橡胶再生混凝土抗冻性研究进展

赵丽楠

（华北水利水电大学 河南 郑州 450000）

0 引言

目前混凝土是最为广泛应用的建筑材料，骨料通常约占混凝土体积的70%[1]。随着建筑业的发展，砂石资源会面临紧缺难题，同时也会产生大量建筑垃圾。据测算，近年我国建筑垃圾年排放量超过20亿t[2]。建筑垃圾的填埋或堆放处理，不仅会侵占大量土地，还会污染土质及水源。若将建筑垃圾回收再利用能够资源利用，满足可持续发展要求。建筑垃圾的废弃混凝土可利用为路基材料或基础回填材料、再生骨料等。例如，郑州将部分建筑垃圾处理成再生砖应用于在建地铁出入口。当废弃混凝土制备成再生骨料时，由于再生骨料表面附带旧砂浆及制备过程产生的微小裂缝，再生骨料具有吸水率大，压碎指标大的特点，可能会影响再生混凝土的性能[3-4]。研究发现添加适量的橡胶集料可改善再生混凝土抗冻性、抗裂性等[5-6]。

随着车辆数量的增加，废旧轮胎的数量也急剧增长，全球每年报废约10亿条轮胎。大量废弃轮胎的堆积、填埋、燃烧等不当处理方式，会污染环境，浪费资源。学者通过将废旧轮胎掺入混凝土中，发现橡胶混凝土轻质、具有良好的韧性、抗冻性、抗冲击性等[7]。再生骨料与橡胶集料的结合不仅使资源循环利用，减少天然资源的开采，而且保护环境。因此，橡胶再生混凝土性能研究及利用对绿色发展具有重要意义。对于严寒地区的建筑物，冻融循环会影响建筑物的安全性，所以对橡胶再生混凝土抗冻性的研究具有重要意义。本文对橡胶再生混凝土含气量、抗冻性影响因素、改善措施方面进行总结与阐述。

1 含气量

橡胶集料掺量对橡胶再生混凝土含气量影响显著，而再生掺量对混凝土含气量影响不明显[8]。橡胶集料为憎水性材料且表面粗糙，易吸附气泡，混凝土内部含气量增加，当橡胶集料粒径减小，比表面积增加，引气性增强，混凝土含气量增加。

王静等[9]研究了橡胶掺量和再生骨料掺量对混凝土拌合物性能和力学性能影响。结果表明，橡胶颗粒的掺入增大了再生混凝土含气量，且随着橡胶掺量增加而增加。当再生骨料掺量和橡胶掺量分别为30%、3%时，混凝土含气量比再生混凝土含气量高46.7%。由于橡胶颗粒为憎水性材料，表面易吸附气泡，混凝土含气量增加。

屠艳平等[10]采用橡胶粒径分别为0.178 mm、0.42 mm、0.84 mm、1～3 mm，橡胶掺量为0%、1%、3%、5%，研究对再生混凝土性能影响。结果表明，再生混凝土含气量随着橡胶掺量增加及橡胶粒径减小而增加。学者研究橡胶混凝土含气量有相似结论[11-12]。

2 抗冻性影响因素

2.1 橡胶集料影响

橡胶再生混凝土的抗冻性与橡胶集料密切相关，适量的橡胶掺量对再生混凝土抗冻性有改善作用，由于橡胶集料的弹性变形性能和引气性能。学者在橡胶混凝土研究中发现橡胶粉对混凝土的抗冻性比橡胶颗粒效果好[13-14]。

张克等[15]选择司班40、十二烷基苯磺酸钠（表面活性剂）对橡胶粉进行改性，研究橡胶掺量和橡胶粒径对再生混凝土力学性能及抗冻性影响。结果表明，橡胶粉掺量比橡胶粉粒径对再生混凝土抗冻性影响显著。陈爱玖等[16]认为橡胶颗粒掺量大于20%后，再生混凝土内部孔洞数目增多，混凝土抗冻性下降。

汪振双等[17]研究了橡胶掺量和粒径对再生混凝土抗冻性影响，并提出了橡胶再生混凝土抗压强度与相对动弹性模量关系。结果表明，经200次冻融循环，再生混凝土破坏状态较严重，完整性较差，而掺入橡胶颗粒的再生混凝土完整性好于再生混凝土，随着橡胶掺量增加，试件剥落量降低。在125次冻融循环中，粒径60目橡胶颗粒掺量为30 kg/m3比掺量10 kg/m3，20 kg/m3质量损失率分别低23%，44%。在200次冻融循环后，60目掺量30 kg/m3相对动弹性模量最大，为94.1%。他们认为小粒径橡胶颗粒引入大量微小闭合孔，改善再生混凝土抗冻性，而大粒径橡胶颗粒引入孔隙对混凝土抗冻性不利。

