橡胶微粒混凝土抗介质渗透性能与微观结构

朱晓斌，洪锦祥，刘加平，万赟，徐静

（江苏博特新材料有限公司，南京 210008）

0 前言

混凝土中常见的介质渗透形式有压水渗透、氯离子渗透、CO2侵蚀（碳化）以及硫酸盐侵蚀等。

橡胶微粒混凝土（Crumb Rubber Concrete，简称CRC）是一种把橡胶微粒作为水泥混凝土的组成材料配制而成的新型混凝土[1]。孔隙是混凝土的重要组分，也是必然存在的组分。孔隙一方面为混凝土中胶凝材料的继续水化提供水源和供水通道，为胶凝材料水化产物的生长提供空间，同时也为水、CO2以及一些侵蚀性离子及其载体提供了入侵通道。混凝土的介质渗透性与其孔结构和孔隙率有直接的关系。文献[2][3]指出，混凝土的渗透性是由其微观结构决定的，如混凝土的孔隙率、孔径分布、连续性，以及骨料—基体界面区的矿物组成等。

为研究橡胶微粒混凝土中橡胶微粒对混凝土介质渗透性的影响，本文进行了混凝土的抗渗、抗碳化、抗氯离子渗透以及硫酸盐侵蚀试验。

1 试验材料及配合比

水泥采用中国水泥厂生产的“金宁羊”P·IIR 52.5。细集料为天然河砂，表观密度2650kg/m3，细度模数为2.6；粗集料为5～20mm连续级配石灰岩碎石，表观密度为2700kg/m3。减水剂为江苏博特新材料有限公司生产的JM-PCA，减水率27.3%。消泡剂为天津市凌云志科技有限公司生产的非硅酮矿物油SP202。橡胶微粒由14目与28目两种胶粒按11∶3混合而成，以无规则形状为主，有少量长条装颗粒及少量杂质，表观密度1050kg/m3。水为普通自来水。

由于橡胶微粒具有引气的特性，因此采用掺加消泡剂的方法控制混凝土的含气量在大致相当的范围内。橡胶微粒混凝土的具体配合比及部分力学性能见表1。

2 橡胶微粒混凝土介质渗透性试验结果与分析

表1中 5组混凝土标养28d后，分别依据GBJ82-85、JTJ270-98测试了混凝土的抗渗、抗碳化性能，标养56d后按ASTM C1202测试了其抗氯离子渗透性能。另外依据GB/T2420-1981测试了灰砂比为1：2.5，水胶比为0.5，掺加20目橡胶微粒的砂浆的抗硫酸盐侵蚀性能（胶粒等体积取代部分细集料，掺量分别为0、60、120、180、240kg/m3）。试验结果见表2、图1和图2。

表1 橡胶微粒混凝土配合比及部分力学性能

表2 橡胶微粒混凝土抗渗试验结果

试验结果表明，橡胶微粒降低了混凝土的抗渗性，且橡胶的掺量越大，抗渗性越差。掺量小于240kg/m3时，混凝土抗渗等级均大于P12，但渗水高度随着橡胶微粒掺量的提高逐渐提高；当橡胶掺量达240kg/m3时，混凝土的抗渗性显著下降，其抗渗等级降至P8。

混凝土试样28d碳化深度随着橡胶微粒掺量的增加而增大，可见橡胶微粒能降低混凝土的抗碳化性能，且掺量越大对混凝土抗碳化性能越不利。

混凝土电通量随着橡胶微粒掺量的增加逐渐增大，可见橡胶微粒能降低混凝土的抗氯离子渗透性能，且掺量越大对混凝土抗氯离子渗透性能越不利。

硫酸盐侵蚀试验结果表明：橡胶微粒增大了砂浆试件的抗蚀系数，并且随着橡胶微粒掺量的增加，抗蚀系数逐渐增大（掺量180kg/m3时较120kg/m3略低）。其原因可能为硫酸盐溶液通过表面连通孔隙扩散进入试件内部，并与水泥水化产物发生化学反应，生成难溶性物质并产生体积膨胀，填充孔隙，试件表层密实度提高，试件整体强度因而略有提高，从而使橡胶混凝土抗蚀系数增大。随着难溶性物质的增多，试件表面一些孔径较细的通道和一些通道的瓶颈处被堵塞，硫酸盐通过其扩散进入试件的难度增大，因而对于含有大开口和大连通孔隙率的试件而言，硫酸盐能够扩散进入的深度也更大，被生成的难溶性物质填充密实的厚度也越大，试件整体强度增加也越明显，因此抗蚀系数也越大。因此抗蚀系数的逐渐提高说明了试件抗介质扩散能力的逐渐下降，也间接说明了随着橡胶微粒掺量逐渐增加，混凝土抗介质渗透性能逐渐下降。

