一曼塾曼竺苎堡翌塑堡茎圭垡兰墨窒旦垫查! 垒橡胶粉对混凝土在水和N a C I 溶液中的抗冻性的影响研究张亚梅，陈胜霞，孙伟东南大学材料科学与工程系南京2 1 0 0 9 6摘要；通过快冻试验研究了平均粒径为1 4 0 1 a m 的橡胶粉对不同水胶比混凝土分别在水中和N a a溶液中的抗冻性研究表明，橡胶粉体积掺量为1 9 9 “ - - 3 9 8 时，英在混凝土中的颗粒中。距在3 3 0 “ - 6 6 0 1 t m ，高于引气混凝土建议的气泡问距2 0 - 2 0 0 “m ，而橡胶粉对混凝土抗压强度及抗冻性的影响效果与引气荆相当在冻融循环作用的过程中弹挫橡胶颗粒在混凝土内部的广泛分布为水结成冰时的体积膨胀提供了空间橡胶颗粒被反复地压缩和产生弹性回复膨胀产生的应力大大削弱，从而混凝土的抗冻性大幅度提高橡胶粉对混凝土抗冻性的改善程度与橡胶的粒径、掺量及混凝土的水胶比有关橡胶粉掺量在合适的范固内可大幅度提高混凝土在水中和N a C I 溶液中的抗冻性，但在N a C I 溶液中的抗冻性比在水中差关链词：橡胶粉；混凝土；抗冻性：N a a 溶液；颗粒中心距1 前言对于寒冷地区的混凝士工程抗冻性是影响混凝士耐久性、使用性能和寿命的主要因素。我国北方地区的混凝土路面、桥梁等因拭冻性差而引起的破坏事例时有发生。掺引气剂是提高混凝土抗冻性的行之有效的办法，其原理在于引入的微小封闭气泡为由于水结成冰产生的膨胀压力和水迁移压力提供了应力释放的空间，从而减缓应力集中程度，提高混凝土的抗冻性。然而，新摔混凝土特别是商品混凝土在搅拌、运输、浇注和振捣过程中，混凝土中的气泡可能破裂，导致数量减小，有的引气剂质量不稳定，形成的气泡结构较羞这些都会降低硬化混凝土的抗冻性。橡胶是一种弹性材料，在拉伸或压缩时能产生较大的变形而不破坏，具有高的极限延伸率。近年来，将橡胶应用于混凝土中的研究正逐年升温。除了抗压强度、弹性模量等力学性能有所下降外，掺橡胶的混凝土的韧性、抗冲击、抗早期塑性开裂等性能均有显著的提高，不仅如此，橡胶粉还可改善高强混凝土高温下的抗爆裂性剿”j 。S a v a s 等研究了粒径为2 - 6 r a m 、掺量为水泥质量的l O 、1 5 、2 0 和3 0 磨细橡胶粉的混凝土经快速冻融循环后的性能。研究发现，掺八1 0 和1 5 的橡胶混凝土经3 0 0 次冻融循环后的耐久性因子高于6 0 0 ，满足A S T M 标准要求；而掺量为2 0 和3 0 的橡胶混凝土的耐久性不满足要求。B e n a z z o u k 和Q u e n e u d e c 研究了以致密的橡胶和膨化的橡胶分别取代部分集料( 体积取代率为9 - 4 0 0 A ) 的混凝土的抗冻性。橡胶的体积取代率为3 0 - 4 0 的混凝土的耐久性得到改善，而且膨化橡胶的改善效果好于致密橡胶。P a i n e 等用破碎橡胶替代引气剂研究混凝土的抗冻性。橡胶的粒径分别为01 - 1 ，5 m m ，2 - 8 m m 和5 - 2 5 r a m ，研究指出橡胶在改善混凝土的抗冻性方面有一定的潜力。S i d d i q u e 和N a i k 的研究也指出，橡胶混凝土掖冻性明显好于普通不掺引气剂的混凝土，而其表面剥落行为与掺引气剂的混凝土相似例。作者的研究发现弹性橡胶对混凝土的抗冻性的改善与橡胶的粒径和掺量有关。采用3 - 4 r a m一堡墼塑翌堡墼堡查翌! 监! 堇望主箜苎壅堡堕丝堕至塞的橡胶时，由于橡胶颗粒自身的吸水性，混凝土的抗冻性并未有明显的改善。采用1 4 0 p m 的橡胶粉且掺量合适时。混凝土的抗冻性有显著的提高。上述研究结果说明，橡胶对混凝土抗冻性的影响与橡胶的粒径、掺量、密度等有关。本文主要研究了橡胶粉对不同水胶比的混凝土分别在水中和N a C I 溶液中经受冻融循环后的性能。