橡膠再生混凝土抗凍性研究進(jìn)展

趙麗楠

（華北水利水電大學(xué) 河南 鄭州 450000）

0 引言

目前混凝土是最為廣泛應(yīng)用的建筑材料，骨料通常約占混凝土體積的70%[1]。隨著建筑業(yè)的發(fā)展，砂石資源會面臨緊缺難題，同時(shí)也會產(chǎn)生大量建筑垃圾。據(jù)測算，近年我國建筑垃圾年排放量超過20億t[2]。建筑垃圾的填埋或堆放處理，不僅會侵占大量土地，還會污染土質(zhì)及水源。若將建筑垃圾回收再利用能夠資源利用，滿足可持續(xù)發(fā)展要求。建筑垃圾的廢棄混凝土可利用為路基材料或基礎(chǔ)回填材料、再生骨料等。例如，鄭州將部分建筑垃圾處理成再生磚應(yīng)用于在建地鐵出入口。當(dāng)廢棄混凝土制備成再生骨料時(shí)，由于再生骨料表面附帶舊砂漿及制備過程產(chǎn)生的微小裂縫，再生骨料具有吸水率大，壓碎指標(biāo)大的特點(diǎn)，可能會影響再生混凝土的性能[3-4]。研究發(fā)現(xiàn)添加適量的橡膠集料可改善再生混凝土抗凍性、抗裂性等[5-6]。

隨著車輛數(shù)量的增加，廢舊輪胎的數(shù)量也急劇增長，全球每年報(bào)廢約10億條輪胎。大量廢棄輪胎的堆積、填埋、燃燒等不當(dāng)處理方式，會污染環(huán)境，浪費(fèi)資源。學(xué)者通過將廢舊輪胎摻入混凝土中，發(fā)現(xiàn)橡膠混凝土輕質(zhì)、具有良好的韌性、抗凍性、抗沖擊性等[7]。再生骨料與橡膠集料的結(jié)合不僅使資源循環(huán)利用，減少天然資源的開采，而且保護(hù)環(huán)境。因此，橡膠再生混凝土性能研究及利用對綠色發(fā)展具有重要意義。對于嚴(yán)寒地區(qū)的建筑物，凍融循環(huán)會影響建筑物的安全性，所以對橡膠再生混凝土抗凍性的研究具有重要意義。本文對橡膠再生混凝土含氣量、抗凍性影響因素、改善措施方面進(jìn)行總結(jié)與闡述。

1 含氣量

橡膠集料摻量對橡膠再生混凝土含氣量影響顯著，而再生摻量對混凝土含氣量影響不明顯[8]。橡膠集料為憎水性材料且表面粗糙，易吸附氣泡，混凝土內(nèi)部含氣量增加，當(dāng)橡膠集料粒徑減小，比表面積增加，引氣性增強(qiáng)，混凝土含氣量增加。

王靜等[9]研究了橡膠摻量和再生骨料摻量對混凝土拌合物性能和力學(xué)性能影響。結(jié)果表明，橡膠顆粒的摻入增大了再生混凝土含氣量，且隨著橡膠摻量增加而增加。當(dāng)再生骨料摻量和橡膠摻量分別為30%、3%時(shí)，混凝土含氣量比再生混凝土含氣量高46.7%。由于橡膠顆粒為憎水性材料，表面易吸附氣泡，混凝土含氣量增加。

屠艷平等[10]采用橡膠粒徑分別為0.178 mm、0.42 mm、0.84 mm、1～3 mm，橡膠摻量為0%、1%、3%、5%，研究對再生混凝土性能影響。結(jié)果表明，再生混凝土含氣量隨著橡膠摻量增加及橡膠粒徑減小而增加。學(xué)者研究橡膠混凝土含氣量有相似結(jié)論[11-12]。

2 抗凍性影響因素

2.1 橡膠集料影響

橡膠再生混凝土的抗凍性與橡膠集料密切相關(guān)，適量的橡膠摻量對再生混凝土抗凍性有改善作用，由于橡膠集料的彈性變形性能和引氣性能。學(xué)者在橡膠混凝土研究中發(fā)現(xiàn)橡膠粉對混凝土的抗凍性比橡膠顆粒效果好[13-14]。

