基于橡胶再生材料结构的冻融现状研究

王鹏举，刘 闯，谢景洲，师营营

（华北水利水电大学土木与交通学院 河南 郑州 450000）

0 引言

近几年，随着城镇化进程的不断加快，建筑材料的需求量也逐年增加。天然砂石等自然资源消耗严重，导致建筑垃圾不断增多。据统计我国每年产生的建筑垃圾达到10亿吨以上，因此由废弃结构制备的再生结构将成为未来结构的发展趋势。与普通结构相比，再生结构的抗冻性能较差，制约了再生结构的发展。当再生结构中加入废弃橡胶颗粒，一定程度上提高了再生结构的韧性，并且抗冻性能也得到了提升。抗冻性是评价结构耐久性的重要指标之一，严寒地区的结构冻害现象尤为严重。我国东北、华北和西北地区气候条件恶劣，年均温度低，水工建筑物干湿交替频繁，大坝、港口、城市景观河道、输水工程等水工结构冻融破坏严重。大部分学者仅单一研究了橡胶结构或者是再生结构的冻融损伤，将两者结合起来的研究却比较少。因此本文结合目前国内外研究现状，分别阐述了橡胶和再生骨料在冻结方面的损伤影响以及提高抗冻性能的改善措施。

1 冻融破坏机理

结构的冻融破坏过程是基于多种物理变化共同作用的结果。结构冻结损伤过程如此复杂的原因是由于其内部由多种材料共同组成。普通结构是由骨料和水泥砂浆以及水共同组成的复合材料。由于结构在拌合成型过程中加入了大量的水，在凝结硬化过后，多余的水便滞留在结构内部，形成了大量的连通毛细孔。随着环境温度降低，结构内部的水分就从液相变成固相，水变成冰体积膨胀，使结构发生冻害现象。

1.1 静水压力理论

结构在负温条件下毛细孔水会由液态相变成固态相，即水变成了冰。水变成冰之后其体积会膨胀约9%，因此毛细孔会受到因为水变成冰带来的膨胀压力，孔结构也会形成相应的拉应力。毛细孔水存在于细小的毛细孔中，当温度降到零下时，这部分水便会结冰膨胀，产生冻胀水压力。游离水也是可冻水，一旦温度降到负温，便会发生结冰现象。因此结构的冻害现象主要是由于这两种存在于结构内部的水结冰造成的。

1.2 渗透压理论

虽然静水压理论可以解释大部分的冻融破坏现象，但仍然存在一些无法被很好解释的冻害现象，如一些不会发生膨胀的有机溶液同样也会发生冻融破坏现象。因此，基于以上问题，一些学者研究出了渗透压力理论，该理论认为水和冰的自由能不同，水变成冰后，水的蒸汽压远大于冰的蒸汽压。因此随着温度持续降低，结构内部尚未结冰的水就会向已结冰的方向移动。另外，结构内部还含有大量的盐类，当结构降至负温结冰，这些盐类离子就会聚集在已结冰区域，于是便形成了浓度差，导致浓度低区域的溶液向浓度高的区域移动，这种水分子的移动和重分布引起了渗透压。

2 再生骨料和橡胶对结构抗冻性影响

为了得到最优的再生骨料掺量配比，一些学者研究了再生骨料在不同掺量下结构的抗冻性能。其中周宇等[1]研究了在相同配合比的条件下，将再生粗骨料以等质量的方法取代0、30%、50%、70%、100%进行冻融循环试验，结果表明：冻融次数相同的情况下，再生粗骨料的掺量越大，其抵御抗冻的能力也越差。其原因是再生结构内部有较多的孔隙和细小微裂痕，因此非常容易发生冻融破坏。出现这种情况的原因是由于在冻结过程中再生骨料吸收了一部分水抵消掉了质量损失，并且再生骨料的孔隙率较大，在冻结过程中产生的冻胀压力较小。相对弹性模量则随着再生骨料的增加而逐渐降低。

刘恩铭等[2]基于冻融破坏机理，从宏观角度和微观角度研究了再生结构的冻结破坏。从宏观角度看，再生结构随着冻融循环次数增加，表面粗骨料脱落严重。在微观角度，通过扫描电镜照片可以看到，再生结构尚未冻融时新老界面之间就存在着细微裂缝，伴随着冻融循环次数的增加，界面过渡区逐渐开始扩展，并有少量的砂浆掉落，最终大量裂缝相交在一起，孔隙也逐渐增多，相比于普通结构，再生结构的裂缝开展更快，且裂缝宽度也较大。通过大量的文献论证了结构的质量损失和相对动弹性模量，最终得出结论，当再生骨料掺量小于50%时，其抗冻结能力接近于普通结构。

LIU等[3]研究利用反硝化细菌作为处理再生粗骨料（RCA）的解决方案，然后将处理后的RCA应用于再生粗骨料结构（RCAC），以提高结构性能，而不会使用或产生有毒或污染物质。基于热重分析和扫描电子显微镜观察，采用双阶段反硝化细菌处理方法后，发现新老界面过渡区（ITZ）和水泥基质均被生物诱导碳酸钙填充。抗压强度和抗拉劈裂强度分别提高了30.3%和19.2%。填充结构内开孔的细菌导致吸水率降低33.0%，阻碍了外部水的吸收，并减少了水冻结引起的膨胀。细菌将ITZ结合在一起，从而提高骨料和基质之间的凝聚力，并增强对冻融循环造成的压力的抵抗力。总之，使用反硝化细菌进行处理是一种环保方法，可以显著提高结构强度和耐久性，从而使RCAC在霜冻地区得到广泛应用