2 原材料和试验采用的原材料有：南京江南水泥厂生产的P - 1 1 4 2 5 R 硅酸盐水泥，比表面积为3 4 6 0c m 2 2 ；南京聚力牌I 级粉煤灰，O 0 4 5 m m 方孔筛筛余量为2 9 ，烧失量l2 ；南京江南粉磨公司$ 9 5 级矿渣微粉，比表面积为4 3 9 0c m z ，g 。普通黄砂，细度模数2 3 ：石子是粒径为5 - 2 5 m m 连续级配的石灰石。表观密度为1 0 0 4 9 e r a 3 的1 0 0 目橡胶粉，平均粒径为1 4 0 9 m ：萘系J M - B 型高效减水剂。表1各系列橡胶混凝土的配合比( k g m 3 )注：c 2 J s 为掺引气齐JJ s 的混凝土，J s 掺量为水泥质量的o 0 1 5 9 6 该混凝土的古气量为4 3 。成型了三个系列尺寸为1 0 0 m i l l 1 0 0 r a m 4 0 0 r a m 的混凝土C l 、C 2 和C 3 ，水胶比分别为0 4 2 、0 ，3 4 和0 2 7 用于测试混凝土经冻融循环后的相对动弹性模量。橡胶掺量分别为水泥质量的O 、5 和7 5 。三个系列混凝土的配合比见表l 。由于橡胶粉有一定的吸水能力，掺橡胶粉混凝土的工作性比对比混凝略差，试验时通过适当增加高效减水剂的用量来调节橡胶混凝土的工作性，使其与对比混凝土相当。试件成型后在标准养护室养护，到2 8 d 龄期开始冻融试验。冻融试验前4 d 把试件从养护室取出，然后在温度为1 5 2 0 的水中或浓度为3 5 的N a C I 盐溶液中浸泡。试验采用T D R I 型全自动快速冻融试验机，每天进行6 个循环，在冻结和融化终了时，试件中心温度分别控制在一1 7 2 和8 2 每隔2 5 次冻融循环后测试一次动弹性摸量测试前洗净试件表面浮渣擦去表面水并检查外部损伤及重量损失。第九届全国水泥和混凝土化学及应用技术年会3 不同系列橡胶混凝土在水中的抗冻性能各系列混凝土在水中冻融后的相对动弹性模量变化见图l 至图3 。从图l 可以看出，适量橡胶粉的掺入使c l 系列混凝土的抗冻性大幅度提高。在5 0 次冻融循环之后，对比混凝C l 1 就已经破坏，相对动弹性模量下降到了4 6 ，而掺入5 和7 5 橡胶粉的混凝土C I 2 和C 1 3 的相对动弹性模量仍高达9 0 以上，掺入5 的1 0 0 目橡胶粉的混凝土经过1 5 0 次冻融循环后才达到破坏。在水胶比相对较高的c l 系列混凝土中掺入5 的橡胶粉时，混凝土抗冻性能最好。由图2 可以看出，在水胶比为0 3 4 的C 2 系列混凝土中掺入水泥质量的5 和7 5 的1 0 0 目橡胶粉大大改善了混凝的抗冻性能，其抗冻性能与掺入S J 引气剂的混凝c 2 J S 相当。橡胶耪掺量为7 5 的混凝士C 2 2 的抗冻性较掺量为5 的C 2 1 混凝土略好。由图3 可以看出，橡胶粉对c 3 系列混凝土抗冻性的影响规律与C 2 系列混凝土相似。但c 3系列混凝土经受冻融循环的次数远远高于C 2 系列混凝土。C 3 系列掺入橡胶粉的混凝土经过3 0 0次冻融循环后，其相对动弹性模量保持在9 0 以上。图4 至图6 为各系列混凝土在水中经受冻融循环后的外观照片。同系列混凝土经相同次数的冻融循环后普通混凝土的表面剥落情况比橡胶混凝土产E 重。图1c 1 系列橡胶混凝土在水中冻融后的相对动弹性模量变化图20 2 系列橡胶混凝土在水中冻融后的相对动弹性横量变化图30 3 系列橡胶混凝土在水中冻融后的相对动弹性模量变化堡壁竺翌堡茎圭垄查塑! 竖! 整堕! 墼茎堡堡塑整堕塑塞图4C 1 系列混凝士经过5 0 次冻融循环后的照片( 上：C 1 2 ，下：C 1 1 )图5C 2 系列混凝经1 5 0 次冻融循环后的照片( 左：C 2 2 ，右：C 2 1 )图6C 3 系列混凝土经2 5 0 次冻融循环后的照片( 从左到右依次为c 3 1 、C 3 - 2 、C 3 3 )4 不同系列橡胶混凝土在N a C I 溶液中的抗冻性能冻融试验时的介质为3 5 的N a C l 溶液。