楊春峰, 儲(chǔ)超群, 張 坤

(1. 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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 沈陽 110044;2. 河南省平原監(jiān)獄 十監(jiān)區(qū), 河南 新鄉(xiāng) 453000)

橡膠混凝土是工程新材料研究的熱點(diǎn)問題之一,其不但解決了廢舊橡膠的無污染消化處理,且與普通混凝土相比具有質(zhì)量輕、抗沖擊性好、抗凍性能好等優(yōu)點(diǎn)[1].隨著對(duì)各類橡膠混凝土性能的深入研究,普通強(qiáng)度橡膠混凝土的力學(xué)性能和耐久性能已經(jīng)較為明確,但針對(duì)高強(qiáng)度橡膠混凝土材料的研究還較為少見.對(duì)于工程結(jié)構(gòu)來說,其耐久性能設(shè)計(jì)得到了越來越多的重視,因此,開展高強(qiáng)度橡膠混凝土耐久性能研究具有一定的科學(xué)價(jià)值和工程實(shí)用意義.

本文以試驗(yàn)研究為主要手段,探索了不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土和不同橡膠顆粒等體積取代砂對(duì)耐久性能的影響,相關(guān)數(shù)據(jù)可以供類似研究參考,相關(guān)結(jié)論可以為橡膠混凝土耐久性設(shè)計(jì)提供借鑒.

1 配合比設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法

1.1 配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)原材料:采用425#的普通硅酸鹽水泥;粗、細(xì)骨料采用河砂和花崗巖碎石,骨料級(jí)配和質(zhì)量均符合相關(guān)規(guī)范要求;為達(dá)到高強(qiáng)度混凝土的配置要求,配合比設(shè)計(jì)過程中摻入粉煤灰和超細(xì)硅灰,硅灰的粒徑為0.1～0.3 μm,二氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在96%以上;橡膠顆粒由廢舊汽車輪胎制備,顆粒粒徑為60～80目(177～250 μm),表觀密度為890 kg·m-3;采用UNF-1型萘系高效減水劑,減水率為18%左右.

試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)借鑒密實(shí)混凝土配合比的設(shè)計(jì)方法,通過“全計(jì)算法”計(jì)算得出各材料摻量.各組混凝土的強(qiáng)度等級(jí)分別為C50、C60、C70,采用橡膠顆粒等體積取代砂的方式,取代的體積分?jǐn)?shù)分別為4%、8%、12%、16%,配合比具體數(shù)值見表1,表中試件編號(hào)的最后數(shù)字代表橡膠顆粒取代砂的體積分?jǐn)?shù).

表1 橡膠混凝土配合比Table 1 Mix ratio of rubber concrete

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)試件的制備和養(yǎng)護(hù)均依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行.抗凍性能測(cè)試采用快速凍融循環(huán)試驗(yàn),抗氯離子滲透性能采用電通量測(cè)試試驗(yàn),相關(guān)試驗(yàn)的步驟和方法按規(guī)范進(jìn)行.

2 抗凍性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

混凝土在經(jīng)歷凍融循環(huán)后,其內(nèi)部的裂縫的開展情況可以通過相對(duì)動(dòng)彈性模量來表示.混凝土強(qiáng)度的降低是由于混凝土內(nèi)部微裂縫不斷發(fā)展,從而表現(xiàn)為相對(duì)動(dòng)彈性模量的下降,根據(jù)快速凍融試驗(yàn)的要求,一般可以通過相對(duì)動(dòng)彈性模量反映混凝土抗凍性能[2].

2.2 試驗(yàn)分析

2.2.1 C50組試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),繪制C50組不同體積分?jǐn)?shù)下相對(duì)動(dòng)彈性模量和凍融次數(shù)的相對(duì)關(guān)系,對(duì)比結(jié)果如圖1所示.由圖1可知,隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加,各種組混凝土試塊的相對(duì)動(dòng)彈性模量均下降,但摻入橡膠顆粒的試件較未摻入橡膠顆粒的試件抗凍性能更好.凍融100次時(shí),各組抗凍性能下降幅度相當(dāng);凍融200次時(shí),各組差異增大,不摻橡膠顆粒的試件相對(duì)動(dòng)彈性模量最小,體積分?jǐn)?shù)為8%的試件相對(duì)動(dòng)彈性模量最大,說明橡膠顆粒的摻入對(duì)抗凍性能有影響.隨著凍融次數(shù)增多,C50組不同體積分?jǐn)?shù)試件變化規(guī)律不變,表現(xiàn)最好的為體積分?jǐn)?shù)8%的試件,凍融400次時(shí),其相對(duì)動(dòng)彈性模量下降幅度超過20%.

