聞 洋,賀希茂,崔 浩,宋文學

(1.內蒙古科技大學土木工程學院,內蒙古 包頭 014010;2.包頭市公路工程股份有限公司,內蒙古 包頭 014010)

廢舊橡膠在自然環(huán)境下很難降解,將廢舊橡膠用于制備橡膠混凝土是一種有效的處理方法。橡膠混凝土與普通混凝土相比,具有質量輕、韌性好、延性好、抗凍性好、降噪隔音、耐磨減震好等優(yōu)點而被廣泛應用到道路工程領域[1-4]。目前國內外的研究多聚焦在摻加橡膠粉后混凝土耐久性諸如凍融、滲透、硫酸鹽侵蝕、碳化、堿骨料反應等的單一因素研究。張立群等[5]研究了橡膠混凝土抗?jié)B性能,橡膠摻量在12%以下時能有效改善混凝土的抗氯離子滲透性能。王開惠等[6]研究了橡膠混凝土抗鹽侵蝕性能,無論水灰比還是強度等級相同,橡膠混凝土抗鹽侵蝕能力均隨橡膠摻量的增加而增大。葛文慧[7]使用橡膠等體積取代了5%的砂子混凝土抗凍性能最好。我國北方土壤中富含硫酸鹽,在硫酸鹽和凍融耦合條件下,對混凝土的破壞較單一條件更加嚴重,目前對摻加精加工的細膠粉凝土耦合作用下的耐久性能研究較少?；诖?筆者研究摻加不同粒徑、不同摻量細膠粉混凝土在硫酸鹽侵蝕及凍融循環(huán)耦合作用下抗凍性能的變化,并結合掃描電鏡(SEM)對內部水化產物進行分析,為橡膠混凝土在北方地區(qū)應用提供可靠依據。

1 試 驗

1.1 試驗材料和配合比

水泥選用包頭蒙西廠出產的普通硅酸鹽P·O 42.5水泥,其性能指標如表1所示。細骨料采用普通天然河砂,其細度模數為2.80,粗骨料采用粒徑在5～25 mm連續(xù)級配均勻的碎石,壓碎值3.54%。橡膠選用0.425 mm、0.18 mm、0.125 mm粒徑橡膠粉,各粒徑橡膠粉的表觀密度為1 170 kg/m3,橡膠粉顆粒均勻。

表1 水泥物理性能Table 1 Physical properties of cement

混凝土配合比如表2所示,其中CJ為普通混凝土,RC為橡膠混凝土。

表2 混凝土配合比Table 2 Mix proportions of concrete

基準混凝土設計強度等級為C40,將0.425 mm、0.18 mm、0.125 mm粒徑的橡膠分別以10、20、30 kg/m3等質量方式取代細骨料,橡膠粉的摻入會對混凝土工作性能產生不利影響,因此在橡膠混凝土的配制過程中需根據實際情況適量增加減水劑,減水劑用量為水泥的0.8%。

1.2 試驗方法及設備

試驗澆筑長寬高為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件,將成型后的試件標準養(yǎng)護24 d后放入質量分數為5%的Na2SO4溶液中, 浸泡4 d后取出測量初始質量和初始動彈性模量。將測量好的試件繼續(xù)放入裝有5% Na2SO4溶液的橡膠桶內,并依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T50082—2009)進行快速凍融循環(huán)試驗。每隔25次凍融循環(huán)后將試件取出,測試試件的相對質量損失和動彈性模量。切取橡膠混凝土與集料交界的部分,通過掃描電鏡(SEM)觀察界面及侵蝕產物情況,分析研究其微觀形貌對抗凍性能的影響,從微觀上解釋橡膠粉提高混凝土抗凍性能的作用機理。

2 結果與分析

2.1 抗壓強度試驗結果及分析

橡膠混凝土強度變化曲線如圖1所示。橡膠混凝土在受壓時,首先在試件邊緣出現豎向裂縫,隨著加載至極限荷載,邊緣形成多條細小裂縫,破壞模式呈明顯的塑性破壞,且橡膠集料摻量的越多,混凝土產生塑性變形幅度越大。隨著橡膠摻量的增加,抗壓強度隨之下降,摻量為30 kg/m3時,0.425 mm、0.18 mm、0.125 mm粒徑的抗壓強度分別為34.65 MPa、31.48 MPa、 29.39 MPa,分別下降為基準試件的82.3%、74.7%、69.8%。

圖1 橡膠摻量對混凝土抗壓強度的影響Fig.1 Influence of rubber content on compressive strength of concrete

2.2 凍融循環(huán)試驗結果及分析

橡膠混凝土凍融循環(huán)后質量損失率變化如圖2所示。

圖2 橡膠混凝土凍融循環(huán)后質量損失率Fig.2 Mass loss rate of rubber concrete after freeze-thaw cycles

