摻纖維橡膠混凝土抗凍性能研究

楊晨晨，白 英，田曉宇，張金龍

(內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018)

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摻纖維橡膠混凝土抗凍性能研究

楊晨晨，白 英，田曉宇，張金龍

(內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018)

通過測定10組100 mm×100 mm×400 mm混凝土試件能夠經受的快速凍融循環次數，研究了橡膠粒和玄武巖纖維摻量變化對纖維橡膠混凝土抗凍性的影響規律，分析了纖維橡膠混凝土凍融破壞的損傷機理。研究結果表明：橡膠和纖維摻入混凝土能有效降低混凝土受凍融循環而發生的損傷劣化程度，明顯提高混凝土的抗凍融循環性能。而且隨著橡膠粒、纖維摻量的增加，混凝土相對動彈模量下降趨勢越平緩，在本試驗橡膠粒、纖維摻量范圍內，橡膠粒摻量為60 kg/m3，纖維摻量為2.5 kg/m3時，混凝土抗凍融循環性能最佳，較基準混凝土提高150次。

橡膠粒混凝土； 玄武巖纖維； 凍融循環； 相對動彈模量

1 引 言

對于我國北方地區的混凝土結構，抗凍性是影響其耐久性能的主要因素。在凍融環境作用下，水分子受凍膨脹，在混凝土內部產生不均勻凍脹擠壓作用，極大地破壞了混凝土的結構穩定性，對混凝土結構的長期使用產生巨大影響[1,2]。如何改善混凝土耐久使用性能一直是研究人員不斷探索追尋的問題，到目前，通過摻加橡膠粒、玄武巖纖維到混凝土中，以改良普通混凝土力學、抗凍性能的研究已成為改善混凝土耐久性能的研究熱點[3-6]，但對混摻橡膠粒、玄武巖纖維的混凝土耐久性研究還較少[6-9]。

本試驗以普通混凝土，不同纖維摻量、橡膠粒摻量混摻的纖維橡膠混凝土為研究對象，采用快凍法對10組30個試件進行了凍融循環試驗，對比分析纖維摻量、橡膠粒摻量變化對混凝土抗凍性能的影響規律，為纖維橡膠混凝土耐久性研究提供理論依據。

2 試 驗

2.1 試驗原材料

水泥：P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥；細骨料：中砂，細度模數2.6，含泥量1.5%，堆積密度1460 kg/m3，表觀密度2675 kg/m3，級配良好；粗骨料：粒徑5～20 mm連續級配的碎石，表觀密度2690 kg/m3，含水率0.19%;外加劑：SA-3型高效減水劑；水：飲用自來水；橡膠粒：由廢舊汽車輪胎生產的2 mm橡膠粒；短切玄武巖纖維，主要性能見表1。

表1 玄武巖纖維主要性能Tab.1 Main properties of basalt fiber

2.2 試驗配合比

本試驗以設計強度等級為C30的普通混凝土為基準混凝土，通過試配、調整，確定基準混凝土的配合比為W∶C∶S∶G=160∶360∶650∶1200，水灰比：0.44，砂率：35%。對比試驗組是在保持基準混凝土中水泥、骨料、外加劑、水灰比不變情況下，摻入不同質量的橡膠粒、玄武巖纖維，成型的玄武巖纖維橡膠混凝土。AXY表示每組試件的橡膠粒、玄武巖纖維摻量變化，其中A1Y、A2Y、A3Y表示橡膠粒摻量分別為36 kg/m3、48 kg/m3、60 kg/m3；AX1、AX2、AX3表示玄武巖纖維摻量為1.5 kg/m3、2.0 kg/m3、2.5 kg/m3。

2.3 試驗方法

試驗共計10組，30個試塊，按照國家標準“普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準”(GB/T50082-2009)中要求的快凍法進行各組混凝土的抗凍性試驗。每進行25次凍融循環，檢查各組試件的外部損傷并且測取其質量和相對動彈模量，當各組試驗中出現下列情況之一時，即停止試驗：(1)達到300次凍融循環次數；(2)試件的相對動彈模量下降到60%；(3)試件的質量損失率達到5%。

3 結果與討論

3.1 凍融循環對混凝土試塊表面形態影響

試驗開始前，觀察各組試件表面形態：基準混凝土表面光滑密實；摻入橡膠粒的混凝土表面則有部分細小凹坑，且摻量越大，凹坑現象越嚴重；對比同橡膠粒摻量的混凝土，纖維摻量的變化對混凝土的表面凹坑現象影響不明顯。50次凍融循環后，基準混凝土表面水泥漿體脫落，少量粗骨料外露，其余混凝土試件表面狀況良好。150次凍融循環后，基準混凝土表面漿體剝蝕嚴重，大量粗骨料外露，部分脫落；其余試件表層出現水泥漿體剝落現象，可以看到黑色的橡膠顆粒和粗骨料；對比各組試件可以看出，橡膠粒摻量越少，相同凍融循環次數下表面剝落越明顯；對比同橡膠粒摻量的混凝土，纖維摻量大的混凝土表層情況好于纖維摻量小的。從混凝土表面形態的變化可以看出，適量橡膠粒和纖維的摻入，可以提高混凝土的抗凍性能。

