橡胶集料混凝土抗水渗透性能试验分析

杜 平， 刘书贤， 张 弛,2， 麻凤海， 王泓懿

(1．辽宁工程技术大学 a.矿业学院；b.土木工程学院， 辽宁 阜新 123000；2．本溪钢铁集团建设有限责任公司， 辽宁 本溪 117000； 3．大连大学 建筑工程学院， 辽宁 大连 116622；4．阜新宇城建筑设计有限公司， 辽宁 阜新 123000)

橡胶集料混凝土是通过在混凝土中添加废旧橡胶颗粒配制而成的新型混凝土，在普通混凝土的基础上引入一定量的柔性成分，改善混凝土的多种性能。橡胶集料可以通过机械破碎筛分工业废橡胶、废旧橡胶轮胎、胶带胶管等而制成。橡胶集料混凝土属于半刚性混凝土材料[1,2]，其性能介于普通混凝土与沥青混凝土之间。

国外较早开展了对橡胶集料混凝土的研究， Savas[3]在混凝土中加入一定量的橡胶颗粒，通过试验认为：当橡胶掺量为10%～15%时，其抗冻性能在经历了300次冻融循环后，跟普通混凝土相比至少提高60%； Paine等[4]认为橡胶粉是以固体引气剂而存在的，只要其在混凝土中分布均匀，就能提高混凝土的抗冻性；Benazzouk和Queneudec[5]使用膨胀橡胶骨料(ERA) 和压缩橡胶骨料(CRA)两种不同的橡胶等体积替换骨料，明显改善了混凝土的抗冻性；国内天津大学朱涵等[6～9]对橡胶集料混凝土耐久性进行了试验研究，认为加入橡胶集料的混凝土的抗渗性能明显好于普通混凝土，其最佳掺量在5%左右；东南大学张亚梅等[10,11]重点分析了橡胶混凝土的强度、抗冻与抗渗性能，认为橡胶集料混凝土的最佳橡胶掺量为10%；大连理工大学李靖[12]对橡胶集料混凝土抗氯离子渗透性能进行了试验，认为橡胶粒径为100 mm且其掺量保持在5～30 kg/m3范围内时，随着橡胶掺量的递增，抗氯离子渗透性能与之呈线性关系。

橡胶混凝土实现了废轮胎材料的的循环利用，还改善了混凝土材料的多种性能。与普通混凝土相比，其力学性能、隔热性能、动力性能和隔声性能明显较好。但是由于橡胶混凝土耐久性涉及的范围太广，橡胶集料混凝土的抗渗性、抗冻性、抗碳化性能、耐磨性、环境介质侵蚀、碱骨料反应、钢筋锈蚀以及上述多重破坏因素耦合作用下材料劣化特性的分析方法等耐久性问题更需全面深入研究。本文基于GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，采用渗透高度法探讨了橡胶集料的粒径、掺量、强度以及孔径对CRC抗水渗透性能的影响并对渗透高度与橡胶掺量、粒径的关系进行了分析。

1 试 验

1.1 试验原材料

试验所用的橡胶集料的表观密度为1115.7 kg/m3，细度模数分别为2.5、3.7、4.7，见图1；所配制的橡胶集料混凝土的各原材料的主要技术性能见表1～3。

图1 三种粒径的橡胶颗粒

水泥品种0.08 mm筛余量/%标准稠度用水量/%凝结时间/min初凝终凝安定性抗折强度/MPa抗压强度/MPa3 d28 d3 d28 dP.O42.51.91282∶303∶00合格5.47.6925.047.5

表2 粉煤灰主要技术性质指标

表3 磨细矿粉的主要技术指标

1.2 试验方案设计

配合比设计采用等体积取代法：保持总集料体积与砂率不变，用橡胶颗粒取代部分砂子与石子。进行在基准C60混凝土配合比的基础上，掺入不同粒径(细度模数分别为2.5、3.7和4.7)与掺量(50、100和150 kg/m3)的橡胶集料，对其进行了渗透性的变化规律研究，配合比详见表4。

