纳米氧化硅-橡胶再生混凝土抗冻性能试验研究

刘 榴

(武汉工程大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430073)

据统计，中国城市垃圾总量的30%～40%为建筑垃圾，废弃混凝土占建筑垃圾总量的50%～60%[1]。然而对于废弃混凝土利用率较低，通常将其用作基坑回填或道路路基，只有少部分破碎后用于配制成再生混凝土。大部分废弃混凝土都没有做任何处理，通常是露天堆放或填埋[1]。同时，随着汽车工业的发展，产生了大量废旧橡胶轮胎。中国每年产生的废橡胶轮胎超过5 000万条，但是只有少部分经过处理后加以利用，大量未处理的废旧轮胎会带来巨大的环保问题[2]。

纳米氧化硅在混凝土中能够起到高化学活性和微粒性作用，在再生混凝土性能改善方面具有良好的应用前景[3]。张海燕等[4]研究了不同水胶比条件下纳米SiO2掺量对高性能混凝土抗压强度的影响；学术界对再生混凝土和橡胶再生混凝土的抗冻性能进行了一定的研究[5-8],赵丽妍[9]通过将不同粒径的橡胶粉分别按10、20、30 kg/m3的掺量掺入混凝土中，研究表明当橡胶粉粒径为120目、掺量为10 kg/m3时，可明显改善混凝土的抗冻性。洪锦祥等[10]研究表明，随着冻融循环次数的增加，橡胶混凝土的受拉性能和变形性能均呈明显的下降趋势。Topcu等[11]将橡胶颗粒分别以骨料体积的10%、20%、30%掺入混凝土中进行抗冻试验，结果表明，掺入橡胶颗粒后的混凝土抗冻性均好于未掺橡胶颗粒的。杨春峰等[12]通过试验发现，掺入橡胶能改善混凝土的抗冻性，橡胶粉比橡胶颗粒的效果好。赵强等[13]通过试验研究不同橡胶颗粒、纳米SiO2掺量对再生混凝土力学性能的影响，纳米SiO2的掺入可以提升橡胶再生混凝土的力学性能，当纳米SiO2掺量为5%时，改善效果显著。关于纳米SiO2和橡胶再生混凝土的现有研究成果较多，但在抗冻性能方面的研究较为欠缺。

本文针对掺入不同比例的橡胶粉、纳米SiO2对再生混凝土抗冻性能进行研究。采用的再生粗骨料和再生细骨料取代率均为30%，橡胶颗粒的掺量分别为0%、1%、3%、5%，纳米SiO2的掺量分别为0%、1.5%、3%，通过试验研究不同掺量的橡胶粉、纳米SiO2对再生混凝土抗冻融循环的影响。

1 试验概况

1.1 试验原材料

水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥，天然粗骨料为武汉市某项目所用公称粒径为5～25 mm连续级配的石灰岩碎石，再生粗骨料来自于学校实验室改造工程中的地面废弃混凝土经筛捡、破碎、筛分并按试验要求混合后形成的连续级配骨料，天然细骨料为武汉市天然河砂，细度模数为2.6，属Ⅱ区中砂。再生细骨料来自于实验室改造工程中的地面废弃混凝土破碎后筛分得到的连续级配细骨料，细度模数为3.0，属Ⅱ区中砂。骨料基本性能见表1。

表1 骨料基本性能

试验中所采用的纳米SiO2来自于唐山曹妃甸泰弘晟达新材料有限公司，其技术指标由厂家提供，见表2，其外观特征见图1。橡胶粉为四川省某橡胶材料厂生产的粒径为80目(0.18 mm)的废旧轮胎橡胶粉，外观呈现为黑色粉末状，外表光滑，具有憎水性，见图2。

表2 纳米SiO2技术指标

图1 纳米SiO2

图2 橡胶粉

1.2 试验配合比

本试验的配合比以普通混凝土作为基准组进行设计，其他组根据该配合比进行设计。再生粗骨料和再生细骨料取代率均为30%(分别等质量取代天然碎石和天然河砂)，橡胶粉掺量为 0、1%、3%、5%(等质量取代天然河砂)，纳米SiO2掺量分别为0、1.5%、3.0%(等质量取代水泥)，共配制了13组不同配合比试件，混凝土配合比见表3。

表3 混凝土配合比

1.3 试验方法

根据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[14]的相关规定，进行抗冻试验。本次试验采用快冻法，试验采用的试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，分别测试了冻融循环作用下各试件在28 d龄期的质量损失和强度损失。