張克等[15]選擇司班40、十二烷基苯磺酸鈉（表面活性劑）對橡膠粉進(jìn)行改性，研究橡膠摻量和橡膠粒徑對再生混凝土力學(xué)性能及抗凍性影響。結(jié)果表明，橡膠粉摻量比橡膠粉粒徑對再生混凝土抗凍性影響顯著。陳愛玖等[16]認(rèn)為橡膠顆粒摻量大于20%后，再生混凝土內(nèi)部孔洞數(shù)目增多，混凝土抗凍性下降。

汪振雙等[17]研究了橡膠摻量和粒徑對再生混凝土抗凍性影響，并提出了橡膠再生混凝土抗壓強(qiáng)度與相對動彈性模量關(guān)系。結(jié)果表明，經(jīng)200次凍融循環(huán)，再生混凝土破壞狀態(tài)較嚴(yán)重，完整性較差，而摻入橡膠顆粒的再生混凝土完整性好于再生混凝土，隨著橡膠摻量增加，試件剝落量降低。在125次凍融循環(huán)中，粒徑60目橡膠顆粒摻量為30 kg/m3比摻量10 kg/m3，20 kg/m3質(zhì)量損失率分別低23%，44%。在200次凍融循環(huán)后，60目摻量30 kg/m3相對動彈性模量最大，為94.1%。他們認(rèn)為小粒徑橡膠顆粒引入大量微小閉合孔，改善再生混凝土抗凍性，而大粒徑橡膠顆粒引入孔隙對混凝土抗凍性不利。

含氣量會影響混凝土的抗凍性，一方面橡膠集料夾帶的氣泡改善混凝土抗凍性；另一方面，當(dāng)混凝土含氣量過高時(shí)，孔隙連通，對混凝土抗凍性產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)[18]。混凝土含氣量隨著橡膠摻量增加和橡膠粒徑減小而增加，但摻入過量或過細(xì)的橡膠集料可能會對混凝土抗凍性不利。橡膠集料在混凝土可近似作為“引氣劑”，由于橡膠表面粗糙，引入大量封閉微小氣泡，可緩沖凍脹應(yīng)力并有效抑制裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。橡膠粉的比表面積比橡膠顆粒大，能夠夾帶更多空氣，改善混凝土抗凍性。

趙麗研[19]采用80目、100目、120目、150目橡膠粒徑和橡膠摻量為10 kg/m3，20 kg/m3，30 kg/m3制備混凝土，與引氣混凝土抗凍性對比。學(xué)者指出，四種粒徑在摻量20 kg/m3以上，200次橡膠混凝土質(zhì)量損失率比引氣混凝土低27%～50%。其中，橡膠粒徑為150目質(zhì)量損失率略高于120目，可能由于橡膠粒徑過小，會發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，影響混凝土抗凍性。橡膠粒徑對橡膠混凝土相對動彈性模量影響不顯著。因此，橡膠混凝土抗凍性優(yōu)于引氣混凝土，建議選用橡膠粒徑大于150目。學(xué)者還通過硬化混凝土氣泡數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著橡膠摻量增加，混凝土氣泡含量增多，氣泡間距系數(shù)減小；隨著橡膠粒徑減小，氣泡間距系數(shù)減小。根據(jù)Powers建議的氣泡間距系數(shù)小于250 μm，橡膠混凝土具有較好的抗凍性。橡膠集料的彈性填充作用對混凝土抗凍性也有影響，緩解孔隙水凍脹壓力，減小混凝土內(nèi)部破壞，此外還可能會增加混凝土密實(shí)度，改善混凝土抗凍性。

