橡胶混凝土冻融损伤分析

郭 琦，崔胜超，仵 晗

(西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055)

橡胶混凝土是以混凝土为基质，均匀掺入各种非连续橡胶粉或橡胶颗粒而形成的水泥基复合材料，由于其能减少废旧轮胎污染，质量轻，弹性、韧性良好及具有较好的耐久性能[1]，近年来在学界备受关注。抗冻性是混凝土耐久性中最具代表性的研究指标之一[2-3]。我国北方地区，橡胶混凝土结构特别是路用橡胶混凝土受冻融环境影响较大，因此对橡胶混凝土抗冻性能进行研究，找出其冻融循环下的损伤规律，对橡胶混凝土应用意义重大[4]。

国内外学者对橡胶混凝土抗冻耐久性进行了深入研究[5-7]，基本认为橡胶粉在混凝土中起到固体引气剂作用，提高了混凝土耐久性。然而有关橡胶混凝土在冻融环境作用下的损伤分析[8]和量化[9]仍处于初步阶段，制约了橡胶混凝土的发展。

因此，笔者对不同掺量和不同粒径橡胶混凝土开展冻融循环试验，选取质量损失率和以橡胶混凝土动弹性模量为基础的冻融损伤量这两个指标分析得到了冻融循环作用下橡胶混凝土的损伤规律，并给出了相应量化模型。

1 试 验

1.1 原材料及配合比

水泥采用礼泉海螺水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥(42.5 MPa)；水采用普通自来水；细骨料为周至普通河砂，2类中砂，连续级配，堆积密度为1 274.07 kg/m3；粗骨料为陕西泾阳产粒径5～20 mm连续级配花岗岩碎石，堆积密度为1 407.40 kg/m3；为改善混凝土流动性，试验还采用了陕西友邦新材料有限公司生产的DZ-BS聚羧酸高效减水剂；橡胶集料采用某公司生产的橡胶粉，如图1；橡胶粉基本性能如表1。

图1 橡胶粉Fig. 1 Rubber powder

橡胶粒径/mesh颗粒大小/mm含水率/%堆积密度/(kg·m-3)200.83～2.361.7426.40400.38～0.831.9429.63800.18～0.382.0413.79

本试验采用普通混凝土作为基准混凝土，设计强度为C55。基准混凝土配合比见表2。

表2 普通水泥混凝土配合比Table 2 Mix proportion of ordinary concrete (kg·m-3)

试件保持水灰比、粗集料及减水剂用量不变，将橡胶粉等体积替代细骨料(砂)，体积替代率分别为10%、20%、30%，橡胶粉粒径变量为20、40、80目。分组编号如表3。

表3 试件分组编号Table 3 Sequence numbering for test-pieces

1.2 试验方法

本试验依据GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的快冻法[10]利用快速冻融试验机进行冻融循环试验。

本次试验有9组橡胶混凝土和1组普通混凝土共10组，每组3个试件。每个试件的尺寸均为100 mm×100 mm×400 mm。试件成型24 h后，拆模移入温度为(20±2)℃、相对湿度大于95%的标准养护室养护28 d。

在规定龄期的前4 d，将试件放入(20±2)℃的石灰水中浸泡，浸泡结束后取出并用湿布擦干试件表面水分，再分别测定每个试件的质量和动弹性模量作为其初始值，在冻融循环25、50、75、100、125、150次时分别测定每个试件的质量和动弹性模量。

2 试验结果及分析

2.1 质量变化

橡胶混凝土试件质量损失率按式(1)计算[10]：

(1)

式中：Wl为质量损失率；W0为橡胶混凝土试件初始质量；Wn为n次冻融循环后橡胶混凝土试件质量。

所有试件在冻融循环作用下的质量损失率随冻融循环次数的变化如图2。橡胶粉掺量(细骨料体积取代率)为10%、20%、30%的橡胶混凝土在冻融循环作用下质量损失率随冻融循环次数变化分别如图3。