含气量会影响混凝土的抗冻性，一方面橡胶集料夹带的气泡改善混凝土抗冻性；另一方面，当混凝土含气量过高时，孔隙连通，对混凝土抗冻性产生负面效应[18]。混凝土含气量随着橡胶掺量增加和橡胶粒径减小而增加，但掺入过量或过细的橡胶集料可能会对混凝土抗冻性不利。橡胶集料在混凝土可近似作为“引气剂”，由于橡胶表面粗糙，引入大量封闭微小气泡，可缓冲冻胀应力并有效抑制裂缝的产生和发展。橡胶粉的比表面积比橡胶颗粒大，能够夹带更多空气，改善混凝土抗冻性。

赵丽研[19]采用80目、100目、120目、150目橡胶粒径和橡胶掺量为10 kg/m3，20 kg/m3，30 kg/m3制备混凝土，与引气混凝土抗冻性对比。学者指出，四种粒径在掺量20 kg/m3以上，200次橡胶混凝土质量损失率比引气混凝土低27%～50%。其中，橡胶粒径为150目质量损失率略高于120目，可能由于橡胶粒径过小，会发生团聚现象，影响混凝土抗冻性。橡胶粒径对橡胶混凝土相对动弹性模量影响不显著。因此，橡胶混凝土抗冻性优于引气混凝土，建议选用橡胶粒径大于150目。学者还通过硬化混凝土气泡数据发现，随着橡胶掺量增加，混凝土气泡含量增多，气泡间距系数减小；随着橡胶粒径减小，气泡间距系数减小。根据Powers建议的气泡间距系数小于250 μm，橡胶混凝土具有较好的抗冻性。橡胶集料的弹性填充作用对混凝土抗冻性也有影响，缓解孔隙水冻胀压力，减小混凝土内部破坏，此外还可能会增加混凝土密实度，改善混凝土抗冻性。

2.2 再生骨料影响

影响橡胶再生混凝土抗冻性的因素还有再生骨料，再生骨料自身特点及掺量会影响混凝土抗冻性。杨洪生等[20]采用橡胶粉掺量为5%、10%，再生骨料掺量为25%、50%和75%制备混凝土，研究混凝土在水及3.5%氯化钠溶液中的抗冻性。结果表明，再生骨料掺量对混凝土抗冻性影响显著，在冰冻试验中，混凝土质量随着循环次数增加呈现先增加后降低的趋势，因为再生骨料具有吸水率大，孔隙率高特点，前期再生骨料吸水量高于表面剥落质量，混凝土质量呈增加趋势；后期随着循环次数增加，试件表面剥落量多于再生骨料吸水质量，混凝土质量降低[21-22]。混凝土相对动弹性模量随再生骨料掺量增加而下降迅速，橡胶粉可改善再生混凝土抗冻性，最佳掺量为5%。在盐冻试验中，混凝土质量随着循环次数增加变化明显，橡胶粉在抗盐冻试验中最佳掺量为10%。当再生骨料掺量为25%、50%时，混凝土相对动弹性模量在冻融循环160次后均大于60%，当再生骨料掺量增加到75%时，再生混凝土和橡胶再生混凝土相对动弹性模量下降迅速。TIAN[23]研究了橡胶掺量（0%、5%、10%）和再生掺量（25%、50%、75%）对再生混凝土抗冻性影响。结果表明，当再生骨料掺量为75%时，混凝土抗冻性比再生骨料掺量为25%、50%时差，当橡胶集料掺量为5%时，橡胶集料提高再生混凝土抗冻性效果较好。

再生骨料与天然骨料存在不同特点，例如，再生骨料表面附带旧砂浆，再生骨料多棱角且存在微小裂缝，吸水率大，孔隙率高等，这些特点可能会影响混凝土抗冻性。由于再生骨料吸水率较大，在制备混凝土时，通过将再生骨料预吸水处理或以额外用水量补偿[24]。汪振双等[17]指出，再生骨料在制备过程中产生的裂缝及缺陷，会降低混凝土密实度，对再生混凝土抗冻性产生不利影响。邓祥辉等[25]提到，由于再生骨料表面附带旧砂浆，再生骨料与混凝土会有三种界面：新砂浆与旧砂浆界面、新砂浆与骨料界面、旧砂浆与骨料界面，这些界面增大混凝土孔隙率。还测试再生混凝土的内部孔径分布，发现随着冻融循环次数增加，再生混凝土内部的大孔（半径0.05～1 μm）和裂隙（尺度大于1 μm）占比增大，影响混凝土抗冻性。尚永康[26]指出由于再生骨料吸水率大，再生骨料强度较低，内部含有缺陷，随着冻融循环次数增加，混凝土内部损伤积累，混凝土抗冻性降低。覃银辉[27]认为再生骨料与混凝土界面过渡区是再生混凝土薄弱面，对混凝土抗冻性产生不利影响。