橡膠混凝土在硫酸鈉溶液中凍融循環(huán)作用下的相對動彈性模量變化規(guī)律如圖3所示。從圖可知,各試件的相對動彈性模量均是隨著凍融循環(huán)次數的增加而不斷減小,且變化呈現快速下降、緩慢下降、迅速下降3個階段。對普通混凝土而言,橡膠粉的加入明顯改善了其抗凍融循環(huán)的性能,凍融循環(huán)次數由150次增加到250次,單凍融循環(huán)次數就提升了67%,且動彈性模量的下降率從28%變化到2.8%。摻加0.18 mm的橡膠混凝土相對動彈性模量下降速度較摻0.425 mm、0.125 mm的混凝土緩慢,抗凍性能更佳,因為普通混凝土孔隙內部被浸入了硫酸鎂溶液,形成結晶壓和結冰壓[9-14]而凍脹破壞,而橡膠混凝土中由于凍脹作用而產生的孔隙被水化產物與硫酸鹽反應生成的鈣礬石以及橡膠顆粒填充,且這些孔隙在凍融循環(huán)后期會被生成的小部分石膏會進一步填充,阻止其內部裂紋的生成、延升和貫通,提高其抗凍性能,而0.18 mm橡膠粒徑相對較大,因此動彈性模量的變化趨于平穩(wěn),較0.425 mm、0.125 mm抗凍性能更佳。

圖3 橡膠混凝土凍融循環(huán)后相對動彈性模量變化率Fig.3 Change rate of relative dynamic elastic modulus of rubber concrete after freeze-thaw cycle

2.3 壓汞試驗結果及分析

表3為摻0.18 mm橡膠粉的混凝土300次凍融循環(huán)試驗后壓汞測試結果。

表3 橡膠混凝土300次凍融循環(huán)試驗后壓汞測試結果Table 3 Mercury intrusion test results of rubber concrete after 300 freeze-thaw cycle tests

吳中偉[14]根據孔徑大小將混凝土內部孔隙分為:孔隙<20 nm為無害孔、孔隙=20～50 nm為少害孔、孔隙=50～200 nm為有害孔、孔隙>200 nm為多害孔4類孔隙。從表3可知,摻入橡膠粉后最可幾孔徑的大體趨勢是向大孔發(fā)展。圖4為摻0.18 mm橡膠粉的混凝土孔隙特征。從圖中可以看出,曲線呈現整體右移的趨勢,孔隙率不斷增大,混凝土內部的損傷逐漸加劇,同時可以看出橡膠混凝土曲線一直處于普通混凝土的下側,隨著普通混凝土的大孔徑孔隙數量不斷增加,抗凍性能也逐漸劣于橡膠混凝土。

圖4 橡膠混凝土孔隙特征Fig.4 Pore characteristics of rubber concrete

根據混凝土內部孔隙4類孔隙,由壓汞試驗結果可知,凍融循環(huán)試驗前RC-20-80組橡膠混凝土中無害及少害孔所占比例為59.1%,相比普通混凝土C-J的49.33高了9.77%;凍融循環(huán)后,300-RC-20-80橡膠混凝土有害及多害孔所占比例為37.97%,相比普通混凝土凍融循環(huán)300次后的有害及多害孔少14.27%。由此可見，加入適量的橡膠粉可以提高混凝土內部小孔所占的比例,提高混凝土的密實度,有害離子及水分進入混凝土內部變得更加困難,相應的凍脹力減少,因此橡膠混凝土的抗凍能力優(yōu)于普通混凝土。

2.4 掃描電鏡試驗結果及分析

圖5 凍融循環(huán)后橡膠混凝土微觀形貌Fig.5 Microscopic morphology of rubber concrete after freeze-thaw cycles

3 結 論

(1)適當橡膠粉的摻入可減緩混凝土試件的質量損失,隨橡膠摻量的增加,混凝土鹽凍循環(huán)后的質量損失越大,隨橡膠粒徑的減小質量損失也越嚴重。硫酸鹽對凍融循環(huán)既有促進作用又有抑制作用,因此試件質量出現先上升后下降。

(2)摻入過細的橡膠粉對混凝土的抗凍性能不利,鹽凍循環(huán)后的混凝土相對動彈性模量呈現先下降,而后平穩(wěn),最后又下降的趨勢。

(3)橡膠混凝土在硫酸鹽溶液中凍融循環(huán)后生成針狀鈣礬石晶體,填充于混凝土內部產生的微裂縫,橡膠有助于降低混凝土的孔隙率、提高其對有害離子及水的滲透能力。

(4)RC-20-80橡膠混凝土有害及多害孔所占比例為37.97%,相比普通混凝土凍融循環(huán)300次后的有害及多害孔少約14.27%,橡膠混凝土內部結構更加密實,橡膠混凝土的抗凍能力優(yōu)于普通混凝土。橡膠摻量為20 kg/m3、粒徑為0.18 mm時,混凝土的抗凍性能最優(yōu)。