图2 试件质量损失率汇总Fig. 2 Mass loss rate of all test-pieces

图3 橡胶混凝土质量损失率Fig. 3 Mass loss rate of rubber concrete

由图2可知：所有试件质量损失率均随冻融循环次数增加而不断上升；编号为20%-80的试件在冻融初期(0～50次)其质量损失率与普通混凝土差异较小，当冻融循环次数超过50后，其质量损失率增加速度放缓而其质量损失率与普通混凝土相比差异逐渐增大；除编号为20%-80的其它组橡胶混凝土试件，其质量损失率较普通混凝土明显偏小。这说明橡胶混凝土质量损失是一个随冻融循环逐渐累积的过程。在混凝土中掺入橡胶粉，可不同程度地降低冻融循环作用下混凝土质量损失率。

由图3可得：橡胶粉粒径为20目的试件在细骨料体积取代率为10%、20%、30%的掺量下其质量损失率均最小；在低掺量(细骨料体积取代率为10%)时，这3种粒径对应试件质量损失率差异较小，这说明低掺量下橡胶粉粒径对橡胶混凝土质量损失影响不显著；在掺量较大(细骨料体积取代率≥20%)时，橡胶混凝土质量损失率随着所掺橡胶粉粒径的减小而增大，且掺量越高，橡胶粉粒径对橡胶混凝土质量损失率的影响越显著；同时，在掺量为≥20%时，所掺橡胶粉粒径为80目的试件质量损失率增加速度在冻融初期较大，之后趋于平稳，这说明高掺量、小粒径的橡胶粉对橡胶混凝土冻融循环作用下质量损失率影响主要表现于冻融前期。根据此规律可以得出：质量损失率指标下，在掺量为10%～30%、粒径为80～20目范围内，橡胶混凝土的最佳掺量和粒径为30%-20目。

通过对试验数据的分析，可得到不同橡胶粉掺量和粒径下的橡胶混凝土质量损失率与冻融循环次数的关系如式(2)：

(2)

式中：n为冻融循环次数；a、b、k分别为与橡胶混凝土材料、环境因素、边界条件有关系数，可通过试验数据得到。

由式(1)、(2)可得到冻融环境下橡胶混凝土质量与冻融循环次数的函数关系如式(3)：

(3)

本试验拟合结果如表4。

表4 质量函数拟合结果Table 4 Mass function fitting result

2.2 动弹性模量变化

由损伤力学[11]理论可知，橡胶混凝土冻融是一个损伤累积过程，其损伤量可由式(4)表示：

D=1-Er=1-En/E0

(4)

式中：Er为橡胶混凝土相对动弹性模量；E0和En分别为冻融前橡胶混凝土动弹性模量和n次冻融后橡胶混凝土动弹性模量。

根据冻融试验，由式(4)可得每组橡胶混凝土损伤量随冻融循环次数变化情况，其结果如图4。

图4 试件损伤量汇总Fig. 4 Damage of all test-pieces

分析图4可得：所有试件冻融损伤量随着冻融循环次数的增加而不断上升，且是一个逐渐增大的过程；普通混凝土(编号为0%-0)试件的冻融损伤量不同程度高于橡胶混凝土试件。这说明普通混凝土中掺入橡胶粉有助于减小其冻融损伤量，即有助于减小冻融循环对混凝土动弹性模量影响。

图5分别表示所掺橡胶粉粒径为20、40、80目橡胶混凝土在不同掺量下的冻融损伤量；
图6分别表示所掺橡胶粉掺量(细骨料体积取代率)为10%、20%、30%的橡胶混凝土在不同橡胶粉粒径下的冻融损伤量。

图5 橡胶混凝土冻融损伤量Fig. 5 Damage of rubber concrete

图6 橡胶混凝土冻融损伤量Fig. 6 Damage of rubber concrete

分析图5可得：在所掺橡胶粉粒径较大(20、40目)的情况下，橡胶混凝土冻融损伤量随橡胶粉掺量增大而减小；在所掺橡胶粉粒径较小(80目)时，橡胶混凝土试件冻融损伤量大小顺序为：30%-80>10%-80>20%-80。这表明高掺量、小粒径(30%-80)橡胶粉改变了同橡胶粉粒径下橡胶混凝土冻融损伤随橡胶粉掺量增大而减小的规律，即在以冻融损伤量为指标衡量橡胶混凝土的抗冻性能时，并非掺量越高其抗冻性能越好。