2.2 再生骨料影響

影響橡膠再生混凝土抗凍性的因素還有再生骨料，再生骨料自身特點(diǎn)及摻量會影響混凝土抗凍性。楊洪生等[20]采用橡膠粉摻量為5%、10%，再生骨料摻量為25%、50%和75%制備混凝土，研究混凝土在水及3.5%氯化鈉溶液中的抗凍性。結(jié)果表明，再生骨料摻量對混凝土抗凍性影響顯著，在冰凍試驗(yàn)中，混凝土質(zhì)量隨著循環(huán)次數(shù)增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，因?yàn)樵偕橇暇哂形蚀螅紫堵矢咛攸c(diǎn)，前期再生骨料吸水量高于表面剝落質(zhì)量，混凝土質(zhì)量呈增加趨勢；后期隨著循環(huán)次數(shù)增加，試件表面剝落量多于再生骨料吸水質(zhì)量，混凝土質(zhì)量降低[21-22]。混凝土相對動彈性模量隨再生骨料摻量增加而下降迅速，橡膠粉可改善再生混凝土抗凍性，最佳摻量為5%。在鹽凍試驗(yàn)中，混凝土質(zhì)量隨著循環(huán)次數(shù)增加變化明顯，橡膠粉在抗鹽凍試驗(yàn)中最佳摻量為10%。當(dāng)再生骨料摻量為25%、50%時(shí)，混凝土相對動彈性模量在凍融循環(huán)160次后均大于60%，當(dāng)再生骨料摻量增加到75%時(shí)，再生混凝土和橡膠再生混凝土相對動彈性模量下降迅速。TIAN[23]研究了橡膠摻量（0%、5%、10%）和再生摻量（25%、50%、75%）對再生混凝土抗凍性影響。結(jié)果表明，當(dāng)再生骨料摻量為75%時(shí)，混凝土抗凍性比再生骨料摻量為25%、50%時(shí)差，當(dāng)橡膠集料摻量為5%時(shí)，橡膠集料提高再生混凝土抗凍性效果較好。

再生骨料與天然骨料存在不同特點(diǎn)，例如，再生骨料表面附帶舊砂漿，再生骨料多棱角且存在微小裂縫，吸水率大，孔隙率高等，這些特點(diǎn)可能會影響混凝土抗凍性。由于再生骨料吸水率較大，在制備混凝土?xí)r，通過將再生骨料預(yù)吸水處理或以額外用水量補(bǔ)償[24]。汪振雙等[17]指出，再生骨料在制備過程中產(chǎn)生的裂縫及缺陷，會降低混凝土密實(shí)度，對再生混凝土抗凍性產(chǎn)生不利影響。鄧祥輝等[25]提到，由于再生骨料表面附帶舊砂漿，再生骨料與混凝土?xí)腥N界面：新砂漿與舊砂漿界面、新砂漿與骨料界面、舊砂漿與骨料界面，這些界面增大混凝土孔隙率。還測試再生混凝土的內(nèi)部孔徑分布，發(fā)現(xiàn)隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，再生混凝土內(nèi)部的大孔（半徑0.05～1 μm）和裂隙（尺度大于1 μm）占比增大，影響混凝土抗凍性。尚永康[26]指出由于再生骨料吸水率大，再生骨料強(qiáng)度較低，內(nèi)部含有缺陷，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，混凝土內(nèi)部損傷積累，混凝土抗凍性降低。覃銀輝[27]認(rèn)為再生骨料與混凝土界面過渡區(qū)是再生混凝土薄弱面，對混凝土抗凍性產(chǎn)生不利影響。

再生混凝土摻量也會影響混凝土抗凍性，一般隨著再生骨料摻量增加而降低。再生骨料摻量增加，混凝土吸水率增大，薄弱面增多，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，混凝土抗凍性降低。盛朝暉等[28]提出減少再生骨料摻量可以提高再生混凝土的抗凍性。陳德玉等[29]研究了再生骨料取代率為0%～100%對再生混凝土抗凍性影響，研究結(jié)果表明，凍融循環(huán)次數(shù)在150～300次時(shí)，再生骨料取代率對再生混凝土抗凍性影響顯著。當(dāng)再生取代率大于50%時(shí)，再生混凝土相對動彈性模量降低幅度大，質(zhì)量損失逐漸提高。韓古月等[30]得到相似結(jié)論，正常破碎的再生骨料制備的混凝土抗凍性隨著再生骨料摻量增加而降低，混凝土微裂縫和孔隙增多導(dǎo)致混凝土抗凍性變差。但AMORIM等[31]采用再生骨料等體積替換天然骨料的15%、20%、25%，試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，摻入再生骨料的混凝土的耐久性系數(shù)均比普通混凝土高，其中當(dāng)再生骨料摻量為15%時(shí)，混凝土耐久性更好。

3 改善措施

學(xué)者通過摻加適量的納米材料、纖維或改性橡膠集料等改善橡膠再生混凝土抗凍性，主要因?yàn)橐皇窃黾釉偕炷恋拿軐?shí)度，二是能夠緩解凍脹應(yīng)力，抑制微小裂縫的發(fā)展，三是提高了橡膠集料與水泥基體間的黏結(jié)。

