废旧橡胶混凝土抗碳化性能的试验研究

于　群, 王　景, 叶文超

(沈阳大学 a. 建筑工程学院; b. 辽宁省环境岩土工程重点实验室, 辽宁 沈阳　110044)



废旧橡胶混凝土抗碳化性能的试验研究

于群a,b, 王景a, 叶文超a

(沈阳大学 a. 建筑工程学院; b. 辽宁省环境岩土工程重点实验室, 辽宁 沈阳110044)

摘要:以废旧橡胶混凝土抗碳化性能为研究目标,试验研究了体积分数为5%、10%、15%等三种橡胶颗粒掺量和2~4 mm、30~40目、60~80目等三种橡胶颗粒粒径对混凝土抗碳化性能的影响规律.试验结果表明:橡胶颗粒的掺入对混凝土早期抗碳化性产生了不利作用,但使混凝土后期抗碳化能力有所提升;不同橡胶颗粒粒径、掺量对抗碳化性能影响不同,橡胶颗粒最佳掺量的体积分数为10%,且颗粒粒径越小效果越好.

关键词:废旧橡胶; 混凝土; 耐久性; 抗碳化性能

混凝土结构是应用最为广泛的结构之一,我国有约70%的房屋建筑和50%的桥梁结构采用了混凝土结构.随着这些工程结构使用时间的增长,混凝土材料和结构的耐久性破坏越来越受到重视,许多工程结构往往由于耐久性的原因引起使用功能退化甚至结构破坏,给社会带来了不必要的损失.混凝土碳化是混凝土重要的耐久性指标之一,由于大气中的二氧化碳和混凝土中的碱性物质反应,使得混凝土呈现中性化的过程即称为混凝土的碳化,碳化使混凝土结构中的钢筋失去钝化膜的保护,极易使钢筋生锈,进而使结构发生破坏.随着工业化进程的不断推进,二氧化碳的排放量大增,在产生温室效应的同时,对混凝土结构的耐久性也产生了不利影响[1-3].

国内外许多学者对混凝土抗碳化性能做了许多研究,研究结论表明在混凝土中加入诸如矿渣、 粉煤灰等超细矿物掺合料, 可提高混凝土的抗碳化能力[4]. 基于已有抗碳化性能研究的基本思路, 本文对废旧橡胶混凝土的抗碳化性能开展系统研究. 以废旧橡胶颗粒等体积取代砂的方式制备废旧橡胶混凝土, 开展橡胶颗粒掺量和粒径对混凝土抗碳化性能影响规律的研究, 并分析了废旧橡胶混凝土的抗碳化机理, 以供相关研究参考借鉴.

1试验设计

1.1　原材料

(1) 水泥.辽宁本溪山水实业有限公司生产的工源牌42.5级普通硅酸盐水泥.

(2) 细骨料.普通河砂,最大粒径为5 mm,连续级配,细度模数2.6,表观密度为2 540 kg/m3.

(3) 粗骨料.碎石,粒径为5~25 mm,连续级配,表观密度为2 780 kg/m3.

(4) 粗橡胶粒(胶粒a).沈阳市宏玉盛橡胶材料厂生产的粒径为2～4 mm的废旧轮胎橡胶粒,表观密度为1 250 kg/m3.

(5) 中橡胶粒(胶粒b).沈阳市宏玉盛橡胶材料厂生产的粒径为30～40目的废旧轮胎橡胶粒,表观密度为980 kg/m3.

(6) 细橡胶粒(胶粒c).沈阳市宏玉盛橡胶材料厂生产的粒径为60～80目的废旧轮胎橡胶粒,表观密度为890 kg/m3.

(7) 减水剂.山西黄腾化工有限公司生产的UNF-1型萘系高效减水剂,减水率的质量分数为16%.

(8) 水.自来水.

1.2　橡胶混凝土配合比设计

混凝土基准组采用设计强度为C45级的普通混凝土,采用胶粒a、胶粒b和胶粒c分别按5%、10%和15%的比例等体积取代砂,其他配合比组分不变,具体配合比如表1所示.

表1　混凝土配合比

注: 混凝土试件编号为Cm-n,其中m表示橡胶粒种类,n表示橡胶掺量,C-J为基准组.

1.3　试验方法

试验共计10组,30个试件,试验参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)中碳化试验进行,试件尺寸均为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体,混凝土碳化试验采用沈阳天宏竣实验设备有限公司生产的混凝土碳化试验箱.