圖1 C50組凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量變化曲線Fig.1 Change curve of relative dynamic elastic modulus after freeze-thaw cycles in C50 group

2.2.2 C60組試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),繪制C60組不同體積分?jǐn)?shù)情況下相對(duì)動(dòng)彈性模量和凍融次數(shù)的相對(duì)關(guān)系,對(duì)比結(jié)果如圖2所示.由圖2可知,隨著凍融次數(shù)增加,各組混凝土試塊的動(dòng)彈性模量均下降,且各組摻入橡膠顆粒的試件抗凍性能均低于未摻加橡膠顆粒的試件.凍融100次時(shí),除體積分?jǐn)?shù)為4%的試件抗凍性能下降超過5%外,其他各組下降幅度相當(dāng);凍融200次時(shí),各組試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化規(guī)律不變,僅是相差幅度拉大;凍融300次時(shí),除體積分?jǐn)?shù)為4%的試件相對(duì)動(dòng)彈性模量下降超過20%外,其他各組試件的數(shù)據(jù)仍符合要求,當(dāng)凍融達(dá)到350次時(shí),各組相對(duì)動(dòng)彈性模量下降幅度均超過20%.

圖2 C60組凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量變化曲線Fig.2 Change curve of relative dynamic elastic modulus after freeze-thaw cycles in C60 group

2.2.3 C70組試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),繪制C70組不同體積分?jǐn)?shù)情況下相對(duì)動(dòng)彈性模量和凍融次數(shù)的相對(duì)關(guān)系,對(duì)比結(jié)果如圖3所示.由圖3可知,隨著凍融次數(shù)增加,各組混凝土試塊的動(dòng)彈性模量均下降,且各組摻入橡膠顆粒的試件抗凍性能均低于未摻加橡膠顆粒的試件.凍融100次時(shí),體積分?jǐn)?shù)為4%和8%的試件抗凍性下降超過5%,其他各組與基準(zhǔn)組混凝土相當(dāng);凍融200次時(shí),各組試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化規(guī)律不變,僅是相差幅度拉大;凍融300次時(shí),體積分?jǐn)?shù)為4%、8%和12%的各組試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量下降均超過20%;當(dāng)凍融達(dá)到350次時(shí),各組橡膠混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量下降幅度均超過20%.

圖3 C70組凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量變化曲線Fig.3 Change curve of relative dynamic elastic modulus after freeze-thaw cycles in C70 group

徐金花等[3]指出,將橡膠粉摻入普通混凝土中能提升混凝土的抗凍性能.張坤[4]試驗(yàn)研究表明,向普通混凝土中摻入適當(dāng)摻量的橡膠顆粒將有助于提高混凝土的抗凍性能.崔翰博等[5]提出,存在最佳摻入橡膠粒徑,使得普通混凝土的抗凍融循環(huán)破壞能力達(dá)到最優(yōu).王海進(jìn)[6]通過試驗(yàn)指出,在普通混凝土中摻入橡膠顆粒,能有效提升混凝土的抗凍性能,且水灰比越小、強(qiáng)度越大的普通混凝土,其抗凍性能越好.根據(jù)以上的試驗(yàn)結(jié)果和分析可知,僅C50組的橡膠混凝土抗凍性能優(yōu)于普通混凝土,當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60和C70時(shí),橡膠顆粒的摻入會(huì)導(dǎo)致混凝土抗凍性能下降.這與普通強(qiáng)度橡膠混凝土試驗(yàn)得出的“隨橡膠顆粒摻入,混凝土抗凍性能提升[7]”的結(jié)論相悖.可見,高強(qiáng)度橡膠混凝土的凍融性能有其特殊性.

2.3 機(jī)理分析

根據(jù)現(xiàn)有的混凝土凍融性能理論和相關(guān)試驗(yàn)分析,橡膠顆粒的摻入對(duì)普通強(qiáng)度混凝土和高強(qiáng)度混凝土抗凍性能影響規(guī)律的不同是由混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的[4].徐金花等[8]通過研究表明,橡膠作為一種有機(jī)彈性體,在混凝土內(nèi)部起到了類似于“緩沖閥”的作用,在凍融作用下,減緩了混凝土內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生,同時(shí)抑制了混凝土內(nèi)微裂縫的開展,提升了混凝土的抗凍性.對(duì)于普通強(qiáng)度混凝土,水膠比較大導(dǎo)致用水較多,硬化后的水泥石中存在大量的毛細(xì)孔,這些毛細(xì)孔是導(dǎo)致混凝土抗凍性能較差的原因.楊林虎[9]通過研究發(fā)現(xiàn),隨著橡膠顆粒的摻入,由于橡膠的憎水性質(zhì),在混凝土拌合過程中引入大量空氣,起到了類似于“引氣劑”的作用,導(dǎo)致混凝土含氣量增大,硬化后的混凝土孔隙率顯著提高,可以緩解凍融產(chǎn)生的膨脹壓力,使混凝土獲得更好的抗凍性能.同時(shí),適量橡膠顆粒的摻入改善了混凝土的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu),使混凝土內(nèi)形成了大量封閉孔,抑制了毛細(xì)孔的發(fā)展,對(duì)混凝土的抗凍性能有積極的作用[10].對(duì)于高強(qiáng)度混凝土來說,其水膠比較小,且因硅灰等超細(xì)材料的摻入,使混凝土更加密實(shí),在凍融試驗(yàn)的飽水過程中,毛細(xì)孔的數(shù)量少,使得吸水較少,凍融產(chǎn)生的壓力本身就不大,此時(shí)橡膠顆粒的摻入雖然起到了緩解壓力的作用,但因橡膠顆粒與水泥石之間存在的薄弱面減小了混凝土的強(qiáng)度,且這種強(qiáng)度削弱作用大于緩解壓力作用,因此導(dǎo)致高強(qiáng)度混凝土摻入橡膠顆粒后抗凍性能下降.