劉榴[32]研究橡膠粉摻量和納米SiO2摻量對再生混凝土抗凍性影響，并以質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率評估橡膠再生混凝土的抗凍性。結(jié)果表明，橡膠粉摻量和納米SiO2摻量分別為5%和3%時(shí)，相比于其他摻量的再生混凝土強(qiáng)度損失率最低。他們認(rèn)為橡膠集料具有彈性變形能力，可緩沖凍融循環(huán)引起的內(nèi)部應(yīng)力，一定程度上限制微小裂縫的延伸和擴(kuò)展。納米SiO2具有填充效應(yīng)和火山灰效應(yīng)，能夠提高再生混凝土密實(shí)度，改善混凝土抗凍性。

陳愛玖等[33]研究了玄武巖纖維摻量對橡膠再生混凝土抗凍性影響。結(jié)果表明，普通混凝土試驗(yàn)組、再生混凝土試驗(yàn)組、橡膠混凝土試驗(yàn)組、橡膠再生混凝土試驗(yàn)組的質(zhì)量損失率隨著纖維摻量增加而降低，相對動彈性模量隨著纖維摻量增加而增加。橡膠顆粒的引氣性及彈性變形能力，玄武巖纖維承受收縮及凍融作用的應(yīng)力的能力可減小再生骨料對混凝土的不利作用。陳愛玖等[16]采用螺旋CT掃描技術(shù)和掃描電鏡觀察鋼纖維橡膠再生混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)并分析纖維對混凝土抗凍性影響機(jī)理。鋼纖維在混凝土內(nèi)部形成三維網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)纖維可緩解凍融作用產(chǎn)生的應(yīng)力，一定程度上可抑制混凝土裂縫產(chǎn)生和延伸。

王煥宇[34]在再生混凝土中摻入預(yù)處理改性橡膠顆粒，及1%聚丙烯纖維，研究混凝土的力學(xué)性能及抗凍性。研究表明，改性方法可以提升混凝土的抗凍性，因?yàn)橄鹉z集料的疏水性經(jīng)改性處理，橡膠集料表面親水性提高，橡膠集料與水泥基體的黏結(jié)也得到提高，改善了混凝土的抗凍性。聚丙烯纖維也可以改善再生混凝土的抗凍性，聚丙烯纖維在混凝土中會形成立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分擔(dān)多方向的應(yīng)力，減小裂縫的發(fā)展，還能提高再生混凝土的密實(shí)度，從而提升混凝土抗凍性。

學(xué)者對橡膠混凝土或再生混凝土的性能提升已有廣泛研究。一般對橡膠集料處理方法有物理處理和化學(xué)處理，這些方法改善了橡膠集料與水泥基體間的黏結(jié)，進(jìn)而改善混凝土的力學(xué)性能和耐久性[35]，復(fù)合改性橡膠混凝土的抗凍性優(yōu)于單一改性橡膠混凝土。對再生混凝土性能提升可以對再生骨料自身提升或加入礦物摻合料、纖維、外加劑等。強(qiáng)化再生骨料的方法有去除和加固黏附砂漿，以減小混凝土吸水率和填充孔隙作用[36]。通過選擇合適的改善措施，提升橡膠再生混凝土抗凍性。

4 結(jié)語

橡膠再生混凝土抗凍性的研究對于促進(jìn)廢舊輪胎和建筑垃圾資源利用，推動橡膠再生混凝土在寒冷地區(qū)的應(yīng)用與發(fā)展具有積極意義。橡膠集料摻量比再生骨料摻量對再生混凝土含氣量影響顯著，混凝土的含氣量隨著橡膠摻量增加和橡膠粒徑減小而增加。摻入適宜的橡膠摻量和橡膠粒徑對再生混凝土抗凍性有改善作用，再生骨料特點(diǎn)和摻量也會影響混凝土抗凍性。摻加適量的納米材料、纖維或?qū)ο鹉z集料進(jìn)行改性等方法，可以改善再生混凝土抗凍性。通過質(zhì)量損失率、相對動彈模量或強(qiáng)度損失率等來評估橡膠再生混凝土抗凍性，進(jìn)而可以預(yù)測橡膠再生混凝土損傷模型，計(jì)算橡膠再生混凝土的壽命，更為深入的研究混凝土抗凍性規(guī)律，完善再生混凝土的抗凍性理論。