由图6可得：在橡胶粉掺量(细骨料体积取代率)为10%、20%时，所掺橡胶粉粒径为40目的橡胶混凝土试件冻融损伤量最大；在橡胶粉掺量为30%时，所掺橡胶粉粒径为80目的橡胶混凝土试件冻融损伤量最大。在所有掺量下，所掺橡胶粉粒径为20目的橡胶混凝土试件冻融损伤量最小。这说明在以动弹性模量为基础的冻融损伤量指标下衡量橡胶混凝土抗冻性能时，虽不是所掺橡胶粉粒径越大其抗冻性能越好，但其最佳粒径为20目。

根据橡胶混凝土冻融损伤量随冻融循环次数的变化规律，可得出此指标下：在掺量为10%～30%、粒径为80～20目范围内，橡胶混凝土最佳掺量和粒径为30%-20目。这与2.1节在质量损失率指标下所得最佳掺量和粒径是相同的。

综合2.1、2.2节可得：在掺量为10%～30%、粒径为80～20目范围内，橡胶粉掺量和粒径为30%-20目橡胶混凝土抗冻性最佳。

3 模型验证

由2.2节所提到的橡胶混凝土冻融损伤可用动弹性模量为基础的损伤量D来表示。为揭示损伤量D与冻融循环次数的量化关系，参考刘崇熙等[12]提出的混凝土冻融损伤指数模型和余红发等[13]提出的单段冻融损伤一元二次方程模型，根据本试验数据进行验证，其模型如下。

指数模型如式(5)：

D=1-α·eλ·n

(5)

式中：α、λ分别为与橡胶混凝土材料、环境因素、边界条件有关的参数。

一元二次方程模型如式(6)：

Er=0.5β·n2+γ·n+1

(6)

式中：β为损伤加速度负值；γ为损伤初速度负值。

由式(4)、(6)可得式(7)：

D=-(0.5β·n2+γ·n)

(7)

拟合结果如表5、6。

表5 一元二次方程模型拟合结果Table 5 Fitting result of quadratic equation model

表6 指数模型拟合结果Table 6 Fitting result of exponential function model

(续表6)

编 号αλR220%-401.004 8-6.061×10-40.97130%-401.002 9-1.931×10-40.91510%-801.009 1-6.426×10-40.93520%-801.000 4-3.308×10-40.98230%-801.005 2-8.941×10-40.984

由拟合结果可知：10组数据指数函数模型R2取值范围为0.915～0.984；一元二次方程模型R2范围为0.942～0.997；两模型均拟合良好。而一元二次方程模型拟合度高于指数函数模型，因此一元二次模型能更好地适用于橡胶混凝土冻融损伤量计算。

4 结 论

1)通过对橡胶混凝土在冻融循环过程中质量损失率分析，得出当橡胶粉掺量不小于20%时，质量损失率与橡胶粉粒径大小成反比；低掺量橡胶粉粒径对质量损失率影响不大。并根据试验结果得到冻融环境下橡胶混凝土质量与冻融循环次数的函数关系表达式，其拟合精度较高。

2)通过对橡胶混凝土冻融损伤量分析，得出相同橡胶粉粒径下，橡胶混凝土冻融损伤与橡胶粉掺量成反比，而高掺量、小粒径(30%-80目)橡胶粉排斥此规律；在冻融损伤量指标下，无论橡胶粉掺量大小，在80～20目粒径范围内最佳为20目。

3)综合橡胶混凝土冻融循环过程中质量损失率的变化规律和冻融损伤量的变化规律，得出橡胶混凝土在这两个指标下均优于普通混凝土；提出在掺量为10%～30%、粒径为80～20目范围内，橡胶混凝土基于抗冻性的最佳掺量和粒径为30%-20目，为橡胶混凝土抗冻性能进一步研究及橡胶混凝土应用奠定基础。

4)比对橡胶混凝土冻融损伤量指数模型和一元二次方程模型，得出一元二次模型能更好地反映橡胶混凝土冻融损伤量随冻融循环次数变化，为今后橡胶混凝土冻融损伤的量化分析提供参考。

参考文献(References)：

[1] 杨春峰，叶文超，杨敏.废旧橡胶混凝土的耐久性研究进展[J].混凝土，2012(4)：61-63.

