橡胶混凝土抗冻性能与抗氯离子渗透性能的试验

杨春峰, 储超群, 张 坤

(1. 沈阳大学 a. 建筑工程学院, b. 辽宁省环境岩土工程重点实验室, 辽宁 沈阳 110044;2. 河南省平原监狱 十监区, 河南 新乡 453000)

橡胶混凝土是工程新材料研究的热点问题之一,其不但解决了废旧橡胶的无污染消化处理,且与普通混凝土相比具有质量轻、抗冲击性好、抗冻性能好等优点[1].随着对各类橡胶混凝土性能的深入研究,普通强度橡胶混凝土的力学性能和耐久性能已经较为明确,但针对高强度橡胶混凝土材料的研究还较为少见.对于工程结构来说,其耐久性能设计得到了越来越多的重视,因此,开展高强度橡胶混凝土耐久性能研究具有一定的科学价值和工程实用意义.

本文以试验研究为主要手段,探索了不同强度等级混凝土和不同橡胶颗粒等体积取代砂对耐久性能的影响,相关数据可以供类似研究参考,相关结论可以为橡胶混凝土耐久性设计提供借鉴.

1 配合比设计及试验方法

1.1 配合比设计

试验原材料:采用425#的普通硅酸盐水泥;粗、细骨料采用河砂和花岗岩碎石,骨料级配和质量均符合相关规范要求;为达到高强度混凝土的配置要求,配合比设计过程中掺入粉煤灰和超细硅灰,硅灰的粒径为0.1～0.3 μm,二氧化硅的质量分数在96%以上;橡胶颗粒由废旧汽车轮胎制备,颗粒粒径为60～80目(177～250 μm),表观密度为890 kg·m-3;采用UNF-1型萘系高效减水剂,减水率为18%左右.

试验配合比设计借鉴密实混凝土配合比的设计方法,通过“全计算法”计算得出各材料掺量.各组混凝土的强度等级分别为C50、C60、C70,采用橡胶颗粒等体积取代砂的方式,取代的体积分数分别为4%、8%、12%、16%,配合比具体数值见表1,表中试件编号的最后数字代表橡胶颗粒取代砂的体积分数.

表1 橡胶混凝土配合比Table 1 Mix ratio of rubber concrete

1.2 试验方法

试验试件的制备和养护均依据相关设计及试验规程进行.抗冻性能测试采用快速冻融循环试验,抗氯离子渗透性能采用电通量测试试验,相关试验的步骤和方法按规范进行.

2 抗冻性能试验结果及分析

2.1 试验数据采集

混凝土在经历冻融循环后,其内部的裂缝的开展情况可以通过相对动弹性模量来表示.混凝土强度的降低是由于混凝土内部微裂缝不断发展,从而表现为相对动弹性模量的下降,根据快速冻融试验的要求,一般可以通过相对动弹性模量反映混凝土抗冻性能[2].

2.2 试验分析

2.2.1 C50组试验结果分析

根据试验数据,绘制C50组不同体积分数下相对动弹性模量和冻融次数的相对关系,对比结果如图1所示.由图1可知,随着冻融循环次数增加,各种组混凝土试块的相对动弹性模量均下降,但掺入橡胶颗粒的试件较未掺入橡胶颗粒的试件抗冻性能更好.冻融100次时,各组抗冻性能下降幅度相当;冻融200次时,各组差异增大,不掺橡胶颗粒的试件相对动弹性模量最小,体积分数为8%的试件相对动弹性模量最大,说明橡胶颗粒的掺入对抗冻性能有影响.随着冻融次数增多,C50组不同体积分数试件变化规律不变,表现最好的为体积分数8%的试件,冻融400次时,其相对动弹性模量下降幅度超过20%.

图1 C50组冻融循环后相对动弹性模量变化曲线Fig.1 Change curve of relative dynamic elastic modulus after freeze-thaw cycles in C50 group

2.2.2 C60组试验结果分析

根据试验数据,绘制C60组不同体积分数情况下相对动弹性模量和冻融次数的相对关系,对比结果如图2所示.由图2可知,随着冻融次数增加,各组混凝土试块的动弹性模量均下降,且各组掺入橡胶颗粒的试件抗冻性能均低于未掺加橡胶颗粒的试件.冻融100次时,除体积分数为4%的试件抗冻性能下降超过5%外,其他各组下降幅度相当;冻融200次时,各组试件的相对动弹性模量变化规律不变,仅是相差幅度拉大;冻融300次时,除体积分数为4%的试件相对动弹性模量下降超过20%外,其他各组试件的数据仍符合要求,当冻融达到350次时,各组相对动弹性模量下降幅度均超过20%.

图2 C60组冻融循环后相对动弹性模量变化曲线Fig.2 Change curve of relative dynamic elastic modulus after freeze-thaw cycles in C60 group

2.2.3 C70组试验结果分析

根据试验数据,绘制C70组不同体积分数情况下相对动弹性模量和冻融次数的相对关系,对比结果如图3所示.由图3可知,随着冻融次数增加,各组混凝土试块的动弹性模量均下降,且各组掺入橡胶颗粒的试件抗冻性能均低于未掺加橡胶颗粒的试件.冻融100次时,体积分数为4%和8%的试件抗冻性下降超过5%,其他各组与基准组混凝土相当;冻融200次时,各组试件的相对动弹性模量变化规律不变,仅是相差幅度拉大;冻融300次时,体积分数为4%、8%和12%的各组试件的相对动弹性模量下降均超过20%;当冻融达到350次时,各组橡胶混凝土试件的相对动弹性模量下降幅度均超过20%.