C l 和C 2 系列混凝土在N a C I 溶液中冻融后的相对动弹性模量变化见图7 和图8 。图7c 1 系列混凝土在N a C I 溶液中冻融后的图8c 2 系列混凝土在N a C I 溶液中冻融后的相对动弹性横量变化相对动弹性模量变化从图7 和图8 可以看出，在混凝土中掺入少量1 0 0 目橡胶大大改善了C l 、C 2 系列混凝土在8 3 7苎垄星全里查望翌堡茎圭些兰墨垒星茎查兰室盐溶液中的抗冻性能。在5 0 次抗冻循环以后，C 1 系列对比混凝土就已经破坏，相对动弹性模量下降到了3 0 以T ，而掺入5 。舻I D7 5 橡胶粉的混凝土相对动弹性模量还有9 0 ，经过1 2 5 次冻融循环后才达到破坏。C 2 系列对比混凝土在盐溶液中经7 5 次冻融循环后，相对动弹性模量下降到了4 0 以T ，而掺入5 和7 5 橡胶粉的混凝土经过1 2 5 次冻融循环后，相对动弹性模量还有9 0 以上。掺入5 和7 5 橡胶粉的混凝土在盐溶液中抗冻性能相当。图9 依次为C 2 一l 、C 2 2 、C 2 - 2 、C 2 - 3 、( 3 2 3 在盐溶液中经7 5 次冻融循环后的表面状况。可以看出，c 2 系列中对比普通混凝土经5 0 次冻融循环后，大量骨料裸露，而橡胶混凝土表面完好，没有剥落现象。图9 混凝土在盐溶液中冻融循环7 5 次后的照片( 从定至右依次为C 2 、0 2 - 2 、0 2 - 2 、C 2 - 3 、c 2 - 3 )5 分新与讨论5 1 橡胶粉掺量对混凝土抗压强度的影晌规律，表l 中各系列混凝土的轴心抗压强度测试结果见表2 。表2 中还列出了与对比的未掺橡胶的混凝土比较时不同橡胶掺量混凝土的轴心抗压强度下降百分率、单位体积橡胶掺量引起的抗压强度下降百分率( 表中最后一列) 。从表2 可以看出，在混凝土中加入l ( 体积百分率) 的橡胶粉使抗压强度下降了约4 一8 ，与引气剂对混凝土( C 2 J S ) 抗压强度的影响效果相当。表2 橡胶掺量与混凝土抗压强度的关系! 兰! ：! ! ! ：!，! 坚! ：竺一堡墼塑翌望茎圭垄查塑竺兰! 兰婆主塑垫壅堡竺墅! 竺至52 橡胶粉提高混凝土抗冻性的机理橡胶粉属于弹性颗粒材料，在外力作用( 压缩或拉伸应力) 下可产生较大的变形而不破坏。混凝土中加入弹性材料，当混凝土内部发生膨胀时，通过弹性材料的被压缩为膨胀提供空间；当混凝土内部产生收缩时，若弹性材料与水泥浆体之间粘结较好，弹性材料被拉伸以适应变形。无论弹性材料被拉伸或压缩，弹性材料的存在使混凝土内部的应力集中得到缓解，应力集中程度降低，从而提高混凝土的抗裂性。对于混凝土的抗冻性而言，水结成冰的过程伴随着体积的膨胀，在混凝土内部产生膨胀压力。而弹性橡胶颗粒在混凝土内部的广泛分布为水结成冰时的体积膨胀提供了空间，橡胶颗粒自身被压缩。当冰融化成水时，橡胶颗粒产生弹性回复。在冻融循环作用的过程中，橡胶颗粒被反复地压缩和产生弹性回复，膨胀产生的应力大大削弱，从而混凝土的抗冻性大幅度提高。当然，橡胶粉对混凝土抗冻性的改善程度还与橡胶的颗粒大小及其在混凝土内部的分布有关。53 橡胶粉掺量及橡胶颗粒中心距对混凝土抗冻性的影响本文试验所用橡胶粉的表观密度为1 0 0 4 k g m 3 ，橡胶颗粒的平均粒径是1 4 0 I _ t m 。假设橡胶颗粒均为球形，且颗粒直径均为1 4 0 p r o 。若每m 3 混凝土中橡胶粉的掺量分别是2 0 k g 、3 0 k g 和4 0 k g ，则对应的体积率分别为1 9 9 、2 9 9 W T 劬3 9 8 。通过简单的计算可知，混凝土中橡胶颗