冻融条件下再生橡胶混凝土损伤演变与强度相关性研究

汪振双，苏昊林

(1.东北财经大学投资工程管理学院，大连 116025；2.伯明翰大学土木工程学院，伯明翰 B152TT)



冻融条件下再生橡胶混凝土损伤演变与强度相关性研究

汪振双1，苏昊林2

(1.东北财经大学投资工程管理学院，大连 116025；2.伯明翰大学土木工程学院，伯明翰B152TT)

为了研究冻融循环条件下再生橡胶混凝土强度与耐久性之间的相关性，试验通过对不同掺量和粒径橡胶颗粒再生混凝土进行了抗压强度和抗冻性试验，并基于抗冻性损伤模型构建冻融循环条件下再生橡胶混凝土损伤演变和强度相关性方程。试验结果表明：再生混凝土的7d和28d的立方体抗压强度随着橡胶颗粒粒径和掺量的增加而减小，橡胶颗粒的掺入能改善再生混凝土的抗冻性能，并可通过相对动弹模数值快速估算出再生混凝土的强度，可作为冻融循环条件下，再生橡胶混凝土结构评估的参考和依据。

再生混凝土； 橡胶颗粒； 冻融； 损伤； 强度； 相关性

1 引 言

随着我国城市基础设施建设的不断完善和新型城镇化进程的不断推进，混凝土材料的需求量和消耗量逐年增加。我国每年工程建设领域混凝土的消耗量约为13～14亿m3，约占全世界混凝土材料消耗量的一半左右[1]。混凝土材料的大量使用，砂、石等天然资源的消耗量也逐年增大。另一方面，随着混凝土材料的消耗，建筑垃圾随之产生。据统计[2]，我国建筑垃圾已超过15亿t，每年因建筑拆除产生10亿t以上的建筑垃圾。因此，再生混凝土已成为了建筑垃圾资源化利用的主要途径，再生混凝土是未来混凝土材料发展的必然趋势。国内外学者对再生混凝土的组成材料、配合比、强度和耐久性展开了大量的研究[3-6]。与普通混凝土相比，再生混凝土的耐久性较差，制约了再生混凝土在工程当中应用和发展。废弃橡胶颗粒掺入到再生混凝土中，不仅改善再生混凝土材料的脆性和自重大缺点，提高了再生混凝土材料的韧性，提高了再生混凝土材料的耐久性[7-10]。此外，还拓展了废弃橡胶的应用领域和范围，具有重要的经济、社会和环境价值。本文以在冻融条件下再生橡胶混凝土耐久性衰减劣化过程为例，以相对动弹模的变化和相对抗压强度的变化来定义再生橡胶混凝土冻融条件作用的损伤变量[10-13]，研究橡胶颗粒的粒径和掺量对再生混凝土强度和抗冻性的影响，并用相对动弹模这一无损检测手段表征的冻融前后再生橡胶混凝土抗压强度的关系。

2 试 验

2.1 试验材料

试验中水泥选用的是P·O42.5(大连小野田水泥厂)。细集料为天然河砂，密度2.68g/cm3，细度模数2.41。混凝土的减水剂为多羧酸系高性能AE减水剂，减水率20%。水为普通饮用水。再生粗集料所选用的混凝土是实验室浇注C40混凝土经自然养护6个月以后制得，再生粗集料的最大粒径控制在25mm。橡胶颗粒为天津市某橡胶厂生产的橡胶粉。再生粗集料和橡胶粉颗粒的物理性能指标如表1所示。

表1 橡胶颗粒和再生粗集料的基本性质

2.2 再生橡胶混凝土的配合比

试验设计C30强度等级的再生粗集料混凝土，橡胶颗粒等质量取代再生粗集料混凝土中砂子，取代量分别为10kg/m3，20kg/m3和30kg/m3，AE碱水剂用量为水泥用量的5.3%，再生橡胶混凝土的配合比如表2所示。

