橡膠微粒混凝土抗介質滲透性能與微觀結構

朱曉斌，洪錦祥，劉加平，萬赟，徐靜

（江蘇博特新材料有限公司，南京 210008）

0 前言

混凝土中常見的介質滲透形式有壓水滲透、氯離子滲透、CO2侵蝕（碳化）以及硫酸鹽侵蝕等。

橡膠微粒混凝土（Crumb Rubber Concrete，簡稱CRC）是一種把橡膠微粒作為水泥混凝土的組成材料配制而成的新型混凝土[1]。孔隙是混凝土的重要組分，也是必然存在的組分。孔隙一方面為混凝土中膠凝材料的繼續水化提供水源和供水通道，為膠凝材料水化產物的生長提供空間，同時也為水、CO2以及一些侵蝕性離子及其載體提供了入侵通道。混凝土的介質滲透性與其孔結構和孔隙率有直接的關系。文獻[2][3]指出，混凝土的滲透性是由其微觀結構決定的，如混凝土的孔隙率、孔徑分布、連續性，以及骨料—基體界面區的礦物組成等。

為研究橡膠微粒混凝土中橡膠微粒對混凝土介質滲透性的影響，本文進行了混凝土的抗滲、抗碳化、抗氯離子滲透以及硫酸鹽侵蝕試驗。

1 試驗材料及配合比

水泥采用中國水泥廠生產的“金寧羊”P·IIR 52.5。細集料為天然河砂，表觀密度2650kg/m3，細度模數為2.6；粗集料為5～20mm連續級配石灰巖碎石，表觀密度為2700kg/m3。減水劑為江蘇博特新材料有限公司生產的JM-PCA，減水率27.3%。消泡劑為天津市凌云志科技有限公司生產的非硅酮礦物油SP202。橡膠微粒由14目與28目兩種膠粒按11∶3混合而成，以無規則形狀為主，有少量長條裝顆粒及少量雜質，表觀密度1050kg/m3。水為普通自來水。

由于橡膠微粒具有引氣的特性，因此采用摻加消泡劑的方法控制混凝土的含氣量在大致相當的范圍內。橡膠微粒混凝土的具體配合比及部分力學性能見表1。

2 橡膠微粒混凝土介質滲透性試驗結果與分析

表1中 5組混凝土標養28d后，分別依據GBJ82-85、JTJ270-98測試了混凝土的抗滲、抗碳化性能，標養56d后按ASTM C1202測試了其抗氯離子滲透性能。另外依據GB/T2420-1981測試了灰砂比為1：2.5，水膠比為0.5，摻加20目橡膠微粒的砂漿的抗硫酸鹽侵蝕性能（膠粒等體積取代部分細集料，摻量分別為0、60、120、180、240kg/m3）。試驗結果見表2、圖1和圖2。

表1 橡膠微粒混凝土配合比及部分力學性能

表2 橡膠微粒混凝土抗滲試驗結果

試驗結果表明，橡膠微粒降低了混凝土的抗滲性，且橡膠的摻量越大，抗滲性越差。摻量小于240kg/m3時，混凝土抗滲等級均大于P12，但滲水高度隨著橡膠微粒摻量的提高逐漸提高；當橡膠摻量達240kg/m3時，混凝土的抗滲性顯著下降，其抗滲等級降至P8。

混凝土試樣28d碳化深度隨著橡膠微粒摻量的增加而增大，可見橡膠微粒能降低混凝土的抗碳化性能，且摻量越大對混凝土抗碳化性能越不利。

混凝土電通量隨著橡膠微粒摻量的增加逐漸增大，可見橡膠微粒能降低混凝土的抗氯離子滲透性能，且摻量越大對混凝土抗氯離子滲透性能越不利。

硫酸鹽侵蝕試驗結果表明：橡膠微粒增大了砂漿試件的抗蝕系數，并且隨著橡膠微粒摻量的增加，抗蝕系數逐漸增大（摻量180kg/m3時較120kg/m3略低）。其原因可能為硫酸鹽溶液通過表面連通孔隙擴散進入試件內部，并與水泥水化產物發生化學反應，生成難溶性物質并產生體積膨脹，填充孔隙，試件表層密實度提高，試件整體強度因而略有提高，從而使橡膠混凝土抗蝕系數增大。隨著難溶性物質的增多，試件表面一些孔徑較細的通道和一些通道的瓶頸處被堵塞，硫酸鹽通過其擴散進入試件的難度增大，因而對于含有大開口和大連通孔隙率的試件而言，硫酸鹽能夠擴散進入的深度也更大，被生成的難溶性物質填充密實的厚度也越大，試件整體強度增加也越明顯，因此抗蝕系數也越大。因此抗蝕系數的逐漸提高說明了試件抗介質擴散能力的逐漸下降，也間接說明了隨著橡膠微粒摻量逐漸增加，混凝土抗介質滲透性能逐漸下降。

3 橡膠微粒劣化混凝土抗介質滲透機理分析

上述試驗結果均表明：橡膠微粒降低了混凝土的抗介質滲透性能，而混凝土的抗介質滲透性能與其孔結構有密切聯系，為論證橡膠微粒改變混凝土孔結構機理，分別采用壓汞法和掃描電鏡對橡膠微粒混凝土進行了孔結構分析與界面形貌分析。