3 抗氯離子滲透性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

因?yàn)楦邚?qiáng)度混凝土與普通混凝土相比具有低水膠比、高密實(shí)度等材料特性,使其具有很低的滲透性,使用測(cè)量普通混凝土抗?jié)B性的方法并不可行[4].通過胡萍[2]的研究總結(jié)可知,高強(qiáng)度混凝土的耐久性可以通過測(cè)量抗氯離子的滲透性來評(píng)價(jià).抗氯離子滲透試驗(yàn)采用測(cè)試電通量的方法進(jìn)行,根據(jù)電通量的大小確定其抗氯離子性能.

3.2 試驗(yàn)分析

通過試驗(yàn),對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和匯總后,繪制不同強(qiáng)度等級(jí)和不同橡膠顆粒取代砂的體積分?jǐn)?shù)與電通量測(cè)試值的關(guān)系曲線如圖4所示.由圖4可知,不同強(qiáng)度等級(jí)試塊中未摻入橡膠顆粒的試件6 h電通量均在1 000 C以下,符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求.強(qiáng)度等級(jí)高的組別抗氯離子滲透性能明顯好于強(qiáng)度等級(jí)低的組別.摻入橡膠顆粒的試件中,各組試件的電通量均隨著橡膠顆粒取代砂體積分?jǐn)?shù)的變化呈現(xiàn)出先減小再增大的趨勢(shì),且各組的最小電通量值對(duì)應(yīng)的體積分?jǐn)?shù)均為8%,C50、C60、C70各組的最小電通量分別比未摻入橡膠顆粒組的下降34.8%、26.8%和22.1%,且C60和C70組當(dāng)中,體積分?jǐn)?shù)為4%和12%的情況下也取得了較好的效果.可見,橡膠顆粒的摻入能夠降低混凝土的電通量,使其獲得比同強(qiáng)度普通混凝土更好的抗氯離子滲透性能.根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知,最佳體積分?jǐn)?shù)在8%左右.

圖4 不同強(qiáng)度等級(jí)和不同橡膠顆粒取代砂的體積分?jǐn)?shù)與電通量測(cè)試值的關(guān)系曲線Fig.4 The relationship curve between the volume fraction of sand replaced by different strength grades and different rubber particles and the measured value of electric flux

3.3 機(jī)理分析

由于橡膠顆粒料摻入起到了一定的隔絕作用,橡膠混凝土的抗氯離子滲透性能優(yōu)于普通混凝土,使得氯離子不易滲透[11].雖然橡膠顆粒與水泥石存在的薄弱結(jié)合面有可能導(dǎo)致電通量增大,但在橡膠顆粒取代砂的體積分?jǐn)?shù)較小的情況下,橡膠顆粒的正面作用明顯大于負(fù)面作用,這就是橡膠顆粒摻入改善抗氯離子滲透性能的原因.混凝土的強(qiáng)度越高,抗氯離子滲透能力越強(qiáng)的原因主要是高強(qiáng)度混凝土的密實(shí)度明顯好于普通混凝土[4],但當(dāng)橡膠顆粒取代砂的體積分?jǐn)?shù)較大時(shí),橡膠顆粒帶來的負(fù)面作用增加,混凝土的透水性能提升[12],導(dǎo)致混凝土抗氯離子能力下降.

4 結(jié) 論

1) 對(duì)于強(qiáng)度等級(jí)為C60、C70的高強(qiáng)度混凝土,橡膠顆粒摻入導(dǎo)致了混凝土抗凍性能下降,其原因在于橡膠顆粒與水泥石之間的薄弱面增加了凍脹的可能,橡膠顆粒的緩解壓力作用沒有普通強(qiáng)度混凝土明顯.

2) 橡膠顆粒的摻入改善了橡膠混凝土的抗氯離子滲透性能,且在橡膠顆粒體積分?jǐn)?shù)在8%左右效果最佳.