对于橡胶在结构中的作用，一些学者已经做了充分的研究。Liu等[4]通过将橡胶结构浸入到硫酸盐溶液后烘干测结构的抗压强度发现，经过15次浸泡烘干循环后，结构的耐蚀系数明显提高，并且随着橡胶掺量的增大而升高。Zhang等[5]研究了氯丁橡胶替代河砂和土工聚合物替代普通硅酸盐水泥（OPC）对RGC力学性能和抗冻融性能的影响。结果表明，抗压强度和抗拉强度随CR置换率从0%增加到10%而略有增加，随着CR置换率进一步增加到20%而降低。此外，CR的加入提高了土工聚合物结构的强度和抗冻融性，而不考虑置换率。对于含10%氯丁橡胶的结构，它比其他结构具有更小的尺寸和更少的内部裂缝。此外，氯丁橡胶具有良好的耗能能力，可以减轻冻融循环造成的破坏。然而用土工聚合物代替OPC对橡胶结构的力学性能和抗冻融性起到了不利的作用。结果表明，适量氯丁橡胶的加入有利于土工聚合物结构的性能，最佳取代率为10%，从而保证了结构的高强度和良好的抗冻融性能。橡胶颗粒如图1所示：

图1 橡胶颗粒

Bayraktar等[6]研究了水泥用量和废轮胎橡胶作为骨料对经受H2SO4和冻融循环的泡沫结构力学、运输和磨损特性的影响。泡沫结构混合料由0%和20%两个百分比的硅粉部分替代波特兰水泥和100%的废轮胎橡胶替代细骨料制成。制备了两组SF含量分别为0%和20%的混合物。在每组混合物中，使用300 kg/m3、400 kg/m3和500 kg/m3的三种水泥含量和20 kg/m3、40 kg/m3和60 kg/m3的泡沫含量生产水/黏结剂（w/b）比为0.75的结构混合物。通过坍落度试验评估新拌结构的工作性。7天后和28天后测定混合物的抗压强度和弯曲强度，28天后通过孔隙率和吸水率测量运输性能。除了微观结构研究外，还进行了收缩、吸附性、磨损、酸侵蚀和30和60次冻融循环试验，并且还进行了优化。结果表明，最低和最高收缩值对应水泥用量为300 kg/m3和500 kg/m3，结果还表明，水泥含量为500 kg/m3、泡沫含量为20 kg/m3的SF混合料在磨耗、F-T循环和酸侵蚀后表现出最佳的抵抗力。

3 橡胶再生结构抗冻性的改善措施

3.1 引气剂的影响

关于结构的外加剂有很多种类，其中包括引气剂、减水剂、早强剂等。当结构中掺入引气剂后，引入了大量均匀分布的微小气泡，气泡承担了一部分水冻结时的膨胀压力，对于结构冻结损伤有积极作用。王俊洁等[7]研究了引气剂掺量对冻融循环前后砂浆毛细吸水规律的影响。结果表明：引气剂掺量较低砂浆的前期毛细吸水性系数较未冻融循环作用时明显增加，引气剂掺量较高砂浆的前期毛细吸水性系数较未冻融循环作用时无明显增加。这是由于引气剂的加入会产生大量的气泡在结构内部，一定程度上减少了毛细孔以及孔隙的产生，并减弱和缓冲了由水变成冰产生的膨胀应力，因此引气剂对于结构的冻结损伤有重要积极作用。

3.2 纤维的影响

吴倩云等[8]对玄武岩纤维-矿渣粉-粉煤灰混凝土（BSFC）的抗冻性能进行研究，为探究玄武岩纤维对冻融后BSFC抗压强度的影响，定义玄武岩纤维贡献率来定量表征玄武岩纤维的影响程度。结果表明玄武岩纤维的贡献率在不同冻融循环次数下呈现上升趋势，并且在纤维掺量为0.18%时对BSFC抗冻性能提高最佳。玄武岩纤维对于抗冻性能提高有显著的增强效果。纤维混合在混凝土中形成错综复杂的乱向结构，在早期水泥硬化过程中，由于温度变化引起混凝土体积变形收缩，产生拉应力。而纤维具有良好的韧性，能够承担一部分的拉应力，从而缓解裂缝的发展。在冻结过程中，微裂缝要承受水变成冰的冻胀压力，部分纤维贯穿裂缝，可以承受分担一部分力，缓解冻结损伤对混凝土的劣化作用。

3.3 橡胶颗粒的影响

橡胶颗粒材料具有一定的弹性，橡胶材料可以减缓在结构冻结过程中产生的冻结膨胀压力，因此在一定程度上对结构冻结损伤有一定的积极意义。王凤池等[9]研究不同橡胶粉掺量、橡胶粉粒径、养护方式以及龄期等因素对橡胶水泥土抗冻性能的影响。橡胶粉掺量为5%、10%、15%和20%进行冻融循环试验。结果表明：冻融循环下的橡胶水泥土随着橡胶粉掺量的增加，其抗压强度降低，橡胶粉掺量为 10% 的橡胶水泥土受冻融循环影响较小。

4 结论及展望

结构的抗冻性是非常重要的一个耐久性能，尤其是在我国北方冻融破坏较为严重的地区。本文查阅大量的国内外关于橡胶再生结构的研究现状。得出以下结论：（1）引气剂的掺入可以有效改善结构的冻结损伤。（2）结构中掺入纤维对于抵抗结构的冻结损伤有相当程度的提升，并且在一定范围内掺量越高抗冻效果越好。（3）橡胶颗粒具有比较好的引气效果，一定程度上起到引气剂的效果。另外，橡胶材料属于弹性材料，有良好的弹性变形能力，可以缓解一定的冻结膨胀应力。橡胶再生结构符合绿色环保的建筑材料，关于橡胶各个方面的耐久性能还需要众多学者共同研究探讨，希望得到比较符合的再生材料掺量配比，能够应用到实际工程中。