橡胶颗粒对碾压混凝土抗冻性的影响

赵爽，张武满

（北京航空航天大学交通学院土木系，北京 100191）

橡胶颗粒对碾压混凝土抗冻性的影响

赵爽，张武满

（北京航空航天大学交通学院土木系，北京 100191）

本文采用快速冻融的试验方法，研究了碾压混凝土添加橡胶颗粒后的抗冻性。测定不同橡胶颗粒掺量的碾压混凝土在水中冻融后和同种橡胶颗粒掺量的碾压混凝土在不同冻融介质中冻融后的质量损失和动弹性模量等参数。结果表明：用橡胶颗粒等体积取代 5%、10%、15% 细骨料的碾压混凝土，在水中冻融表现出良好的抗冻性，冻融过程中的质量损失极小，相对动弹性模量损失随着橡胶掺量增加而降低，损伤同时表现为表层砂浆剥蚀和内部微裂缝发展；与水中冻融相比，橡胶掺量 10%的碾压混凝土在质量分数为 35% 醋酸钾溶液和 25% 乙二醇溶液中受到的冻融破坏更小，损伤主要在试块表层。

碾压混凝土；橡胶颗粒；抗冻性

0 引言

碾压混凝土（RCC）是一种具有低砂浆含量、高强高抗渗性等特点的干硬性混凝土。由于其施工速度快、成本低[1]，近几十年来被广泛应用于道路、大坝和机场建设工程中。但是RCC 的引气效果较差，抗冻性也有较大的争议[2-3]，影响其在机场路面建设中的应用。因此研究如何提高 RCC 的抗冻性有重要意义。Paine[4]等人，用橡胶颗粒代替引气剂填入混凝土中，起到了与引气剂相同的抗冻效果。也有文献记录[5]，在混凝土中添加橡胶颗粒有利于提高含气量。作为弹性材料，橡胶颗粒可以缓解冻融过程中混凝土内部的冻胀压力和渗透压力[6]。因此，在考虑到北方机场冬季使用除冰液会对混凝土路面冻融产生影响的基础上[7-8]，本文将不同掺量的橡胶颗粒填入到碾压混凝土中，在水和两种北方机场除冰液作冻融介质的条件下，通过试验研究碾压橡胶混凝土的抗冻性能及规律。

1 试验概况

1.1 原材料

本次试验采用的材料：①水泥为曲阜中联水泥厂生产的P·I42.5 混凝土外加剂检验专用基准水泥，其基本力学性能见表 1，化学成分见表 2；②细骨料采用北京沙河所产河砂，表观密度 2650kg/m3，堆积密度 1565kg/m3，细度模数 2.55；③石料采用粒径为 5～20mm 级配良好的碎石；④橡胶集料采用合肥召辉橡胶制品有限公司生产的橡胶颗粒，粒径为 1～3mm 连续级配的橡胶颗粒，该橡胶颗粒是由废旧轮胎垫带经机械破碎、筛分、清洗并除尘等一系列过程所得到，表面无预处理；⑤减水剂采用北京世纪洪雨科技公司生产的 HY801聚竣酸高性能减水剂；⑥除冰液采用成都民航六维航化有限责任公司生产的：NW－056A 机场道面除冰液，主要成分为醋酸钾溶液，下文简称 KA 溶液，及 FCY-1A 飞机除冰液，其主要成分为质量分数为 78% 的乙二醇溶液，下文简称 AD 溶液。

表1　基准水泥基本力学性能

表2　基准水泥的化学成分 %

1.2 配合比设计、试件的养护和成型

碾压混凝土的配合比按照 GJB 1578－92《机场道面水泥混凝土配合比设计技术标准》设计，设计抗折强度为5.0MPa，抗压强度等级为 C60，水泥用量为 315kg/m3，配合比为水:水泥:砂:石＝1:2.89:8.21:11.08，橡胶掺量共三种（5%、10%、15% 等体积取代砂）。减水剂掺量为水泥用量的 2.76%。配合比见表 3。

为了防止橡胶发生团聚，首先将橡胶颗粒和水泥搅拌均匀，之后连同粗骨料、细骨料加入到搅拌机干拌 30s 后，加入水拌合，期间均匀加入减水剂。然后出料后使用振动机碾压，振捣台振动成型 100mm×100mm×400mm 的棱柱体试件。试件成型后带模养护 24h 后，拆模并移入自动养护室内养护 24d。养护室的条件为温度 (20±2)℃、湿度 95%。养护至 24d 后，将要进行冻融试验的试块分组移入冻融介质中浸泡 4d。

