掺纤维橡胶混凝土抗冻性能研究

杨晨晨，白 英，田晓宇，张金龙

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018)



掺纤维橡胶混凝土抗冻性能研究

杨晨晨，白 英，田晓宇，张金龙

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018)

通过测定10组100 mm×100 mm×400 mm混凝土试件能够经受的快速冻融循环次数，研究了橡胶粒和玄武岩纤维掺量变化对纤维橡胶混凝土抗冻性的影响规律，分析了纤维橡胶混凝土冻融破坏的损伤机理。研究结果表明：橡胶和纤维掺入混凝土能有效降低混凝土受冻融循环而发生的损伤劣化程度，明显提高混凝土的抗冻融循环性能。而且随着橡胶粒、纤维掺量的增加，混凝土相对动弹模量下降趋势越平缓，在本试验橡胶粒、纤维掺量范围内，橡胶粒掺量为60 kg/m3，纤维掺量为2.5 kg/m3时，混凝土抗冻融循环性能最佳，较基准混凝土提高150次。

橡胶粒混凝土； 玄武岩纤维； 冻融循环； 相对动弹模量

1 引 言

对于我国北方地区的混凝土结构，抗冻性是影响其耐久性能的主要因素。在冻融环境作用下，水分子受冻膨胀，在混凝土内部产生不均匀冻胀挤压作用，极大地破坏了混凝土的结构稳定性，对混凝土结构的长期使用产生巨大影响[1,2]。如何改善混凝土耐久使用性能一直是研究人员不断探索追寻的问题，到目前，通过掺加橡胶粒、玄武岩纤维到混凝土中，以改良普通混凝土力学、抗冻性能的研究已成为改善混凝土耐久性能的研究热点[3-6]，但对混掺橡胶粒、玄武岩纤维的混凝土耐久性研究还较少[6-9]。

本试验以普通混凝土，不同纤维掺量、橡胶粒掺量混掺的纤维橡胶混凝土为研究对象，采用快冻法对10组30个试件进行了冻融循环试验，对比分析纤维掺量、橡胶粒掺量变化对混凝土抗冻性能的影响规律，为纤维橡胶混凝土耐久性研究提供理论依据。

2 试 验

2.1 试验原材料

水泥：P·O 42.5级普通硅酸盐水泥；细骨料：中砂，细度模数2.6，含泥量1.5%，堆积密度1460 kg/m3，表观密度2675 kg/m3，级配良好；粗骨料：粒径5～20 mm连续级配的碎石，表观密度2690 kg/m3，含水率0.19%;外加剂：SA-3型高效减水剂；水：饮用自来水；橡胶粒：由废旧汽车轮胎生产的2 mm橡胶粒；短切玄武岩纤维，主要性能见表1。

表1 玄武岩纤维主要性能Tab.1 Main properties of basalt fiber

2.2 试验配合比

本试验以设计强度等级为C30的普通混凝土为基准混凝土，通过试配、调整，确定基准混凝土的配合比为W∶C∶S∶G=160∶360∶650∶1200，水灰比：0.44，砂率：35%。对比试验组是在保持基准混凝土中水泥、骨料、外加剂、水灰比不变情况下，掺入不同质量的橡胶粒、玄武岩纤维，成型的玄武岩纤维橡胶混凝土。AXY表示每组试件的橡胶粒、玄武岩纤维掺量变化，其中A1Y、A2Y、A3Y表示橡胶粒掺量分别为36 kg/m3、48 kg/m3、60 kg/m3；AX1、AX2、AX3表示玄武岩纤维掺量为1.5 kg/m3、2.0 kg/m3、2.5 kg/m3。

2.3 试验方法

试验共计10组，30个试块，按照国家标准“普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准”(GB/T50082-2009)中要求的快冻法进行各组混凝土的抗冻性试验。每进行25次冻融循环，检查各组试件的外部损伤并且测取其质量和相对动弹模量，当各组试验中出现下列情况之一时，即停止试验：(1)达到300次冻融循环次数；(2)试件的相对动弹模量下降到60%；(3)试件的质量损失率达到5%。

3 结果与讨论

3.1 冻融循环对混凝土试块表面形态影响

试验开始前，观察各组试件表面形态：基准混凝土表面光滑密实；掺入橡胶粒的混凝土表面则有部分细小凹坑，且掺量越大，凹坑现象越严重；对比同橡胶粒掺量的混凝土，纤维掺量的变化对混凝土的表面凹坑现象影响不明显。50次冻融循环后，基准混凝土表面水泥浆体脱落，少量粗骨料外露，其余混凝土试件表面状况良好。150次冻融循环后，基准混凝土表面浆体剥蚀严重，大量粗骨料外露，部分脱落；其余试件表层出现水泥浆体剥落现象，可以看到黑色的橡胶颗粒和粗骨料；对比各组试件可以看出，橡胶粒掺量越少，相同冻融循环次数下表面剥落越明显；对比同橡胶粒掺量的混凝土，纤维掺量大的混凝土表层情况好于纤维掺量小的。从混凝土表面形态的变化可以看出，适量橡胶粒和纤维的掺入，可以提高混凝土的抗冻性能。