表2 再生的混凝土配合比

2.3 试件成型和测试方法

试验采用强制式搅拌机进行搅拌，再生橡胶混凝土的成型参照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》，实验室静置24h后进行拆模，并放入混凝土标准养护室进行养护。再生橡胶混凝土抗压强度试件尺寸为150mm的立方体。再生橡胶混凝土的抗冻性试件尺寸为100mm×100mm×400mm的棱柱体。按按GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》和GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行再生橡胶混凝土立方体抗压强度和抗冻性测试。其中，再生橡胶混凝土冻融循环后的抗压强度测试的试件，是通过100mm×100mm×400mm的棱柱体冻融循环后进行取芯，得到φ50mm×100mm的圆柱体试件，每组3个。

3 结果与讨论

3.1 再生橡胶混凝土的立方体抗压强度

再生橡胶混凝土7d和28d立方体抗压强度试验结果如图1所示。从实验过程中可以看出，随着荷载数值的不断增大，混凝土表面出现了斜向和竖向的微裂缝。微裂缝随着施加荷载的进一步增大，不断扩展、延伸，形成倒“八”字形裂纹。最终，裂缝延伸，联通，导致混凝土表面出现剥落，导致混凝土材料发生破坏，成为正、倒相连的四角锥体。

图1 混凝土立方体抗压强度实验结果Fig.1 Cubic compressive strength of recycled concrete

3.1.1 橡胶取代率对再生混凝土抗压强度的影响

从图1试验结果可以看出，橡胶颗粒的取代量对再生混凝土的立方体抗压强度影响比较显著。橡胶颗粒的粒径为60目时，未掺入橡胶颗粒的再生混凝土CR1，其7d和28d抗压强度分别为28.3MPa和38.3MPa，橡胶颗粒的取代量为10kg/m3，20kg/m3和30kg/m3时，CR2，CR3和CR4混凝土7d的立方体抗压强度分别为CR1混凝土7d抗压强度的92.2%，89.4%和71.1%，而CR2，CR3和CR4混凝土28d的立方体抗压强度分别为CR1混凝土28d抗压强度的93.2%，86.8%和70%。可以看出，随着橡胶颗粒掺量的增加，再生橡胶混凝土7d和28d的立方体抗压强度逐渐降低，这主要是由于橡胶颗粒为弹性材料，模量较低，强度低远低于砂子的强度，在再生混凝土配合比设计中，等量取代砂子掺入到再生混凝土中，影响再生混凝土的强度。再者，橡胶颗粒是一种有机弹性材料，属于憎水性材料，将其掺入到再生混凝土中，影响水泥石与集料之间的粘结，进而导致再生混凝土强度降低[14]。

3.1.2 橡胶颗粒粒径对再生混凝土抗压强度的影响

从图1的再生橡胶混凝土立方体抗压强度试验结果中可以看出，当橡胶颗粒的取代量为20kg/m3时，与掺入橡胶颗粒粒径为60目的再生混凝土相比，掺入橡胶颗粒粒径为1～3mm和3～6mm的再生混凝土的立方体抗压强度降低比较明显，其7d立方体抗压强度分别下降7.5%和5.9%，28d立方体抗压强度分别下降14.6%和14.5%。由此可知，橡胶颗粒的粒径对再生混凝土的7d和28d立方体抗压强度的影响比较明显。再生混凝土中掺入橡胶颗粒，在混凝土中只起到惰性填充材料的作用，并没有发生化学反应，没有生成新的物相结构[9]。另外，橡胶颗粒的粒径越大，在再生混凝土材料内部引入的孔隙就越大，降低了混凝土材料的密实度，导致再生混凝土强度下降。

3.2 再生橡胶混凝土抗冻性试验

抗冻性是混凝土材料耐久性重要指标之一。再生混凝土抗冻性按GBJ82-85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》中快冻法进行测试。经过200次冻融循环后，再生混凝土CR1试件尺寸完整性最差，破损较为严重。掺入橡胶颗粒的再生混凝土，经过200次冻融循环后，试件表面尺寸完整性状况均好于CR1再生混凝土试件。此外，随着橡胶颗粒掺量的增加，再生粗集料外露少，试件表面砂浆的剥落量少，再生混凝土的抗冻性能较好。

