橡胶粉掺量和粒径对橡胶混凝土抗冻性能的试验

闻 洋,贺希茂,崔 浩,宋文学

(1.内蒙古科技大学土木工程学院,内蒙古 包头 014010;2.包头市公路工程股份有限公司,内蒙古 包头 014010)

废旧橡胶在自然环境下很难降解,将废旧橡胶用于制备橡胶混凝土是一种有效的处理方法。橡胶混凝土与普通混凝土相比,具有质量轻、韧性好、延性好、抗冻性好、降噪隔音、耐磨减震好等优点而被广泛应用到道路工程领域[1-4]。目前国内外的研究多聚焦在掺加橡胶粉后混凝土耐久性诸如冻融、渗透、硫酸盐侵蚀、碳化、碱骨料反应等的单一因素研究。张立群等[5]研究了橡胶混凝土抗渗性能,橡胶掺量在12%以下时能有效改善混凝土的抗氯离子渗透性能。王开惠等[6]研究了橡胶混凝土抗盐侵蚀性能,无论水灰比还是强度等级相同,橡胶混凝土抗盐侵蚀能力均随橡胶掺量的增加而增大。葛文慧[7]使用橡胶等体积取代了5%的砂子混凝土抗冻性能最好。我国北方土壤中富含硫酸盐,在硫酸盐和冻融耦合条件下,对混凝土的破坏较单一条件更加严重,目前对掺加精加工的细胶粉凝土耦合作用下的耐久性能研究较少。基于此,笔者研究掺加不同粒径、不同掺量细胶粉混凝土在硫酸盐侵蚀及冻融循环耦合作用下抗冻性能的变化,并结合扫描电镜(SEM)对内部水化产物进行分析,为橡胶混凝土在北方地区应用提供可靠依据。

1 试 验

1.1 试验材料和配合比

水泥选用包头蒙西厂出产的普通硅酸盐P·O 42.5水泥,其性能指标如表1所示。细骨料采用普通天然河砂,其细度模数为2.80,粗骨料采用粒径在5～25 mm连续级配均匀的碎石,压碎值3.54%。橡胶选用0.425 mm、0.18 mm、0.125 mm粒径橡胶粉,各粒径橡胶粉的表观密度为1 170 kg/m3,橡胶粉颗粒均匀。

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为普通混凝土,RC为橡胶混凝土。

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

基准混凝土设计强度等级为C40,将0.425 mm、0.18 mm、0.125 mm粒径的橡胶分别以10、20、30 kg/m3等质量方式取代细骨料,橡胶粉的掺入会对混凝土工作性能产生不利影响,因此在橡胶混凝土的配制过程中需根据实际情况适量增加减水剂,减水剂用量为水泥的0.8%。

1.2 试验方法及设备

试验浇筑长宽高为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件,将成型后的试件标准养护24 d后放入质量分数为5%的Na2SO4溶液中, 浸泡4 d后取出测量初始质量和初始动弹性模量。将测量好的试件继续放入装有5% Na2SO4溶液的橡胶桶内,并依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082—2009)进行快速冻融循环试验。每隔25次冻融循环后将试件取出,测试试件的相对质量损失和动弹性模量。切取橡胶混凝土与集料交界的部分,通过扫描电镜(SEM)观察界面及侵蚀产物情况,分析研究其微观形貌对抗冻性能的影响,从微观上解释橡胶粉提高混凝土抗冻性能的作用机理。

2 结果与分析

2.1 抗压强度试验结果及分析

橡胶混凝土强度变化曲线如图1所示。橡胶混凝土在受压时,首先在试件边缘出现竖向裂缝,随着加载至极限荷载,边缘形成多条细小裂缝,破坏模式呈明显的塑性破坏,且橡胶集料掺量的越多,混凝土产生塑性变形幅度越大。随着橡胶掺量的增加,抗压强度随之下降,掺量为30 kg/m3时,0.425 mm、0.18 mm、0.125 mm粒径的抗压强度分别为34.65 MPa、31.48 MPa、 29.39 MPa,分别下降为基准试件的82.3%、74.7%、69.8%。

图1 橡胶掺量对混凝土抗压强度的影响Fig.1 Influence of rubber content on compressive strength of concrete

2.2 冻融循环试验结果及分析

橡胶混凝土冻融循环后质量损失率变化如图2所示。

图2 橡胶混凝土冻融循环后质量损失率Fig.2 Mass loss rate of rubber concrete after freeze-thaw cycles