2 试验结果及分析

2.1 质量损失率

冻融循环达到50次时，基准混凝土质量损失率为-0.31%。与基准混凝土相比，未掺入橡胶粉、纳米SiO2的再生混凝土质量损失率减小了25.8%。这是由于再生骨料吸水率较天然骨料大，混凝土内部的孔隙经冻融后带来的孔壁压力而扩大，产生不同程度的损伤，形成微裂缝，从而吸收较多的水分，而且早期的冻融不会使混凝土表层砂浆大量的剥落，砂浆剥落的质量少于吸收水分的质量，导致混凝土质量增大，质量损失率减小。

在不同冻融循环次数下橡胶粉掺量、纳米SiO2掺量对再生混凝土质量损失率的变化曲线分别见图3、4。

a)纳米SiO2掺量为0

由图3知，再生混凝土的质量损失率随着冻融循环次数的增加而减小；在纳米SiO2掺量一定时，冻融循环作用下再生混凝土的质量损失率随橡胶粉掺量的增加而减小，由于橡胶粉掺量的增加，其与水泥浆体结合面的裂缝也会变多，微裂缝处逐渐被水分填充，混凝土质量损失率减小。

由图4知，在橡胶粉掺量一定时，冻融循环作用下再生混凝土的质量损失率随纳米SiO2掺量的增加而增大，主要是纳米SiO2填充作用和高活性使水泥颗粒表面效应增强，促进水化反应进程，水化产物增多，减少了混凝土内部有害孔隙的数量，密实度显著提高，从而吸收的水分大幅减少，质量相对减小。与基准混凝土相比，单掺3%的纳米SiO2再生混凝土的质量损失率提高了64.5%。

a)橡胶粉掺量为0和5%

2.2 强度损失率

冻融循环达到50次时，基准混凝土强度损失率为3.3%。掺入橡胶粉、纳米SiO2的再生混凝土强度损失率有不同程度的改善，其中橡胶粉和纳米SiO2的掺量分别为5%、3%时改善效果最好，与基准混凝土相比降低了45.5%，而未掺入橡胶粉、纳米SiO2的再生混凝土强度损失率提高了78.8%。主要是再生骨料在破碎过程中产生大量的微裂缝，而且多孔隙，这些微裂缝与孔隙集中在再生骨料表面附着的砂浆上，经过冻融循环之后便会在旧水泥砂浆与新砂浆的界面处相互贯通，导致强度损失较多。

在不同冻融循环次数下橡胶粉掺量对再生混凝土强度损失率的变化曲线见图5。由图5可知，在纳米SiO2掺量一定时，冻融循环达到50次再生混凝土强度损失率随着橡胶粉掺量的增加而降低。橡胶具有良好的弹性变形性能，为水结成冰的体积膨胀提供了空间，水泥-砂浆基体在早期硬化过程中，由于自身的收缩存在许多原始微裂缝，掺入橡胶粉后，这些微裂缝有些会和橡胶与水泥-砂浆基体的连接界面连通，微裂缝中的水在结冰过程中，冰与水之间存在饱和压差，使微裂缝中的水向四周移动，对缝壁产生渗透压力。而橡胶粉与水泥砂浆界面处的微裂缝，常温条件下裂缝被液态水填充满，低温条件下水结冰体积增大，内部产生体积应力，但弹性较好的橡胶粉通过自身收缩给冰提供发展空间，从而减小了作用于浆体上的应力，一定程度上抑制了再生混凝土内部裂缝的开展[15]。

a)纳米SiO2掺量为3%

在不同冻融循环次数下纳米SiO2掺量对再生混凝土强度损失率的变化曲线见图6。由图6可知，再生混凝土强度损失率随着纳米SiO2掺量的增加而降低。这是由于纳米SiO2具有填充效应，可以提高再生混凝土的密实度，减小冻融循环过程中再生混凝土内部孔隙水的含量，降低了再生混凝土的冻胀破坏压力，从而使得强度损失较少；纳米SiO2还具有活性效应，可与水泥发生二次水化反应，生成硬度更大的C-S-H凝胶，再生混凝土的整体抗压能力提高了，也使得强度损失较少，抗冻性能有所提高。

a)橡胶粉掺量为0和5%

3 结论

a)在冻融循环初期，混凝土质量损失率随着冻融循环次数的增加而减小，且均呈负增长。冻融循环达到50次时，橡胶粉掺量与再生混凝土质量损失率呈反比，纳米SiO2掺量与再生混凝土质量损失率呈正比。

b)在冻融循环初期，混凝土强度损失率随着冻融循环次数的增加而增加。冻融循环达到50次时，橡胶粉掺量以及纳米SiO2掺量与再生混凝土强度损失率均呈反比，其中橡胶粉和纳米SiO2的掺量分别为5%、3%时改善效果最好。但从经济方面考虑，橡胶粉和纳米SiO2的掺量分别为5%、1.5%时，对再生混凝土的抗冻性能已经有所提高，更适合优先选用。