表3　混凝土的配合比

1.3 试验方法

三种橡胶颗粒掺量的碾压混凝土在水、KA 溶液、AD溶液的冻融介质中进行试验，其中 KA 溶液的质量分数为35%，AD 的质量分数为 25%。分别使用相对动弹性模量、抗折强度、质量损失及表面观感来衡量冻融过程中混凝土试块发生的内部冻融损伤和表面剥蚀情况。

本文采用 DT-16 型混凝土动弹性模量测定仪分析碾压橡胶混凝土的抗冻性规律，按下式得出相对动弹性模量。

式中：

Pi——N 次冻融循环后第 i 个混凝土试件的相对动弹性模量（%），精确至 0.01；

fni——N次冻融循环后第 i 个混凝土试件的横向基频，Hz；

f0i——冻融循环前第 i 个混凝土试件横向基频的初始值，Hz。

式中：P——N 次冻融循环后一组混凝土试件的相对动弹性模量（%），精确至 0.01。

相对动弹性模量应以三个试件试验结果的算术平均值作为测定值，且当数据中最大值和最小值与中间值之差大于15% 时，应去除此数据；如果最大值和最小值或中间值之差大于 15% 时，应取中间值为测定值。

按照 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》，采用 300 次冻融循环作为冻融终止标准。

2 结果分析

2.1 不同橡胶颗粒掺量的碾压混凝土在水中的抗冻性

不同橡胶颗粒掺量的碾压混凝土在水中冻融循环 300 次后，试块质量变化、表面情况和相对动弹性模量变化情况如表 4 和图1、2 所示。由图可知，经过 300 次冻融后，三种掺量的混凝土试件外观形态保持完整，只有轻微的砂浆剥落情况，剥落程度随橡胶掺量的上升而略微增加。但在冻融过程中观测到，试块质量并没有发生明显变化，甚至有轻微的质量增加的情况。这可能是由于橡胶颗粒本身吸收一部分水分，同时作为弹性体在冻融过程中释放出了一些空间，混凝土也吸水导致重量增加，这与冻融过程中试块表面剥蚀的质量相抵消，从而没有引起质量变化。说明由于碾压混凝土低水灰比和高密实性的特点，使得混凝土的表面抗剥蚀能力增强。

表4　不同橡胶掺量的混凝土冻融循环试验结果

图1　不同橡胶颗粒掺量下的碾压混凝土冻融质量

从冻融过程中相对动弹性模量变化上来分析，混凝土的相对动弹性模量变化趋势由快变慢再变快，橡胶颗粒的掺量越大，混凝土的动弹性模量损失越小。掺入橡胶颗粒后的碾压混凝土在水中的抗冻性表现良好， 300 次冻融循环后动弹性模量降低最多的 5% 橡胶颗粒掺量的混凝土损失了 10.6%，而橡胶掺量 15% 的 RCC 只有 1.64% 的相对动弹模量损失。

图2　不同橡胶掺量的碾压橡胶混凝土在水中冻融后的表面情况和相对动弹性模量变化

2.2 橡胶颗粒掺量 10% 时碾压混凝土在不同冻融介质中的抗冻性
表 5 和图3、4 为橡胶颗粒掺量 10% 的碾压混凝土在水、35% KA 溶液和 25% AD 溶液中冻融循环 300 次后的试块质量变化、表面情况和动弹性模量变化。碾压橡胶混凝土在水中冻融后表面砂浆剥落情况比在 KA 溶液和 AD 溶液中稍明显，表面也更粗糙一些，可以看见有部分橡胶颗粒裸露在表面。而试块在 KA 溶液中和 AD 溶液中冻融后表面情况较为完好，区别在于在 KA 溶液中冻融后的试块表面有少量白色晶体析出。

表5　不同介质中的冻融循环试验结果

碾压橡胶混凝土在三种冻融介质的冻融过程中，质量损失均不明显，在 300 次冻融后将三组试块进行抗折试验，结果如表 6。试块在三种冻融介质中冻融循环 300 次后，抗折强度损失分别为 20%、21%、18%。抗折强度一定程度上反应出试块表层的损伤情况[9]，因此可以看出碾压橡胶混凝土在三种不同的冻融介质中冻融循环后，表层均会受到一定的破坏，但是这种破坏程度上的差别并不明显。