试验步骤为:

(1) 将各碳化试件标准养护28 d后取出,置于60 ℃烘干箱中48 h.

(2) 对经过烘干处理的试件,除去留下两个相对的侧面,其余各面用加热的石蜡油进行密封,并在两个留下的向对面上沿长度方向用铅笔以10 mm间距画平行线作为碳化深度测量点,如图1所示.

图1　试件表面划线

(3) 密封碳化箱,设置试验参数,二氧化碳体积分数为(20±3)%,湿度为(70±5)%,温度为(20±2)℃,开始碳化试验,定期检查二氧化碳钢瓶和加湿器,确保二氧化碳溶度以及碳化箱内湿度,如若用完,应及时更换,保证试验的连续性.

(4) 碳化到3,7,14,28 d,分别取出试件,采用混凝土切割机进行破型,切除深度为50 mm,如图2所示.

图2　试件切割

(5) 清除所得断面表面残存粉末及泥浆,随即喷上体积分数为1%的酒精酚酞溶液,30 s后,按预先划线进行测量.如果测点处的碳化分界线上刚好嵌有粗骨料颗粒,则取该颗粒两侧处碳化深度的平均值作为该点的深度值.碳化深度测量精确至1 mm.

2试验结果与分析

2.1　试验结果

按《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准(GB/T 50082—2009)中碳化试验计算公式计算各组橡胶混凝土各碳化龄期碳化深度,具体数据见表2,碳化时间与碳化深度的关系曲线如图3所示.

由表2可知,在碳化初期(3 d),橡胶混凝土碳化深度大于基准混凝土,且随着粒径的减少呈增大趋势,可见橡胶的掺入降低了混凝土初期抗碳化性.而随着碳化龄期增加,各试块碳化深度呈增长趋势,主要体现在碳化龄期由7~14 d,但增长幅度随橡胶掺量及粒径的不同而各有差异,橡胶混凝土碳化增长幅度要小于基准混凝土,而其中以橡胶掺量体积分数为10%效果最为明显.在28 d龄期时,橡胶混凝土碳化深度基本上小于基准混凝土,且随着橡胶粒径的减小,碳化深度越小,抗碳化效果越明显.由图3可知,碳化深度与碳化时间的曲线大致符合幂函数关系,这也刚好符合碳化深度随时间变化的一般规律,碳化初期碳化速度较快,当碳化达到一定程度,碳化速度逐渐减缓.

表2　各橡胶混凝土碳化深度试验数据

图3　碳化时间与碳化深度的关系曲线

2.2　 橡胶混凝土抗碳化机理分析

在相同的外部环境中,混凝土的抗碳化性能取决于混凝土内部的组成与结构,主要指硬化浆体内部可碳化物质种类和数量以及硬化浆体中孔的数量、尺寸,其中作用最大的是开口联通孔隙数量与孔的尺寸[5].因此,对掺橡胶混凝土抗碳化性能变化机理分析可以从孔结构来分析.

橡胶的掺入对混凝土抗碳化有着正反两方面作用,首先橡胶颗粒表面为非极性,水泥基体为极性,两者相容性较差,在表面张力作用下,水泥浆体受到背离橡胶颗粒表面的张力,使橡胶与水泥浆结合面产生裂缝,这种裂缝使混凝土密实度降低,同时也给二氧化碳的侵入提供了更加便捷的通道;其次,吴中伟院士认为d<20 nm孔以下为无害孔,d=20~50 nm孔为少害孔,d=50~200 nm孔为有害孔,d>200 nm孔为多害孔[6].同时,T.A.Bier研究表明,不能被碳化的水泥石孔径通常在10~50 nm范围内,而且当水泥石孔径较细时,碳化生成的碳酸钙晶体可以将孔隙塞堵的更为密实,阻止二氧化碳的进入[7],橡胶混凝土中由于橡胶的掺入可以有效改善混凝土内部孔结构,形成大量封闭孔,从而阻止毛细孔形成连续贯通的网状结构体系,形成一道“抗碳化带”,对抑制二氧化碳的侵入产生积极作用.

