橡胶混凝土防渗性能改性的微观机理研究

祁 术 洪

(郑州升达经贸管理学院建筑工程学院，河南 郑州 451191)

0 引 言

混凝土材料发生冻胀破裂破坏是渠道防渗工程出现病害的主要现象。这种破坏主要是因为水的入渗而引起冻融循环和化学侵蚀引起的，严重影响防渗混凝土结构的耐久性[1-3]。因此，提高防渗性能已经成为渠道混凝土材料改性研究领域的一个热点方向。而在普通混凝土浆料中掺加橡胶颗粒，能有效地改善混凝土防渗性能[4-6]。目前，国内外学者已经开展了一些关于橡胶混凝土的研究。如：Benazzouk等[7]研究了少量细橡胶粒掺入混凝土后提高了其防渗性能。杨春峰等[8]的试验研究发现掺入橡胶的细颗粒在一定程度上能够降低混凝土的渗透率。常英[9]等通过将橡胶粒掺入混凝土进行改性，提高了水工混凝土的耐久性，试验结果表明橡胶粒对防渗性能的影响非常显著。

显然，橡胶颗粒对于混凝土的耐久性起到显著的改良作用。但是防渗性能的改性效果和机理的研究还比较薄弱，对于橡胶混凝土的孔隙分布特点还需要开展进一步的微观结构测试。核磁共振技术(NMR)为混凝土的孔隙分布研究提供了一种无损检测手段，目前，利用NMR技术分析混凝土等水泥基材料的细观结构，已经取得了大量研究成果[10-13]。本文基于普通混凝土防渗性能较差的特点，设计了不同橡胶的粒径和掺量的改性试验，获得试样的防渗性能指标，并从微观结构的角度试图解释不同橡胶粒掺入量引起防渗性能变化的机理。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验所用的混凝土材料由粗骨料(碎石)、细骨料(河砂)、胶凝材料(硅酸盐水泥)、外掺料(粒径分别为80目、40目和20目的橡胶粒，其表观密度为1 030 kg/m3)、减水剂以及水组成,对浆料进行一段时间的养护形成橡胶改性混凝土试样。采用筛分法和密度计获得了该混凝土的级配曲线，颗粒粒径分布结果如表1所示，1.0 mm以下细骨料颗粒成分占总含量的63.2%,1.0 mm以上的颗粒占总成分的36.8%，粗细颗粒的配比对孔隙结构的分布有重要影响。多次适配后得到混凝土基准配合比为 水∶ 水泥∶ 细骨料∶粗骨料=200∶400∶550∶1 205，减水剂的用量为水泥质量的1%。在保持混凝土试样的基准配合比的基础上，将不同粒径(80目、40目和20目)的橡胶颗粒按10%、20%和30%的比例等体积取代普通混凝土的细骨料，从而获得不同橡胶含量的改性混凝土。不同粒径的橡胶颗粒如图1所示。

1.2 试验过程

本试验主要分为三个步骤，包括：试样制备、渗透试验和核磁共振扫描，流程和各步骤的设备如图2所示。

图1 不同粒径级别的橡胶粒Fig.1 Rubber particles of different size

粒径/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累积率/% 37.952.8 63.272.085.293.1100.0

1.2.1 试样制备

为了使得橡胶混凝土拌和均匀，首先将粗骨料、细骨料和橡胶粒在搅拌机拌和1min；然后放入硅酸盐水泥干拌1 min；最后在搅拌桶中倒入一定质量的水和减水剂拌和2 min。在拌和过程中，由于橡胶粒密度较小，观察到橡胶粒由于密度较小出现了上浮的现象。故在试件成型过程中，当坍落度<70 mm时，采用二次短振动方式的振动台成型，第一次振动持续5 s，第二次振动采取瞬时振动; 当坍落度≥70 mm时，通过手工将搅拌好的浆料分两层加入试模。浆料入模后，采用恒温恒湿箱进行养护[见图2(a)]。养护的温度为( 20±2) ℃，相对湿度为95%，养护28天后拆模，再分别进行渗透试验。