YANG Chunfeng,YE Wenchao, YANG Min, et al. Research progress on durability of waste rubber concrete[J].Concrete, 2012(4):61-63.

[2] 牛荻涛.混凝土结构耐久性与寿命预测[M].北京：科学出版社，2003.

NIU Ditao.DurabilityandLifeForecastofReinforcedConcreteStructure[M]. Beijing: Science Press,2003.

[3] 张艳聪，韩丽君，高玲玲.高频振动对引气混凝土引气参数和抗冻能力的影响[J].重庆交通大学学报(自然科学版)，2013，32(3)：410-414.

ZHANG Yancong, HAN Lijun, GAO Lingling.Effect of high frequency vibration on air-entraining parameters and freezing resistance of the air entrained concrete[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience),2013,32(3):410-414.

[4] 张辉，潘友强，张健，等.水泥混凝土抗盐冻性能影响因素研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版)，2013，32(4)：597-600.

ZHANG Hui, PAN Youqiang, ZHANG Jian,et al.Influence factors of frost-salt resistance of cement concrete[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience),2013,32(4):597-600.

[5] PAINE K A,DHIR R K,MORONEY R, et al. Use of crumb rubber to achieve freeze/thaw resisting concrete[J].ResearchinImmunology,2002, 143(1): 107-115.

[6] 李光宇.橡胶粉混凝土抗冻性能试验研究[J].混凝土，2008(4)：60-62.

LI Guangyu. Experimental study on frost-resistance properties of powered rubber concrete[J].Concrete, 2008(4):60-62.

[7] 徐金花，冯夏庭，陈四利.橡胶集料对混凝土抗冻性的影响[J].东北大学学报(自然科学版)，2012，33(6)：895-898.

XU Jinhua,FENG Xiating, CHEN Sili, et al. Effect of rubber aggregate on frost resistance of concrete[J].JournalofNortheasternUniversity(NaturalScience),2012, 33(6):895-898.

[8] 季卫娟.改性橡胶混凝土的抗冻性能研究[D].郑州：郑州大学，2015：33-38.

JI Weijuan.StudyonFrostResistanceofModifiedRubberConcrete[D].Zhengzhou:Zhenzhou University, 2015:33-38.

[9] 汪振双，苏昊林.冻融条件下再生橡胶混凝土损伤演变与强度相关性研究[J].硅酸盐通报，2016，35(12)：4286-4291.

WANG Zhenshuang, SU Haolin. Correlation between recycled rubber concrete strength and damage evolution in freeze thaw cycles[J].BulletinofTheChineseCeramicSociety,2016,35(12):4286-4291.

[10] 中国建筑科学研究院.普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准：GB/T 50082—2009[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.

China Academy of Building Research.StandardforTestMethodsofLong-termPerformanceandDurabilityofOrdinaryConcrete:GB/T50082—2009[S].Beijing: China Building Industry Press,2009.

[11] 余寿文，冯西桥.损伤力学[M].北京：清华大学出版社，1997.

YU Shouwen,FENG Xiqiao.DamageMechanics[M]. Beijing:Tsinghua University Press,1997.

[12] 刘崇熙，汪在芹.坝工混凝土耐久寿命的衰变规律[J].长江科学院院报，2000，17(2)：18-22.

LIU Congxi,WANG Zaiqin. On decay rules of durable life of dam concrete[J].JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstitute, 2000,17(2):18-22.

[13] 余红发，孙伟，金祖权，等.土木工程结构混凝土寿命预测的损伤演化方程[J].东南大学学报(自然科学版)，2006，36(增刊2)：216-220.

YU Hongfa,SUN Wei, JIN Zuquan, et al. Damage evolution equation for service life prediction of concrete structures in key civil engineering[J].JournalofSoutheastUniversity(NaturalScienceEdition),2006,36(Sup2):216-220.