界對再生混凝土和橡膠再生混凝土的抗凍性能進(jìn)行了一定的研究[5-8],趙麗妍[9]通過將不同粒徑的橡膠粉分別按10、20、30 kg/m3的摻量摻入混凝土中，研究表明當(dāng)橡膠粉粒徑為120目、摻量為10 kg/m3時，可明顯改善混凝土的抗凍性。洪錦祥等[10]研究表明，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，橡膠混凝土的受拉性能和變形性能均呈明顯的下降趨勢。Topcu等[11]將橡膠顆粒分別以骨料體積的10%、20%、30%摻入混凝土中進(jìn)行抗凍試驗(yàn)，結(jié)果表明，摻入橡膠顆粒后的混凝土抗凍性均好于未摻橡膠顆粒的。楊春峰等[12]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摻入橡膠能改善混凝土的抗凍性，橡膠粉比橡膠顆粒的效果好。趙強(qiáng)等[13]通過試驗(yàn)研究不同橡膠顆粒、納米SiO2摻量對再生混凝土力學(xué)性能的影響，納米SiO2的摻入可以提升橡膠再生混凝土的力學(xué)性能，當(dāng)納米SiO2摻量為5%時，改善效果顯著。關(guān)于納米SiO2和橡膠再生混凝土的現(xiàn)有研究成果較多，但在抗凍性能方面的研究較為欠缺。

本文針對摻入不同比例的橡膠粉、納米SiO2對再生混凝土抗凍性能進(jìn)行研究。采用的再生粗骨料和再生細(xì)骨料取代率均為30%，橡膠顆粒的摻量分別為0%、1%、3%、5%，納米SiO2的摻量分別為0%、1.5%、3%，通過試驗(yàn)研究不同摻量的橡膠粉、納米SiO2對再生混凝土抗凍融循環(huán)的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，天然粗骨料為武漢市某項(xiàng)目所用公稱粒徑為5～25 mm連續(xù)級配的石灰?guī)r碎石，再生粗骨料來自于學(xué)校實(shí)驗(yàn)室改造工程中的地面廢棄混凝土經(jīng)篩撿、破碎、篩分并按試驗(yàn)要求混合后形成的連續(xù)級配骨料，天然細(xì)骨料為武漢市天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.6，屬Ⅱ區(qū)中砂。再生細(xì)骨料來自于實(shí)驗(yàn)室改造工程中的地面廢棄混凝土破碎后篩分得到的連續(xù)級配細(xì)骨料，細(xì)度模數(shù)為3.0，屬Ⅱ區(qū)中砂。骨料基本性能見表1。

表1 骨料基本性能

試驗(yàn)中所采用的納米SiO2來自于唐山曹妃甸泰弘晟達(dá)新材料有限公司，其技術(shù)指標(biāo)由廠家提供，見表2，其外觀特征見圖1。橡膠粉為四川省某橡膠材料廠生產(chǎn)的粒徑為80目(0.18 mm)的廢舊輪胎橡膠粉，外觀呈現(xiàn)為黑色粉末狀，外表光滑，具有憎水性，見圖2。

表2 納米SiO2技術(shù)指標(biāo)

圖1 納米SiO2

圖2 橡膠粉

1.2 試驗(yàn)配合比

本試驗(yàn)的配合比以普通混凝土作為基準(zhǔn)組進(jìn)行設(shè)計(jì)，其他組根據(jù)該配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)。再生粗骨料和再生細(xì)骨料取代率均為30%(分別等質(zhì)量取代天然碎石和天然河砂)，橡膠粉摻量為 0、1%、3%、5%(等質(zhì)量取代天然河砂)，納米SiO2摻量分別為0、1.5%、3.0%(等質(zhì)量取代水泥)，共配制了13組不同配合比試件，混凝土配合比見表3。

表3 混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[14]的相關(guān)規(guī)定，進(jìn)行抗凍試驗(yàn)。本次試驗(yàn)采用快凍法，試驗(yàn)采用的試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，分別測試了凍融循環(huán)作用下各試件在28 d齡期的質(zhì)量損失和強(qiáng)度損失。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 質(zhì)量損失率

凍融循環(huán)達(dá)到50次時，基準(zhǔn)混凝土質(zhì)量損失率為-0.31%。與基準(zhǔn)混凝土相比，未摻入橡膠粉、納米SiO2的再生混凝土質(zhì)量損失率減小了25.8%。這是由于再生骨料吸水率較天然骨料大，混凝土內(nèi)部的孔隙經(jīng)凍融后帶來的孔壁壓力而擴(kuò)大，產(chǎn)生不同程度的損傷，形成微裂縫，從而吸收較多的水分，而且早期的凍融不會使混凝土表層砂漿大量的剝落，砂漿剝落的質(zhì)量少于吸收水分的質(zhì)量，導(dǎo)致混凝土質(zhì)量增大，質(zhì)量損失率減小。