图3 C70组冻融循环后相对动弹性模量变化曲线Fig.3 Change curve of relative dynamic elastic modulus after freeze-thaw cycles in C70 group

徐金花等[3]指出,将橡胶粉掺入普通混凝土中能提升混凝土的抗冻性能.张坤[4]试验研究表明,向普通混凝土中掺入适当掺量的橡胶颗粒将有助于提高混凝土的抗冻性能.崔翰博等[5]提出,存在最佳掺入橡胶粒径,使得普通混凝土的抗冻融循环破坏能力达到最优.王海进[6]通过试验指出,在普通混凝土中掺入橡胶颗粒,能有效提升混凝土的抗冻性能,且水灰比越小、强度越大的普通混凝土,其抗冻性能越好.根据以上的试验结果和分析可知,仅C50组的橡胶混凝土抗冻性能优于普通混凝土,当混凝土强度等级为C60和C70时,橡胶颗粒的掺入会导致混凝土抗冻性能下降.这与普通强度橡胶混凝土试验得出的“随橡胶颗粒掺入,混凝土抗冻性能提升[7]”的结论相悖.可见,高强度橡胶混凝土的冻融性能有其特殊性.

2.3 机理分析

根据现有的混凝土冻融性能理论和相关试验分析,橡胶颗粒的掺入对普通强度混凝土和高强度混凝土抗冻性能影响规律的不同是由混凝土的内部结构决定的[4].徐金花等[8]通过研究表明,橡胶作为一种有机弹性体,在混凝土内部起到了类似于“缓冲阀”的作用,在冻融作用下,减缓了混凝土内应力的产生,同时抑制了混凝土内微裂缝的开展,提升了混凝土的抗冻性.对于普通强度混凝土,水胶比较大导致用水较多,硬化后的水泥石中存在大量的毛细孔,这些毛细孔是导致混凝土抗冻性能较差的原因.杨林虎[9]通过研究发现,随着橡胶颗粒的掺入,由于橡胶的憎水性质,在混凝土拌合过程中引入大量空气,起到了类似于“引气剂”的作用,导致混凝土含气量增大,硬化后的混凝土孔隙率显著提高,可以缓解冻融产生的膨胀压力,使混凝土获得更好的抗冻性能.同时,适量橡胶颗粒的掺入改善了混凝土的内部孔结构,使混凝土内形成了大量封闭孔,抑制了毛细孔的发展,对混凝土的抗冻性能有积极的作用[10].对于高强度混凝土来说,其水胶比较小,且因硅灰等超细材料的掺入,使混凝土更加密实,在冻融试验的饱水过程中,毛细孔的数量少,使得吸水较少,冻融产生的压力本身就不大,此时橡胶颗粒的掺入虽然起到了缓解压力的作用,但因橡胶颗粒与水泥石之间存在的薄弱面减小了混凝土的强度,且这种强度削弱作用大于缓解压力作用,因此导致高强度混凝土掺入橡胶颗粒后抗冻性能下降.

3 抗氯离子渗透性能试验结果及分析

3.1 试验数据采集

因为高强度混凝土与普通混凝土相比具有低水胶比、高密实度等材料特性,使其具有很低的渗透性,使用测量普通混凝土抗渗性的方法并不可行[4].通过胡萍[2]的研究总结可知,高强度混凝土的耐久性可以通过测量抗氯离子的渗透性来评价.抗氯离子渗透试验采用测试电通量的方法进行,根据电通量的大小确定其抗氯离子性能.

3.2 试验分析

通过试验,对试验数据的采集和汇总后,绘制不同强度等级和不同橡胶颗粒取代砂的体积分数与电通量测试值的关系曲线如图4所示.由图4可知,不同强度等级试块中未掺入橡胶颗粒的试件6 h电通量均在1 000 C以下,符合相关标准要求.强度等级高的组别抗氯离子渗透性能明显好于强度等级低的组别.掺入橡胶颗粒的试件中,各组试件的电通量均随着橡胶颗粒取代砂体积分数的变化呈现出先减小再增大的趋势,且各组的最小电通量值对应的体积分数均为8%,C50、C60、C70各组的最小电通量分别比未掺入橡胶颗粒组的下降34.8%、26.8%和22.1%,且C60和C70组当中,体积分数为4%和12%的情况下也取得了较好的效果.可见,橡胶颗粒的掺入能够降低混凝土的电通量,使其获得比同强度普通混凝土更好的抗氯离子渗透性能.根据实验可知,最佳体积分数在8%左右.

图4 不同强度等级和不同橡胶颗粒取代砂的体积分数与电通量测试值的关系曲线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 机理分析

由于橡胶颗粒料掺入起到了一定的隔绝作用,橡胶混凝土的抗氯离子渗透性能优于普通混凝土,使得氯离子不易渗透[11].虽然橡胶颗粒与水泥石存在的薄弱结合面有可能导致电通量增大,但在橡胶颗粒取代砂的体积分数较小的情况下,橡胶颗粒的正面作用明显大于负面作用,这就是橡胶颗粒掺入改善抗氯离子渗透性能的原因.混凝土的强度越高,抗氯离子渗透能力越强的原因主要是高强度混凝土的密实度明显好于普通混凝土[4],但当橡胶颗粒取代砂的体积分数较大时,橡胶颗粒带来的负面作用增加,混凝土的透水性能提升[12],导致混凝土抗氯离子能力下降.

4 结 论

1) 对于强度等级为C60、C70的高强度混凝土,橡胶颗粒掺入导致了混凝土抗冻性能下降,其原因在于橡胶颗粒与水泥石之间的薄弱面增加了冻胀的可能,橡胶颗粒的缓解压力作用没有普通强度混凝土明显.

2) 橡胶颗粒的掺入改善了橡胶混凝土的抗氯离子渗透性能,且在橡胶颗粒体积分数在8%左右效果最佳.