图2 试验仪器及流程图Fig.2 Testing instruments and the flow chart

1.2.2 渗透试验

采用《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)[15]中水泥基材料的渗水试验方法，渗透仪见图2(b)。在渗水试验中控制水压(0.8 MPa)保持恒定24 h后进行降压，取出混凝土试件测渗透高度，取每组试验的平均渗透高度作为该试件的防渗性能指标。

1.2.3 微观结构观测

采用核磁共振扫描技术(NMR)对混凝土试样进行微观结构观测，见图2(c)。该技术通过评估材料孔隙中水分子中氢元素分布位置探测材料的孔隙特征。核磁共振扫描技术在较低强度的磁场中,通过对材料中流体的氢元素核磁信号进行测定,从而获取材料孔隙中流体的核磁共振T2谱,用于分析多孔介质材料的细观结构特征。混凝土材料的弛豫时间T2与孔隙的半径成正比，即孔隙越大，则弛豫时间越长, 在T2谱上弛豫时间较长的核磁信号所占的比例越大[14]。

对4组不同橡胶配合比的试样各开展一次NMR扫描,得到四组核磁共振T2分布谱。根据核磁共振的试验原理,材料孔隙内部水的弛豫时间T2和孔隙尺寸的关系可以用公式(1)表示:

(1)

式中:ρ是多孔介质内的表面弛豫强度，μm/ms，ρ值的大小与材料种类有关;S是孔隙的表面积;V是孔隙的体积。

2 试验结果分析

2.1 渗透试验结果

对改性的复合材料进行均匀拌和及养护之后，橡胶粒在混凝土内部孔隙中处于游离状态，不与硅酸盐水泥等物料发生化学反应，但可以有效地填充内部孔隙(尤其是对大孔隙和裂隙)，提高混凝土结构的密实程度，从而改善混凝土的防渗性能。

从渗透试验的结果(如图3)看出掺入橡胶粒含量一致时，粒径为80目的渗透高度最小，40目次之，20目最大，说明橡胶粒径越小，试样的防渗性能的改善效果越好，即橡胶粒填充孔隙的效果越好。从图3中还可以看出在一定橡胶粒掺和量范围内，渗透高度与橡胶含量成正比。随着掺入橡胶粒含量增加到一定程度后，渗透高度开始随颗粒含量增加而上升，即防渗性能随颗粒含量增加出现了下降趋势。从本试验的结果来看，体积含量为20%的橡胶粒掺量对混凝土防渗性能的提升效果最有利。

图3 橡胶粒掺量对渗透性能影响Fig.3 Influence of rubber aggregate contents on permeability

2.2 微观结构扫描结果

本文对80目橡胶粒作为外掺料的改性混凝土进行NMR扫描试验。从图4可以看出，掺入0%、10%、20%和30%体积含量的橡胶粒后，混凝土试样的T2分布曲线有明显改变。图4中的纵坐标表示信号强度的幅度，横坐标表示弛豫时间T2，T2值越大表示孔隙尺寸越大，幅度越高表示该尺寸下的孔隙数量越多。根据核磁共振扫描的原理，虽然不能直接获得材料内部具体孔隙的大小与数量，但是通过T2分布曲线能反映不同尺寸级别孔隙的比例大小。通过T2分布曲线还可以分析同一种材料的试样经过微观结构变异后，孔隙的演化规律与特点。

由图4可以看出：1号试样表示未掺入橡胶粒的混凝土试样，其T2曲线存在三个峰，第一个峰表示微小孔隙，第二个峰表示的是中等大小的孔隙，第三个峰表示尺寸较大的孔、裂隙。而且，1号试样中三个峰的峰值和面积明显比其他试样大，表明试件内部的原生大孔隙较多，并形成贯通的大裂隙，对于混凝土防渗性能有极大的影响。