再生混凝土掺量也会影响混凝土抗冻性，一般随着再生骨料掺量增加而降低。再生骨料掺量增加，混凝土吸水率增大，薄弱面增多，随着冻融循环次数增加，混凝土抗冻性降低。盛朝晖等[28]提出减少再生骨料掺量可以提高再生混凝土的抗冻性。陈德玉等[29]研究了再生骨料取代率为0%～100%对再生混凝土抗冻性影响，研究结果表明，冻融循环次数在150～300次时，再生骨料取代率对再生混凝土抗冻性影响显著。当再生取代率大于50%时，再生混凝土相对动弹性模量降低幅度大，质量损失逐渐提高。韩古月等[30]得到相似结论，正常破碎的再生骨料制备的混凝土抗冻性随着再生骨料掺量增加而降低，混凝土微裂缝和孔隙增多导致混凝土抗冻性变差。但AMORIM等[31]采用再生骨料等体积替换天然骨料的15%、20%、25%，试验研究发现，掺入再生骨料的混凝土的耐久性系数均比普通混凝土高，其中当再生骨料掺量为15%时，混凝土耐久性更好。

3 改善措施

学者通过掺加适量的纳米材料、纤维或改性橡胶集料等改善橡胶再生混凝土抗冻性，主要因为一是增加再生混凝土的密实度，二是能够缓解冻胀应力，抑制微小裂缝的发展，三是提高了橡胶集料与水泥基体间的黏结。

刘榴[32]研究橡胶粉掺量和纳米SiO2掺量对再生混凝土抗冻性影响，并以质量损失率和强度损失率评估橡胶再生混凝土的抗冻性。结果表明，橡胶粉掺量和纳米SiO2掺量分别为5%和3%时，相比于其他掺量的再生混凝土强度损失率最低。他们认为橡胶集料具有弹性变形能力，可缓冲冻融循环引起的内部应力，一定程度上限制微小裂缝的延伸和扩展。纳米SiO2具有填充效应和火山灰效应，能够提高再生混凝土密实度，改善混凝土抗冻性。

陈爱玖等[33]研究了玄武岩纤维掺量对橡胶再生混凝土抗冻性影响。结果表明，普通混凝土试验组、再生混凝土试验组、橡胶混凝土试验组、橡胶再生混凝土试验组的质量损失率随着纤维掺量增加而降低，相对动弹性模量随着纤维掺量增加而增加。橡胶颗粒的引气性及弹性变形能力，玄武岩纤维承受收缩及冻融作用的应力的能力可减小再生骨料对混凝土的不利作用。陈爱玖等[16]采用螺旋CT扫描技术和扫描电镜观察钢纤维橡胶再生混凝土内部结构并分析纤维对混凝土抗冻性影响机理。钢纤维在混凝土内部形成三维网络，同时纤维可缓解冻融作用产生的应力，一定程度上可抑制混凝土裂缝产生和延伸。

王焕宇[34]在再生混凝土中掺入预处理改性橡胶颗粒，及1%聚丙烯纤维，研究混凝土的力学性能及抗冻性。研究表明，改性方法可以提升混凝土的抗冻性，因为橡胶集料的疏水性经改性处理，橡胶集料表面亲水性提高，橡胶集料与水泥基体的黏结也得到提高，改善了混凝土的抗冻性。聚丙烯纤维也可以改善再生混凝土的抗冻性，聚丙烯纤维在混凝土中会形成立体网络结构，分担多方向的应力，减小裂缝的发展，还能提高再生混凝土的密实度，从而提升混凝土抗冻性。

学者对橡胶混凝土或再生混凝土的性能提升已有广泛研究。一般对橡胶集料处理方法有物理处理和化学处理，这些方法改善了橡胶集料与水泥基体间的黏结，进而改善混凝土的力学性能和耐久性[35]，复合改性橡胶混凝土的抗冻性优于单一改性橡胶混凝土。对再生混凝土性能提升可以对再生骨料自身提升或加入矿物掺合料、纤维、外加剂等。强化再生骨料的方法有去除和加固黏附砂浆，以减小混凝土吸水率和填充孔隙作用[36]。通过选择合适的改善措施，提升橡胶再生混凝土抗冻性。

4 结语

橡胶再生混凝土抗冻性的研究对于促进废旧轮胎和建筑垃圾资源利用，推动橡胶再生混凝土在寒冷地区的应用与发展具有积极意义。橡胶集料掺量比再生骨料掺量对再生混凝土含气量影响显著，混凝土的含气量随着橡胶掺量增加和橡胶粒径减小而增加。掺入适宜的橡胶掺量和橡胶粒径对再生混凝土抗冻性有改善作用，再生骨料特点和掺量也会影响混凝土抗冻性。掺加适量的纳米材料、纤维或对橡胶集料进行改性等方法，可以改善再生混凝土抗冻性。通过质量损失率、相对动弹模量或强度损失率等来评估橡胶再生混凝土抗冻性，进而可以预测橡胶再生混凝土损伤模型，计算橡胶再生混凝土的寿命，更为深入的研究混凝土抗冻性规律，完善再生混凝土的抗冻性理论。