3.2 凍融循環對混凝土試件質量的影響

表2 凍融循環后各組試件質量損失率Tab.2 Mass loss rate after freeze-thaw circulations

續表

各組混凝土的凍融循環質量損失率見表2。由表2可知，基準混凝土和摻纖維橡膠混凝土試件在凍融循環過程中的質量均呈現出下降-上升-下降的趨勢。這是由于混凝土試件表面水化物受凍融循環影響而發生開裂、脫落最終導致其質量有所降低；隨著凍融循環次數的增加，表面裂隙擴張、連通而形成裂縫，同時裂縫由于應力作用進一步擴張伸入試件內部，導致內部空隙增加，試件吸附了較多自由水而表現出試件表層混凝土繼續脫落而質量增大現象；繼續凍融下，試件由于內部凍脹破壞導致混凝土質量脫落大于試件內部吸附水而呈現降低趨勢。分析相同纖維摻量下的混凝土可以看出，相同凍融循環次數下，摻加橡膠粒的混凝土質量損失較基準混凝土有所降低，隨著橡膠粒摻量的增加其質量損失降低更明顯。對比橡膠粒摻量相同下的混凝土也可以看出摻入纖維能提高混凝土的抗凍融破壞性能，且隨著纖維摻量增加其抗凍融破壞性能亦呈現提高趨勢。因此，混凝土中摻入纖維和橡膠粒能增強混凝土的抗凍融破壞性能，且試件的質量損失率隨橡膠粒摻量的增加而表現降低趨勢。

3.3 凍融循環對混凝土試塊相對動彈模量的影響

圖1 不同摻量橡膠粒、纖維對混凝土相對動彈模量的影響(a)纖維摻量1.5 kg/m3;(b)纖維摻量2 kg/m3;(c)纖維摻量2.5 kg/m3;(d)膠粒摻量36 kg/m3;(e)膠粒摻量48 kg/m3;(f)膠粒摻量60 kg/m3Fig.1 Effect of dosage on the dynamic elastic modulus of rubber power and fiber concrete

纖維橡膠混凝土不同凍融循環的相對動彈模量見圖1，由圖1可以看出，隨著凍融次數的增加，基準混凝土和摻纖維橡膠混凝土的相對動彈模量總體上呈現降低趨勢，且開始階段各組動彈模量曲線下降趨勢較為平緩，當動彈模量降到75%以下時，相對動彈模量曲線下降趨勢急劇增大，其原因主要是達到一定凍融循環后，混凝土試件內部孔隙量增加、增大，更多水分子進入內部參與凍脹破壞，加速了混凝土的凍融損傷。相對基準混凝土而言，橡膠粒和纖維的摻入，明顯提高了混凝土抗凍融循環的能力，當凍融循環次數小于50時，基準混凝土和摻纖維橡膠混凝土的相對動彈模量損失較為接近，但隨著凍融次數的增加，基準混凝土的相對動彈模量急劇下降，當達到150次凍融循環時，基準混凝土即被凍壞，而摻纖維橡膠混凝土凍融循環達到200次后才有試件出現凍壞現象。

纖維摻量一定時，橡膠粒的摻入，明顯減緩了纖維混凝土相對動彈模量降低率，改善了纖維橡膠混凝土的抗凍性能，且橡膠粒摻量增加至60 kg/m3時，纖維橡膠混凝土的相對動彈模量下降最慢。

橡膠粒摻量一定時，摻入纖維能改善纖維橡膠混凝土的抗凍性能，纖維摻量的增加能提高纖維橡膠混凝土的抗凍性能，但提高不明顯。

3.4 纖維橡膠混凝土凍融損傷機理分析

已有研究表明，凍融循環破壞是混凝土自身凍融循環過程中發生的物理變化過程[10,11]。混凝土在澆搗成型硬化過程中，由于水灰比、施工工藝、養護環境等因素，會形成毛細裂隙和裂縫等薄弱部位。在凍融循環過程中，混凝土內部水分發生低溫凍結膨脹而在薄弱部位產生應力集中，使得薄弱部位繼續擴張；再者，水泥水化物與骨料的粘結部位較薄弱，在反復凍融作用下將破壞結合面而形成新的裂隙。

纖維橡膠混凝土是“氣泡”緩沖卸壓和“微加筋”阻裂作用的結合，從而抵抗凍融循環損傷能力較普通混凝土提高明顯。

混凝土中摻入橡膠粒，能夠在混凝土內部引入更多均勻分布的密閉凝膠孔，減少了普通混凝土在水化反應中產生的毛細孔數量，提高了混凝土的密實度、阻礙了水分的滲入[12]；由于橡膠粒是彈性體，在混凝土內部受膨脹壓力過程中可以消耗部分內應力，緩解對混凝土水化產物的破壞，緩減裂隙的擴張，提高混凝土的抗凍融循環次數。