2号试样为10%橡胶掺量的混凝土，其T2曲线的第三个峰峰值明显小于1号试样，第二个峰的峰值略有下降，第一个峰的峰值有所上升。该现象表明2号试样经过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号试样为掺入量为20%的橡胶改性混凝土，其T2曲线只存在两个峰，且峰值相对于2号试样出现了较大幅度的下降，说明在进一步增加橡胶粒掺和量后试样的大裂隙以及完全被填充，且中小孔隙也相继减少，试样的密实程度显著提高。

4号试样为掺入量为30%的橡胶改性混凝土，对比3号试样，其T2曲线中又重新出现了第三个峰，而第一峰升高，第二峰基本不变，表明试件中掺入30%的橡胶粒后，试样重新出现了大孔隙(裂隙)，且小孔隙数量有所增加。

从图4可以看出，在混凝土中掺入橡胶后，内部结构发生变化，随着掺入橡胶粒比例的增加，试样内部孔隙结构变化情况有所差异。混凝土的T2分布谱的面积可以反映内部孔隙的体积的分布特点,T2分布谱中各峰所占比例可以反映小、中或大孔(裂隙)的体积占总孔隙体积比例。不同试样的T2分布谱面积和不同尺寸孔隙所占比例如表2所示。可以看出T2谱面积随着随橡胶含量增加呈现先减后增的趋势，在掺量为20%达到最小值，说明20%掺量下的复合混凝土防渗性能最佳。并且从三种峰的面积比例可以看出第三峰的变化幅度最大，其变化规律与防渗高度有很好的一致性。因此，大孔隙(裂隙)的发育程度是控制混凝土防渗性能最关键的因素。

图4 冻融循环的T2分布曲线Fig.4 T2 distribution curves of freeze-thaw cycles

橡胶粒比例/%谱面积峰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 防渗性能的改变机理

对微观结构扫描和防渗试验结果进行对比分析,发现当橡胶颗粒的掺料在0%～20%范围内,防渗效果随橡胶含量增加而提高；橡胶掺量超过20%后,防渗效果随含量增加而下降。从试验结果可以看出橡胶对材料进行防渗性能改性的效果分为有利和不利两方面。一方面,掺入一定比例的橡胶粒后，材料的大孔隙(裂隙)被填充，有效提高了材料的密实性，从而给防渗性能带来有利影响；另一方面，过多橡胶粒掺入浆料后，骨料与橡胶粒的接触界面占用大量水泥浆,材料流动性大大降低,导致密实性下降,孔隙数量和规模增大，使得混凝土试件的防渗性能出现下降。因此，在进行混凝土材料的性能改良时，外掺料的掺和量是影响改性效果的关键因素。

3 结 论

利用不同粒径和掺量的橡胶对普通混凝土进行改性，并开展混凝土试样的防渗性能测试和核磁共振扫描，得到如下结论。

(1)掺入橡胶粒后，混凝土的防渗性能得到较大改善，橡胶粒径越小，防渗性能的改善效果越好；防渗性能随颗粒含量的增加呈先增后减的趋势。

(2)由核磁共振扫描得到橡胶混凝土T2分布曲线，从不同橡胶掺量下混凝土T2分布曲线中发现孔隙发育程度随橡胶粒含量增加呈现先减后增的趋势。

(3)橡胶掺量为20%时，孔隙发育程度最低，此时渗透高度也达到最小，该现象反映了孔隙结构的改变是防渗性能改善的内在原因。

(4)在水泥砂浆中掺入橡胶进行改性后，混凝土的渗透性能有明显变化。一方面，橡胶可以对材料内大孔隙和裂隙起到填充作用；另一方面橡胶和骨料的接触界面占用大量水泥浆料,降低了材料流动性,导致密实性下降。因此，橡胶的掺量是影响防渗性能改性效果的关键因素。