在不同凍融循環(huán)次數(shù)下橡膠粉摻量、納米SiO2摻量對再生混凝土質(zhì)量損失率的變化曲線分別見圖3、4。

a)納米SiO2摻量為0

由圖3知，再生混凝土的質(zhì)量損失率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減?。辉诩{米SiO2摻量一定時，凍融循環(huán)作用下再生混凝土的質(zhì)量損失率隨橡膠粉摻量的增加而減小，由于橡膠粉摻量的增加，其與水泥漿體結(jié)合面的裂縫也會變多，微裂縫處逐漸被水分填充，混凝土質(zhì)量損失率減小。

由圖4知，在橡膠粉摻量一定時，凍融循環(huán)作用下再生混凝土的質(zhì)量損失率隨納米SiO2摻量的增加而增大，主要是納米SiO2填充作用和高活性使水泥顆粒表面效應(yīng)增強(qiáng)，促進(jìn)水化反應(yīng)進(jìn)程，水化產(chǎn)物增多，減少了混凝土內(nèi)部有害孔隙的數(shù)量，密實(shí)度顯著提高，從而吸收的水分大幅減少，質(zhì)量相對減小。與基準(zhǔn)混凝土相比，單摻3%的納米SiO2再生混凝土的質(zhì)量損失率提高了64.5%。

a)橡膠粉摻量為0和5%

2.2 強(qiáng)度損失率

凍融循環(huán)達(dá)到50次時，基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度損失率為3.3%。摻入橡膠粉、納米SiO2的再生混凝土強(qiáng)度損失率有不同程度的改善，其中橡膠粉和納米SiO2的摻量分別為5%、3%時改善效果最好，與基準(zhǔn)混凝土相比降低了45.5%，而未摻入橡膠粉、納米SiO2的再生混凝土強(qiáng)度損失率提高了78.8%。主要是再生骨料在破碎過程中產(chǎn)生大量的微裂縫，而且多孔隙，這些微裂縫與孔隙集中在再生骨料表面附著的砂漿上，經(jīng)過凍融循環(huán)之后便會在舊水泥砂漿與新砂漿的界面處相互貫通，導(dǎo)致強(qiáng)度損失較多。

在不同凍融循環(huán)次數(shù)下橡膠粉摻量對再生混凝土強(qiáng)度損失率的變化曲線見圖5。由圖5可知，在納米SiO2摻量一定時，凍融循環(huán)達(dá)到50次再生混凝土強(qiáng)度損失率隨著橡膠粉摻量的增加而降低。橡膠具有良好的彈性變形性能，為水結(jié)成冰的體積膨脹提供了空間，水泥-砂漿基體在早期硬化過程中，由于自身的收縮存在許多原始微裂縫，摻入橡膠粉后，這些微裂縫有些會和橡膠與水泥-砂漿基體的連接界面連通，微裂縫中的水在結(jié)冰過程中，冰與水之間存在飽和壓差，使微裂縫中的水向四周移動，對縫壁產(chǎn)生滲透壓力。而橡膠粉與水泥砂漿界面處的微裂縫，常溫條件下裂縫被液態(tài)水填充滿，低溫條件下水結(jié)冰體積增大，內(nèi)部產(chǎn)生體積應(yīng)力，但彈性較好的橡膠粉通過自身收縮給冰提供發(fā)展空間，從而減小了作用于漿體上的應(yīng)力，一定程度上抑制了再生混凝土內(nèi)部裂縫的開展[15]。

a)納米SiO2摻量為3%

在不同凍融循環(huán)次數(shù)下納米SiO2摻量對再生混凝土強(qiáng)度損失率的變化曲線見圖6。由圖6可知，再生混凝土強(qiáng)度損失率隨著納米SiO2摻量的增加而降低。這是由于納米SiO2具有填充效應(yīng)，可以提高再生混凝土的密實(shí)度，減小凍融循環(huán)過程中再生混凝土內(nèi)部孔隙水的含量，降低了再生混凝土的凍脹破壞壓力，從而使得強(qiáng)度損失較少；納米SiO2還具有活性效應(yīng)，可與水泥發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成硬度更大的C-S-H凝膠，再生混凝土的整體抗壓能力提高了，也使得強(qiáng)度損失較少，抗凍性能有所提高。

a)橡膠粉摻量為0和5%

3 結(jié)論

a)在凍融循環(huán)初期，混凝土質(zhì)量損失率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，且均呈負(fù)增長。凍融循環(huán)達(dá)到50次時，橡膠粉摻量與再生混凝土質(zhì)量損失率呈反比，納米SiO2摻量與再生混凝土質(zhì)量損失率呈正比。

b)在凍融循環(huán)初期，混凝土強(qiáng)度損失率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加。凍融循環(huán)達(dá)到50次時，橡膠粉摻量以及納米SiO2摻量與再生混凝土強(qiáng)度損失率均呈反比，其中橡膠粉和納米SiO2的摻量分別為5%、3%時改善效果最好。但從經(jīng)濟(jì)方面考慮，橡膠粉和納米SiO2的摻量分別為5%、1.5%時，對再生混凝土的抗凍性能已經(jīng)有所提高，更適合優(yōu)先選用。