摻入均勻分布的玄武巖纖維，在混凝土內部形成網狀“微加筋”，有效抑制了混凝土早期凝結硬化過程中微裂縫產生和擴展，緩減了水分進入混凝土內部的滲水通道的出現，減少了水分的滲入[13]；由于玄武巖纖維和混凝土的天然相容性，在混凝土基體內部受到較大膨脹壓力時，纖維可以抵抗較多壓力，減少凍融循環破壞引起的裂縫的增長速度。

3.5 凍融循環損傷模型

由材料損傷理論可知[14]，混凝土結構損傷度有如下定義：

(1)

上式中，Et，E0分別表示為混凝土經過t次凍融循環和未進行凍融循環測得的相對動彈模量。為了探究纖維橡膠混凝土相對動彈模量與凍融循環次數的具體函數關系，參照已有研究的混凝土凍融循環損傷方程[15,16]，設

yit=fi(t)+εiti,i=1,...,10;t=0,...,300

(2)

其中，fi(t)是主項值，εit是小周期與隨機誤差項。由于事先不知道fi(t)的形式，故假定函數為：

yit=b0i+b1it+b2it2+b3it3+b4it-1+b5it-2+b6it-2+b7it1/2+b8it-1/2+b9iet+b10iInt+εi，i=1,...,10

(3)

以橡膠粒摻量為60 kg/m3、纖維摻量分別為1.5 kg/m3、2.0 kg/m3、2.5 kg/m3為例,通過Origin9.1對三組試件凍融后的損傷度的數據進行擬合，發現試件隨凍融循環次數增加損傷度的變化均遵循線性函數規律變化，而且相關系數R2達到0.9918，擬合見表3。因此，在本試驗橡膠粒、纖維摻量范圍內，混凝土損傷度變化和凍融循環次數的關系可表達為：

y=Ax2+Bx+η

(4)

其中y是損傷度；b，η為無量綱系數，與凍融循環次數有關。

表3 損傷度與凍融循環次數的關系Tab.3 Relationship between the degree of damage and the number of freeze-thaw cycles

4 結 論

(1)提高混凝土抗凍融損傷性能關鍵在于提高其結構密實度和抗裂性能，通過玄武巖纖維對水泥水化物的增韌、阻裂作用，橡膠粒對水泥水化物受力有緩沖和卸壓效應，大幅度增強了混凝土抵抗凍融循環損傷的能力；

(2)橡膠粒的摻量對纖維混凝土抗凍融循環損傷的能力影響顯著，本試驗下橡膠粒摻量為60 kg/m3時，纖維橡膠混凝土抗凍融循環損傷的能力較強；玄武巖纖維的摻入能提高橡膠混凝土抗凍融循環損傷的能力，但摻量的變化對其影響不大；本試驗下纖維摻量為2.5 kg/m3時，纖維橡膠混凝土抗凍融循環損傷的能力較強；

(3)由試驗結果，以相對動彈模量的變化定義了混凝土凍融循環損傷度，分析了摻入不同橡膠粒、纖維質量的混凝土其損傷特性隨凍融循環的變化規律，經數據擬合可知，纖維橡膠混凝土在凍融循環下其相對動彈模量呈線性函數衰減的規律變化，并得到了抗凍融性能較優的混凝土凍融循環損傷演化方程表達式。

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Frost Resistance Property of Fiber Reinforced Rubber Powder Concrete

YANGChen-chen,BAIYing,TIANXiao-yu,ZHANGJin-long

(College of Water Conservancy and Civil Engineering,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010018,China)

Measuring rapid freezing-throwing cycle times of 100 mm×100 mm×400 mm concrete specimens,this paper studies the effect of the rubber power and fiber content change on the frost resistance property of fiber reinforced rubber powder concrete,and analyses the freezing-thawing damaged mechanism of fiber reinforced rubber power concrete.Results shows:concrete mixed with rubber powder and fiber could reduce the damage caused by freezing-thawing cycles,and improve its frost resistance property.With the volume increase of rubber particle and fiber,relative dynamic modulus of concrete decreased more slowly.Within the volume range of rubber particles and fiber in this test,concrete antifreeze thawing cycle has the best performance when the rubber particle content is 60 kg/m3and the fiber volume fraction is 2.5 kg/m3,and it increased 150 cycle times compared to the basic concrete.

rubber powder concrete;basalt fiber;freezing-thawing cycle;relative dynamic modulu

楊晨晨(1991-)，男，碩士研究生.主要從事結構動態分析方面的研究.

白 英，教授.

TU528

A

1001-1625(2016)10-3456-05