在碳化初期,碳化深度较小,一般为3 mm左右,从橡胶分布的概率角度来分析,在混凝土3 mm深度左右能够形成有效“抗碳化带”的概率是较小的,因而不利影响大于有利作用,从而表现为橡胶混凝土抗碳化能力低于基准混凝土,且橡胶粒径越小,引气量越多,表面缝隙越多,密实度越低,碳化深度越大;而随着碳化的深入,二氧化碳遭遇“抗碳化带”的概率越大,此时橡胶对混凝土抗碳化能力的积极作用占主导优势,且橡胶粒径越小,抗碳化效果越明显.然而当含气量达到一定程度,微小气泡出现连通现象,反而形成孔径较大的多害孔,导致混凝土抗渗性降低,相对碳化相应速度加快,这就是橡胶掺量体积分数为15%时碳化深度反而加大的原因,由此说明橡胶混凝土在抗碳化方面存在最佳橡胶掺量,同时结合引气混凝土抗碳化研究也证明了混凝土抗碳化最优含气量的存在,这也给实际工程应用提供了参考依据.

3结论

(1) 橡胶的掺入降低了混凝土初期抗碳化性,后期抗碳化性得到提升.

(2) 橡胶的掺入能够改善混凝土抗碳化性,以橡胶掺量体积分数10%为佳,其余各掺量改善效果不明显.

(3) 橡胶粒径越小对混凝土抗碳化能力改善效果越好.

参考文献:

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[2] 卢木. 混凝土耐久性研究现状和研究方向[J]. 工业建筑, 1997,27(5):1-6.

(Lu Mu. Recent Study and Research Directions of Concrete Durability[J]. Industrial Construction, 1997,27(5):1-6.)

[3] 杨春峰,杨敏. 废旧橡胶混凝土的耐久性研究进展[J]. 沈阳大学学报:自然科学版, 2012,24(1):60-63.

(Yang Chunfeng, Yang Min. Research Progress of Durability of Waste Rubber Concrete[J]. Journal of Shenyang University: Natural Science, 2012,24(1):60-63.)

[4] 袁群,冯凌云,翟敬栓,等. 橡胶混凝土的抗碳化性能试验研究[J]. 混凝土, 2011(7):91-96.

(Yuan Qun, Feng Lingyun, Zhai Jingshuan, et al. Study on Rubber Concrete Carbonation Performance Tests[J]. Concrete, 2011(7):91-96.)

[5] 朱安民. 混凝土碳化与钢筋混凝土耐久性[J]. 混凝土, 1992(6):18-22.

(Zhu Anmin. Carbonation of Concrete and Reinforced Concrete Durability[J]. Concrete, 1992(6):18-22.)

[6] 吴中伟,廉惠珍. 高性能混凝土[J]. 北京:中国铁道出版社, 1999:22-25.

(Wu Zhongwei, Lian Huizhen. High Performance Concrete[J]. Beijing: Chinese Railway Publishing House, 1999:22-25.)

[7] Bier T A, Kropp J, Hilsdorf H K. The Formation of Silica Gel during Carbonation of Cementitious Systems Containing Slag Cements[C]∥Proceedings of Third International Conference on the Use of Fly Ash, Silica Fume, Slag, and Natural Pozzolans in Concrete, 1989:1413-1428.

【责任编辑: 王颖】

Experimental Study on Carbonation Resistance of Waste Rubber Concrete

YuQuna,b,WangJinga,YeWenchaoa

(a. Architectural and Civil Engineering College, b. Key Laboratory of Geoenvironmental Engineering of Liaoning Province, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

Abstract:The effect on the waste rubber concrete carbonization resistance performance is studied from using three different doses of rubber which is 5%, 10%, 15% and three different rubber particle size which is 2~4 mm, 30~40 mesh, 60~80 mesh. The conclusions are: the concrete adding rubber particles has an adverse effect on early carbonation resistance of concrete, but late can make concrete carbonation resistance ability raise; different rubber particle size and different influence on concrete carbonation resistance ability, 10% rubber content effect is the best, and the smaller the particle size of rubber particle concrete carbonation resistance ability of the better the results.

Key words:waste rubber; concrete; durability; carbonation resistance performance

收稿日期:2014-12-04

中图分类号:TU 502

文献标志码:A

作者简介:于群(1975-)，辽宁沈阳人，沈阳大学副教授。

基金项目:国家科技支撑计划项目课题(2013BAJ15B03); 辽宁省自然科学基金资助项目(201102153); 辽宁省高校创新团队支持计划项目(LT2012021)。

文章编号:2095-5456(2015)01-0060-04