3.1 橡膠混凝土孔結構分析

表1中五組橡膠微粒混凝土壓汞試驗結果見表3，各組混凝土孔結構分布圖見圖3。

表3及圖3的試驗結果表明：混凝土中摻入橡膠微粒后，混凝土總孔隙率略有增加；各組試樣50nm以下的少害孔基本維持在31%～35%之間，按照P. K. Mehta[4]的觀點，50nm的孔數量可能反映凝膠孔數量的多少，而凝膠孔數量越多則混凝土抗滲性越好，該觀點與試驗結果存在差距；10～100nm的過渡孔比例逐漸降低，過渡孔的比例在30%～45%之間，按照M.M杜賓寧[5]的觀點，混凝土的滲透性由連通渠道的最小直徑（10～100nm的微毛細孔）決定，而不是大連通孔和小連通孔的平均直徑，微毛細孔代表物體的滲透性，而這也與試驗結果存在差異；100～1000nm之間的毛細孔比例隨橡膠微粒摻量的增加先增大后減小；1000nm以上的大孔比例逐漸增大，大孔的比例在20%～50%之間，跨度較大，大孔對混凝土強度有重要的影響意義。筆者認為，混凝土的毛細孔（100nm～1000nm）由粗孔、細孔叉分構成，類似于樹干與樹枝。混凝土中的大孔（1000nm以上）與相鄰的毛細孔之間能夠直接相通，或者通過微毛細孔相連通，也可能孤立封閉。介質滲透性是由毛細孔與大孔共同作用決定的：當大孔的比例較高時，大孔與大孔之間直接連通的幾率就會增大，這時，混凝土中滲透通道的曲折性就會降低，大孔成為混凝土中主要的介質滲透通道的可能性增大；相反，當大孔比例較少時，大孔可能因孤立而封閉，也可能與毛細孔或者過渡孔相連通，這時滲透通道的曲折性增加，毛細孔與過渡孔將決定混凝土的介質滲透性。

表3 混凝土壓汞法測試結果

3.2 橡膠混凝土微觀形貌

圖4為橡膠微粒混凝土斷面上橡膠顆粒與水泥基材料之間的界面過渡區水化產物的形貌，其中（b）為（a）中紅色圓圈區域放大倍后的形貌。（a）顯示，橡膠微粒與砂漿之間有一薄層水化產物，且水化產物與砂漿和膠粒之間都存在明顯的分界；（b）顯示橡膠微粒與砂漿之間界面過渡區的水化產物較疏松且不連續，其間存在明顯的斷裂帶，這將為侵蝕性介質侵入混凝土提供通道，這也是橡膠微粒混凝土抗介質滲透性較差的一個原因。

掃描電鏡測得橡膠微粒混凝土中橡膠集料與砂漿的界面過渡區寬度為幾微米至幾十微米之間，屬大孔范疇，而壓汞試驗結果表明大孔比例隨橡膠微粒摻量的增加逐漸增大，且該部分孔所占比例變化最為劇烈，因此筆者認為橡膠微粒混凝土抗介質滲透性能差是橡膠微粒與砂漿基體之間的界面過渡區寬度大、結構疏松造成的。

關于橡膠微粒與砂漿基體的粘結性能差的原因，多數學者認為是由橡膠微粒表面憎水及含有部分有機酸造成的，因此將橡膠微粒應用于水泥基材料的必須對橡膠微粒表面進行改性，此舉可以增加界面間的粘結力，提高橡膠微粒混凝土的服役壽命。

4 結論

（1）混凝土中摻加橡膠微粒后，降低了混凝土的抗介質滲透性能，且摻量越大，抗介質滲透性能越差；

（2）混凝土的介質滲透性是由毛細孔與大孔共同作用決定的：當大孔的比例較高時，大孔與大孔之間直接連通的幾率就會增大，此時混凝土中滲透通道的曲折性就會降低，大孔成為混凝土中主要的介質滲透通道的可能性增大；相反，當大孔比例較少時，大孔可能因孤立而封閉，也可能與毛細孔或者過渡孔相連通，這時滲透通道的曲折性增加，毛細孔與過渡孔將決定混凝土的介質滲透性；

（3）橡膠微粒降低混凝土的抗介質滲透性能的原因是橡膠集料表面憎水及含有部分有機酸使得其與水泥基體間的過渡區寬度大、結構疏松，從而使混凝土大孔比例快速增加。

[1]朱涵.新型彈性混凝土的研究綜述[J].天津建設科技,2004,14(2):35-37.

[2]Steicher P.E, Alexander M.G. A chloride conduction test for concrete.Cement and Concrete Research,1995.25(6).

[3]李淑進,趙鐵軍,吳科如.混凝土滲透性與微觀結構關系的研究[J].混凝土與水泥制品,2004,2:6-8.

[4]P.K.Mehta. Study on Blended Portland Cement Containing Santorin Earth.Cement and Concrete Reseach, 1981,1:575-579.

[5]胡鵬.橡膠集料混凝土滲透性能研究[D]:[碩士學位論文],天津大學,2006.