3.2 冻融循环对混凝土试件质量的影响

表2 冻融循环后各组试件质量损失率Tab.2 Mass loss rate after freeze-thaw circulations

续表

各组混凝土的冻融循环质量损失率见表2。由表2可知，基准混凝土和掺纤维橡胶混凝土试件在冻融循环过程中的质量均呈现出下降-上升-下降的趋势。这是由于混凝土试件表面水化物受冻融循环影响而发生开裂、脱落最终导致其质量有所降低；随着冻融循环次数的增加，表面裂隙扩张、连通而形成裂缝，同时裂缝由于应力作用进一步扩张伸入试件内部，导致内部空隙增加，试件吸附了较多自由水而表现出试件表层混凝土继续脱落而质量增大现象；继续冻融下，试件由于内部冻胀破坏导致混凝土质量脱落大于试件内部吸附水而呈现降低趋势。分析相同纤维掺量下的混凝土可以看出，相同冻融循环次数下，掺加橡胶粒的混凝土质量损失较基准混凝土有所降低，随着橡胶粒掺量的增加其质量损失降低更明显。对比橡胶粒掺量相同下的混凝土也可以看出掺入纤维能提高混凝土的抗冻融破坏性能，且随着纤维掺量增加其抗冻融破坏性能亦呈现提高趋势。因此，混凝土中掺入纤维和橡胶粒能增强混凝土的抗冻融破坏性能，且试件的质量损失率随橡胶粒掺量的增加而表现降低趋势。

3.3 冻融循环对混凝土试块相对动弹模量的影响

图1 不同掺量橡胶粒、纤维对混凝土相对动弹模量的影响(a)纤维掺量1.5 kg/m3;(b)纤维掺量2 kg/m3;(c)纤维掺量2.5 kg/m3;(d)胶粒掺量36 kg/m3;(e)胶粒掺量48 kg/m3;(f)胶粒掺量60 kg/m3Fig.1 Effect of dosage on the dynamic elastic modulus of rubber power and fiber concrete

纤维橡胶混凝土不同冻融循环的相对动弹模量见图1，由图1可以看出，随着冻融次数的增加，基准混凝土和掺纤维橡胶混凝土的相对动弹模量总体上呈现降低趋势，且开始阶段各组动弹模量曲线下降趋势较为平缓，当动弹模量降到75%以下时，相对动弹模量曲线下降趋势急剧增大，其原因主要是达到一定冻融循环后，混凝土试件内部孔隙量增加、增大，更多水分子进入内部参与冻胀破坏，加速了混凝土的冻融损伤。相对基准混凝土而言，橡胶粒和纤维的掺入，明显提高了混凝土抗冻融循环的能力，当冻融循环次数小于50时，基准混凝土和掺纤维橡胶混凝土的相对动弹模量损失较为接近，但随着冻融次数的增加，基准混凝土的相对动弹模量急剧下降，当达到150次冻融循环时，基准混凝土即被冻坏，而掺纤维橡胶混凝土冻融循环达到200次后才有试件出现冻坏现象。

纤维掺量一定时，橡胶粒的掺入，明显减缓了纤维混凝土相对动弹模量降低率，改善了纤维橡胶混凝土的抗冻性能，且橡胶粒掺量增加至60 kg/m3时，纤维橡胶混凝土的相对动弹模量下降最慢。

橡胶粒掺量一定时，掺入纤维能改善纤维橡胶混凝土的抗冻性能，纤维掺量的增加能提高纤维橡胶混凝土的抗冻性能，但提高不明显。

3.4 纤维橡胶混凝土冻融损伤机理分析

已有研究表明，冻融循环破坏是混凝土自身冻融循环过程中发生的物理变化过程[10,11]。混凝土在浇捣成型硬化过程中，由于水灰比、施工工艺、养护环境等因素，会形成毛细裂隙和裂缝等薄弱部位。在冻融循环过程中，混凝土内部水分发生低温冻结膨胀而在薄弱部位产生应力集中，使得薄弱部位继续扩张；再者，水泥水化物与骨料的粘结部位较薄弱，在反复冻融作用下将破坏结合面而形成新的裂隙。

纤维橡胶混凝土是“气泡”缓冲卸压和“微加筋”阻裂作用的结合，从而抵抗冻融循环损伤能力较普通混凝土提高明显。

混凝土中掺入橡胶粒，能够在混凝土内部引入更多均匀分布的密闭凝胶孔，减少了普通混凝土在水化反应中产生的毛细孔数量，提高了混凝土的密实度、阻碍了水分的渗入[12]；由于橡胶粒是弹性体，在混凝土内部受膨胀压力过程中可以消耗部分内应力，缓解对混凝土水化产物的破坏，缓减裂隙的扩张，提高混凝土的抗冻融循环次数。