3.2.1 质量损失率和相对动弹模

图2是再生橡胶混凝土的质量损失率随冻融循环次数增加的变化情况。可以看出，经过125次冻融循环后，CR1试件质量损失率为5.3%，CR2为5.4%，CR3为3.9%，CR4为3.0%，CR5为4.2%，CR6为4.4%。再生混凝土中掺入橡胶颗粒，改善了再生混凝土内部孔隙结构和特征，提高了再生混凝土的抗冻性。由图3的试验结果还可以看出，橡胶颗粒的掺量越多，再生混凝土的抗冻性越好。需要指出的是，混凝土的抗冻性与混凝土内部的孔结构密切相关，橡胶颗粒属于非极性有机材料，极易包裹空气。这样新拌混凝土中掺入橡胶颗粒，会导致混凝土拌合物的含气量增大，使再生混凝土硬化后的孔隙率增大，进而改善再生混凝土的抗冻性。从表3可以看出，橡胶颗粒的粒径为60目，掺量为30kg/m3时，引气量最大，与再生混凝土质量损失率的试验结果相吻合。值得注意的是，再生混凝土的抗冻性随着橡胶颗粒粒径的增大而降低，大粒径的孔隙对再生混凝土的抗冻性不利。

图2 再生混凝土冻融循环质量损失率Fig.2 Mass loss of recycled concrete after freezing-thawing cycles

图3 再生混凝土相对动弹性模量变化Fig.3 Relative dynamic modulus of recycled concrete after freezing-thawing cycles

混凝土材料冻融劣化是材料由致密到疏松变化的物理过程，可以用混凝土动弹性模量变化来表征混凝土在冻融循环条件下的损伤失效过程。再生粗集料在制备过程中内部存在一定的原始缺陷和微裂缝。此外，再生混凝土在成型过程中，由于水分的蒸发也存在一定的原始缺陷。在冻融循环条件下，再生混凝土内部的微裂缝和原始缺陷逐渐发育生长，导致再生混凝土的密实度下降，进而使再生混凝土动弹性模量下降。从图3再生橡胶混凝土相对动弹性模量与冻融循环次数之间的变化中可以看出，再生混凝土经过125次冻融循环之后，CR1的相对动弹性模量为85%，而CR2，CR3，CR4，CR5和CR6混凝土的相对动弹性模量均大于90%。200次冻融循环后，CR2混凝土的相对动弹性模量为85.8%，而CR3，CR4，CR5和CR6混凝土的相对动弹性模量均大于90%。此外，通过试验结果还可以看出，橡胶颗粒粒径60目时，取代量为30kg/m3时，再生混凝土的抗冻性最好，这与质量损失率的试验结果相吻合。60目粒径的橡胶颗粒掺入到再生混凝土中，相当于在再生混凝土的内部引入大量的微小闭合孔，改善了再生混凝土的抗冻性[15-17]。

图4 再生混凝土冻融循环条件下抗压强度变化Fig.4 Relative dynamic modulus of concrete after freezing-thawing cycles

3.2.2 抗压强度的变化

冻融循环条件下，再生橡胶混凝土立方体抗压强度的试验结果如图4所示。在冻融循环初期，再生橡胶混凝土试件表面出现不同程度的微小损伤。由图4的可以看出，在冻融循环条件下，CR1混凝土立方体抗压强度下降较快，经125次冻融循环后，CR1混凝土的强度为32MPa，经150次冻融循环后，CR1混凝土试件破损。掺入橡胶颗粒后，再生混凝土的抗冻性提高。可以看出，冻融循环条件下，再生橡胶混凝土的立方体抗压强度的变化与相对动弹模变化一致。