在冻融过程中相对动弹性模量变化上来分析，碾压橡胶混凝土在水中冻融时，动弹性模量下降速率由快变慢再变快，最终 300 次冻融循环结束时损失 7.9% 的相对动弹性模量，而在 KA 溶液和 AD 溶液中冻融时，动弹性模量先下降后保持平稳而后稍有增长，只发生极小的损失。相对动弹性模量反应的是混凝土内部微裂缝发展情况[9]，而碾压橡胶混凝土 KA 和 AD 溶液中冻融后的相对动弹性模量损失小于水中冻融，这可能是因为两种冻融介质冰点较低，降低了冻融过程中混凝土内部孔隙中水的冻结膨胀，从而减少内部微裂缝的生长，在一定程度上降低了对混凝土的冻融损伤。

但是两种溶液也会使混凝土表层吸水饱和程度上升，使冻融过程中破坏加大，不利于混凝土抗冻。综上，不同于碾压橡胶混凝土在水中冻融循环，损伤同时存在于表层和内部，在 KA 溶液和 AD 溶液的冻融过程中，损伤主要发生在表层。

图3　不同冻融介质中碾压橡胶混凝土的冻融质量

图4 碾压橡胶混凝土在不同冻融介质中冻融后的表面情况和相对动弹性模量变化

表6　冻融前后抗折强度对比

3 结论

（1）碾压混凝土中添加橡胶颗粒后，能够有效地减少在水、AD 和 KA 溶液内冻融过程中的相对动弹性模量的降低，说明有利于抑制冻融过程中混凝土内部微裂缝的发展，提高了碾压混凝土的抗冻性。

（2）在碾压混凝土中，随着添加橡胶颗粒量的增加，在冻融循环过程中损失的动弹性模量减少，但是表面的剥蚀情况有所加剧。因此可以预见通过添加橡胶颗粒提高混凝土抗冻性有一定的范围，超过范围不利于抗冻。

（3）橡胶颗粒掺量 10% 的碾压混凝土在水中冻融后，相对动弹性模量和抗折强度均有所下降，损伤表现为表层砂浆剥蚀和内部微裂缝发展。而在 35% KA 溶液和 25% AD 溶液中冻融后，相对动弹性模量变化较小，抗折强度降低 18%和 21%，说明损伤主要在表层发生。

[1] State-of-the-art report on roller compactedACI 325.10R-95, Manual of concrete practice,concrete pavementsvol. 2; 1996. p. 31

[2] Mahmoud Nili，M. ZaheriDeicer salt-scaling resistance of non-air-entrained roller-compacted concrete pavements [J]. Construction and Building Materials,2010,254:.

[3] Portland cement association．Frost durability of roller compacted concrete pavements. RD 135; 2004.

[4] Paine K A，Dhir R K，Moroney R，et al．Proceedings of

the international conference on concrete for extreme conditions[C]. Scotland UK: Universityof Dundee，2002: 486-498．

[5] Khatib,Z.K., Bayomy,F.M., Rubberized Portland cement concrete[J], Journal ofMaterials in Civil Engineering, 1999, 11(3):206-213.

[6] 牛艳芳，闫宁霞，郑新桥，等．橡胶掺量与粒径对混凝土抗冻性影响试验研究[J]．人民黄河，2013,05: 121-12．

[7] 赵鸿铎，姚祖康，张长安，等．飞机除冰液对停机坪水泥混凝土的影响[J]．交通运输工程学报，2004,02: 1-5．

[8] 麻海燕，余红发，白康，等．机场道面除冰液对高性能混凝土抗冻性的影响[J]．硅酸盐通报，2011,04: 860-864+879．

[9] 慕儒．冻融循环与外部弯曲应力、盐溶液复合作用下混凝土的耐久性与寿命预测[D]．东南大学,2000．

［通讯地址］北京市海淀区学院路 37 号（100191）

Effect of rubber particles on the frost resistance of roller compacted concrete

Zhao Shuang, Zhang Wuman
(School of Transportation Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100191)

The frost resistance of roller compacted concrete with rubber particles was studied. The mass loss, the dynamic modulus of elasticity and other related parameters were measured in the fast freeze-thaw cycling. Water, 35% potassium acetate solution and 25% ethylene glycol solution were used as the freeze-thaw mediumsrespectively.The results show that thefrost resistanceof roller compacted concrete with 5%, 10% and 15% rubber particles is goodduring thefreeze-thaw cycling in water. The loss of relative dynamic modulus decrease with the volume increasing of rubber particles. The spalling of the surface mortar and the internal micro-cracks were the damage model. Compared tothefreeze-thaw cycling in water, roller compacted concrete with 10%rubber particles show less damage after freezethaw cycling in 35% potassium acetate and 25% ethylene glycol solution, and the damage mainly occurs on the concrete surface.

roller compacted concrete; rubber particles; frost resistance

赵爽（1990—），男，硕士，主要从事混凝土耐久性研究。