掺入均匀分布的玄武岩纤维，在混凝土内部形成网状“微加筋”，有效抑制了混凝土早期凝结硬化过程中微裂缝产生和扩展，缓减了水分进入混凝土内部的渗水通道的出现，减少了水分的渗入[13]；由于玄武岩纤维和混凝土的天然相容性，在混凝土基体内部受到较大膨胀压力时，纤维可以抵抗较多压力，减少冻融循环破坏引起的裂缝的增长速度。

3.5 冻融循环损伤模型

由材料损伤理论可知[14]，混凝土结构损伤度有如下定义：

(1)

上式中，Et，E0分别表示为混凝土经过t次冻融循环和未进行冻融循环测得的相对动弹模量。为了探究纤维橡胶混凝土相对动弹模量与冻融循环次数的具体函数关系，参照已有研究的混凝土冻融循环损伤方程[15,16]，设

yit=fi(t)+εiti,i=1,...,10;t=0,...,300

(2)

其中，fi(t)是主项值，εit是小周期与随机误差项。由于事先不知道fi(t)的形式，故假定函数为：

yit=b0i+b1it+b2it2+b3it3+b4it-1+b5it-2+b6it-2+b7it1/2+b8it-1/2+b9iet+b10iInt+εi，i=1,...,10

(3)

以橡胶粒掺量为60 kg/m3、纤维掺量分别为1.5 kg/m3、2.0 kg/m3、2.5 kg/m3为例,通过Origin9.1对三组试件冻融后的损伤度的数据进行拟合，发现试件随冻融循环次数增加损伤度的变化均遵循线性函数规律变化，而且相关系数R2达到0.9918，拟合见表3。因此，在本试验橡胶粒、纤维掺量范围内，混凝土损伤度变化和冻融循环次数的关系可表达为：

y=Ax2+Bx+η

(4)

其中y是损伤度；b，η为无量纲系数，与冻融循环次数有关。

表3 损伤度与冻融循环次数的关系Tab.3 Relationship between the degree of damage and the number of freeze-thaw cycles

4 结 论

(1)提高混凝土抗冻融损伤性能关键在于提高其结构密实度和抗裂性能，通过玄武岩纤维对水泥水化物的增韧、阻裂作用，橡胶粒对水泥水化物受力有缓冲和卸压效应，大幅度增强了混凝土抵抗冻融循环损伤的能力；

(2)橡胶粒的掺量对纤维混凝土抗冻融循环损伤的能力影响显著，本试验下橡胶粒掺量为60 kg/m3时，纤维橡胶混凝土抗冻融循环损伤的能力较强；玄武岩纤维的掺入能提高橡胶混凝土抗冻融循环损伤的能力，但掺量的变化对其影响不大；本试验下纤维掺量为2.5 kg/m3时，纤维橡胶混凝土抗冻融循环损伤的能力较强；

(3)由试验结果，以相对动弹模量的变化定义了混凝土冻融循环损伤度，分析了掺入不同橡胶粒、纤维质量的混凝土其损伤特性随冻融循环的变化规律，经数据拟合可知，纤维橡胶混凝土在冻融循环下其相对动弹模量呈线性函数衰减的规律变化，并得到了抗冻融性能较优的混凝土冻融循环损伤演化方程表达式。

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Frost Resistance Property of Fiber Reinforced Rubber Powder Concrete

YANGChen-chen,BAIYing,TIANXiao-yu,ZHANGJin-long

(College of Water Conservancy and Civil Engineering,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010018,China)

Measuring rapid freezing-throwing cycle times of 100 mm×100 mm×400 mm concrete specimens,this paper studies the effect of the rubber power and fiber content change on the frost resistance property of fiber reinforced rubber powder concrete,and analyses the freezing-thawing damaged mechanism of fiber reinforced rubber power concrete.Results shows:concrete mixed with rubber powder and fiber could reduce the damage caused by freezing-thawing cycles,and improve its frost resistance property.With the volume increase of rubber particle and fiber,relative dynamic modulus of concrete decreased more slowly.Within the volume range of rubber particles and fiber in this test,concrete antifreeze thawing cycle has the best performance when the rubber particle content is 60 kg/m3and the fiber volume fraction is 2.5 kg/m3,and it increased 150 cycle times compared to the basic concrete.

rubber powder concrete;basalt fiber;freezing-thawing cycle;relative dynamic modulu

杨晨晨(1991-)，男，硕士研究生.主要从事结构动态分析方面的研究.

白 英，教授.

TU528

A

1001-1625(2016)10-3456-05