3.3 再生橡胶混凝土强度与损伤之间关系

Bazant[18]在混凝土抗冻性研究基础上，建立混凝土抗冻性数学模型，利用该数学模型模拟混凝土在冻融循环过程中孔隙水的迁移过程，并计算出孔溶液结冰释时混凝土内部的温度和应力分布。我国学者许丽萍[19]，李金玉模型[20]和蔡昊[21]等建立了混凝土抗冻性预测模型，来预测混凝土的抗冻性。关宇刚[22,23]基于损伤力学原理，用混凝土相对动弹模量变化定义混凝土的损伤度，研究了混凝土在冻融循环条件下损失失效过程，如公式(1)所示：

(1)

式中，D-混凝土损失度，E0，Ei-混凝土初始动弹性模量，剩余动弹性模量。

已有的大量研究表明[19-22]，混凝土的立方体抗压强度与冻融循环次数的关系符合下面的规律：

(2)

为了便于数学回归方法对数据的处理，将公式(1)两边同时取对数，把上式恒等变形为：

(3)

(4)

再生橡胶混凝土的 值按公式(1)～(4)计算得到计算结果如表3所示。

表3 再生橡胶混凝土的η值

从表3的计算结果可以看出，再生混凝土中掺入橡胶颗粒影响η值，在工程实际当中可以借助于混凝土的相对动弹模来快速估算混凝土的强度。

4 结 论

通过对比试验分析了不同掺量和粒径橡胶颗粒对再生混凝土进行了强度和抗冻性能的影响，基于抗冻性损伤模型构建冻融循环条件下再生橡胶混凝土损伤演变和强度相关性进行了研究，主要结论如下：

(1)再生混凝土中掺入橡胶颗粒起到惰性填充作用，再生混凝土的强度随着橡胶颗粒掺量和粒径的增加而减小；

(2)再生混凝土中掺入橡胶颗粒改善混凝土的抗冻性，再生混凝土中橡胶颗粒粒径和掺量对混凝土抗冻性影响比较显著；

(3)混凝土冻融循环条件下的抗压强度可以去混凝土的相对动弹模进行表征，在工程中可通过二者相关性方程，估算再生橡胶混凝土的强度。

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Correlation between Recycled Rubber Concrete Strength andDamage Evolution in Freeze Thaw Cycles

WANG Zhen-shuang1,SU Hao-lin2

(1.SchoolofInvestmentandConstructionManagement,DongbeiUniversityofFinanceandEconomics,Dalian116025,China;2.SchoolofCivilEngineering,UniversityofBirmingham,BirminghamB152TT,UnitedKingdom)

s:Inordertoresearchtherecycledrubberconcretethecorrelationbetweenstrengthanddurability,compressivestrengthattheagesof7dand28d,andfrostresistancewerecarriedouttoresearchrecycledaggregateconcretewithdifferentrubberparticleswithdifferentreplacementcontentreplacingfineaggregateandsize.Thecorrelationformulawasestablishedtorevealtherelationshipbetweenstrengthanddurabilityundertheeffectoffreezethaw.Itcanbeconcludedthattheadditionofrubberparticlereducedthecompressivestrengthrecycledconcreteattheagesof7dand28d,andthecompressivestrengthdecreasedwiththeadditionofrubberparticlesincreasing.Inaddition,theinfluenceeffectofrubberparticlewassignificant.Thefrostresistanceofrecycledaggregateconcretewasimprovedbyadditionofrubberparticle.Thecorrelationformulaindicatedthatthecompressivestrengthofrecycledrubberconcretecanbeestimatedbyrelativedynamicmodulus,anditcanbeusedtoevaluatetheconcretestructureunderthefreezethawcycles.

recycledaggregateconcrete;rubberparticle;freezethaw;damage;strength;correlation

第八批博士后特别资助项目(2015T80259)；辽宁省教育厅基金一般项目(W2015130)；东北财经大学青年科技人才培育项目(DUFE2015Q15)

汪振双(1982-)，男，博士，讲师，硕导.主要从事混凝土材料科学与技术和材料经济学方面的研究.

TU

A

1001-1625(2016)12-4286-06