3 橡胶微粒劣化混凝土抗介质渗透机理分析

上述试验结果均表明：橡胶微粒降低了混凝土的抗介质渗透性能，而混凝土的抗介质渗透性能与其孔结构有密切联系，为论证橡胶微粒改变混凝土孔结构机理，分别采用压汞法和扫描电镜对橡胶微粒混凝土进行了孔结构分析与界面形貌分析。

3.1 橡胶混凝土孔结构分析

表1中五组橡胶微粒混凝土压汞试验结果见表3，各组混凝土孔结构分布图见图3。

表3及图3的试验结果表明：混凝土中掺入橡胶微粒后，混凝土总孔隙率略有增加；各组试样50nm以下的少害孔基本维持在31%～35%之间，按照P. K. Mehta[4]的观点，50nm的孔数量可能反映凝胶孔数量的多少，而凝胶孔数量越多则混凝土抗渗性越好，该观点与试验结果存在差距；10～100nm的过渡孔比例逐渐降低，过渡孔的比例在30%～45%之间，按照M.M杜宾宁[5]的观点，混凝土的渗透性由连通渠道的最小直径（10～100nm的微毛细孔）决定，而不是大连通孔和小连通孔的平均直径，微毛细孔代表物体的渗透性，而这也与试验结果存在差异；100～1000nm之间的毛细孔比例随橡胶微粒掺量的增加先增大后减小；1000nm以上的大孔比例逐渐增大，大孔的比例在20%～50%之间，跨度较大，大孔对混凝土强度有重要的影响意义。笔者认为，混凝土的毛细孔（100nm～1000nm）由粗孔、细孔叉分构成，类似于树干与树枝。混凝土中的大孔（1000nm以上）与相邻的毛细孔之间能够直接相通，或者通过微毛细孔相连通，也可能孤立封闭。介质渗透性是由毛细孔与大孔共同作用决定的：当大孔的比例较高时，大孔与大孔之间直接连通的几率就会增大，这时，混凝土中渗透通道的曲折性就会降低，大孔成为混凝土中主要的介质渗透通道的可能性增大；相反，当大孔比例较少时，大孔可能因孤立而封闭，也可能与毛细孔或者过渡孔相连通，这时渗透通道的曲折性增加，毛细孔与过渡孔将决定混凝土的介质渗透性。

表3 混凝土压汞法测试结果

3.2 橡胶混凝土微观形貌

图4为橡胶微粒混凝土断面上橡胶颗粒与水泥基材料之间的界面过渡区水化产物的形貌，其中（b）为（a）中红色圆圈区域放大倍后的形貌。（a）显示，橡胶微粒与砂浆之间有一薄层水化产物，且水化产物与砂浆和胶粒之间都存在明显的分界；（b）显示橡胶微粒与砂浆之间界面过渡区的水化产物较疏松且不连续，其间存在明显的断裂带，这将为侵蚀性介质侵入混凝土提供通道，这也是橡胶微粒混凝土抗介质渗透性较差的一个原因。

扫描电镜测得橡胶微粒混凝土中橡胶集料与砂浆的界面过渡区宽度为几微米至几十微米之间，属大孔范畴，而压汞试验结果表明大孔比例随橡胶微粒掺量的增加逐渐增大，且该部分孔所占比例变化最为剧烈，因此笔者认为橡胶微粒混凝土抗介质渗透性能差是橡胶微粒与砂浆基体之间的界面过渡区宽度大、结构疏松造成的。

关于橡胶微粒与砂浆基体的粘结性能差的原因，多数学者认为是由橡胶微粒表面憎水及含有部分有机酸造成的，因此将橡胶微粒应用于水泥基材料的必须对橡胶微粒表面进行改性，此举可以增加界面间的粘结力，提高橡胶微粒混凝土的服役寿命。

4 结论

（1）混凝土中掺加橡胶微粒后，降低了混凝土的抗介质渗透性能，且掺量越大，抗介质渗透性能越差；

（2）混凝土的介质渗透性是由毛细孔与大孔共同作用决定的：当大孔的比例较高时，大孔与大孔之间直接连通的几率就会增大，此时混凝土中渗透通道的曲折性就会降低，大孔成为混凝土中主要的介质渗透通道的可能性增大；相反，当大孔比例较少时，大孔可能因孤立而封闭，也可能与毛细孔或者过渡孔相连通，这时渗透通道的曲折性增加，毛细孔与过渡孔将决定混凝土的介质渗透性；

（3）橡胶微粒降低混凝土的抗介质渗透性能的原因是橡胶集料表面憎水及含有部分有机酸使得其与水泥基体间的过渡区宽度大、结构疏松，从而使混凝土大孔比例快速增加。

[1]朱涵.新型弹性混凝土的研究综述[J].天津建设科技,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]李淑进,赵铁军,吴科如.混凝土渗透性与微观结构关系的研究[J].混凝土与水泥制品,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]胡鹏.橡胶集料混凝土渗透性能研究[D]:[硕士学位论文],天津大学,2006.