橡胶混凝土在硫酸钠溶液中冻融循环作用下的相对动弹性模量变化规律如图3所示。从图可知,各试件的相对动弹性模量均是随着冻融循环次数的增加而不断减小,且变化呈现快速下降、缓慢下降、迅速下降3个阶段。对普通混凝土而言,橡胶粉的加入明显改善了其抗冻融循环的性能,冻融循环次数由150次增加到250次,单冻融循环次数就提升了67%,且动弹性模量的下降率从28%变化到2.8%。掺加0.18 mm的橡胶混凝土相对动弹性模量下降速度较掺0.425 mm、0.125 mm的混凝土缓慢,抗冻性能更佳,因为普通混凝土孔隙内部被浸入了硫酸镁溶液,形成结晶压和结冰压[9-14]而冻胀破坏,而橡胶混凝土中由于冻胀作用而产生的孔隙被水化产物与硫酸盐反应生成的钙矾石以及橡胶颗粒填充,且这些孔隙在冻融循环后期会被生成的小部分石膏会进一步填充,阻止其内部裂纹的生成、延升和贯通,提高其抗冻性能,而0.18 mm橡胶粒径相对较大,因此动弹性模量的变化趋于平稳,较0.425 mm、0.125 mm抗冻性能更佳。

图3 橡胶混凝土冻融循环后相对动弹性模量变化率Fig.3 Change rate of relative dynamic elastic modulus of rubber concrete after freeze-thaw cycle

2.3 压汞试验结果及分析

表3为掺0.18 mm橡胶粉的混凝土300次冻融循环试验后压汞测试结果。

表3 橡胶混凝土300次冻融循环试验后压汞测试结果Table 3 Mercury intrusion test results of rubber concrete after 300 freeze-thaw cycle tests

吴中伟[14]根据孔径大小将混凝土内部孔隙分为:孔隙<20 nm为无害孔、孔隙=20～50 nm为少害孔、孔隙=50～200 nm为有害孔、孔隙>200 nm为多害孔4类孔隙。从表3可知,掺入橡胶粉后最可几孔径的大体趋势是向大孔发展。图4为掺0.18 mm橡胶粉的混凝土孔隙特征。从图中可以看出,曲线呈现整体右移的趋势,孔隙率不断增大,混凝土内部的损伤逐渐加剧,同时可以看出橡胶混凝土曲线一直处于普通混凝土的下侧,随着普通混凝土的大孔径孔隙数量不断增加,抗冻性能也逐渐劣于橡胶混凝土。

图4 橡胶混凝土孔隙特征Fig.4 Pore characteristics of rubber concrete

根据混凝土内部孔隙4类孔隙,由压汞试验结果可知,冻融循环试验前RC-20-80组橡胶混凝土中无害及少害孔所占比例为59.1%,相比普通混凝土C-J的49.33高了9.77%;冻融循环后,300-RC-20-80橡胶混凝土有害及多害孔所占比例为37.97%,相比普通混凝土冻融循环300次后的有害及多害孔少14.27%。由此可见，加入适量的橡胶粉可以提高混凝土内部小孔所占的比例,提高混凝土的密实度,有害离子及水分进入混凝土内部变得更加困难,相应的冻胀力减少,因此橡胶混凝土的抗冻能力优于普通混凝土。

2.4 扫描电镜试验结果及分析

图5 冻融循环后橡胶混凝土微观形貌Fig.5 Microscopic morphology of rubber concrete after freeze-thaw cycles

3 结 论

(1)适当橡胶粉的掺入可减缓混凝土试件的质量损失,随橡胶掺量的增加,混凝土盐冻循环后的质量损失越大,随橡胶粒径的减小质量损失也越严重。硫酸盐对冻融循环既有促进作用又有抑制作用,因此试件质量出现先上升后下降。

(2)掺入过细的橡胶粉对混凝土的抗冻性能不利,盐冻循环后的混凝土相对动弹性模量呈现先下降,而后平稳,最后又下降的趋势。

(3)橡胶混凝土在硫酸盐溶液中冻融循环后生成针状钙矾石晶体,填充于混凝土内部产生的微裂缝,橡胶有助于降低混凝土的孔隙率、提高其对有害离子及水的渗透能力。

(4)RC-20-80橡胶混凝土有害及多害孔所占比例为37.97%,相比普通混凝土冻融循环300次后的有害及多害孔少约14.27%,橡胶混凝土内部结构更加密实,橡胶混凝土的抗冻能力优于普通混凝土。橡胶掺量为20 kg/m3、粒径为0.18 mm时,混凝土的抗冻性能最优。