表4 混凝土配合比

注：表4中的序号按a-RAC-b编号，CC为基准混凝土(Control concrete)，RAC为掺橡胶集料混凝土，其中a表示所掺橡胶粉的粒径：80-80目、100-100目、120-120目；b表示橡胶粉的掺量：1-50 kg/m3、2-100 kg/m3、3-150 kg/m3。

试验参照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》规定的混凝土抗水渗透性试验方法：通过测定混凝土在恒定水压力下的渗水高度，用平均渗水高度来表示混凝土抗水渗透性能，并用该指标比较不同混凝土的抗水渗透性能。试验设备为HS-40型混凝土渗透仪(图2)。

图2 橡胶集料掺量对渗透性的影响

成型混凝土试件的试模为上口直径175 mm、下口直径185 mm、高150 mm的圆台体。混凝土试件按表4配合比成型，抗水渗透试验的试件龄期为28 d，采用黄甘油加粉煤灰，将渗透仪水压力一次加到0.8 MPa，同时开始记录时间。在试件两端面中心处，按平行方向各放一根6 mm厚的钢垫条，用压力机将试件劈开。将劈开面的底边十等分，在各等分点处量出渗水高度。以各等分点渗水高度的平均值作为该试件的最终渗水高度。

试件渗水高度按下式计算：

(1)

一组试件的平均渗水高度按下式计算：

(2)

2 试验结果与分析

2.1 橡胶集料混凝土抗水渗透试验结果

本试验分析了不同橡胶粒径及掺量的橡胶集料混凝土在0.8 MPa恒定压力下的渗透高度。

图3 橡胶集料对渗透性影响试验结果

试验结果表明：橡胶集料的掺量和粒径是影响混凝土渗透性能的主要因素。从图3可以看出，对于2.5～5 mm的橡胶颗粒，当橡胶颗粒掺量分别为50、100和150 kg/m3时，其渗透高度比其它两组渗透高度要低，其抗渗性能明显优于掺1.25～2.5 mm的橡胶颗粒。而对于橡胶粒径为1.25～2.5 mm的橡胶集料混凝土其抗渗性能明显高于掺1.25 mm以下橡胶粉的混凝土。这表明橡胶粒径越大其抗渗性能越好。随着橡胶掺量的增加，在同一粒径范围内其渗透高度呈递减趋势。这主要是因为橡胶本身为高分子材料，且表面粗糙不吸收水分，而且橡胶颗粒较橡胶粉切断毛细孔连续作用更加明显，从而使得毛细孔变得更加分散，延长了毛细孔的渗水通道，使毛细孔更加曲折，增加了水在混凝土孔隙中扩散的难度，最终使得抗渗透性能提高。而小粒径的橡胶粉则起不到同等作用。由此可知：大粒径的橡胶颗粒可明显改善混凝土的渗透性能，橡胶颗粒粒径越大，渗流通路得到有效延长，渗透高度降低，提高了抗渗性能。

在相同粒径条件下，橡胶掺量越高其抗渗性能越好，当橡胶掺量为150 kg/m3时，渗透高度最低。橡胶粒径为2.5～5 mm和1.25～2.5 mm的橡胶集料混凝土，其掺量在100 kg/m3与150 kg/m3时渗透高度呈下降趋势，但降低幅度减小。1.25 mm以下的橡胶粉掺量在100 kg/m3与150 kg/m3时渗透高度降低幅度很大。其主要原因是混凝土是固、液、气三相并存的由水泥石包裹骨料的多孔材料，水泥石与骨料界面的过渡区以及橡胶与水泥砂浆包裹的界面处是孔隙较多的薄弱部位，然而由于橡胶集料这种表面粗糙的高分子材料的加入使得混凝土中含气量增加，气泡的增加及橡胶集料自身的疏水作用，使得混凝土中的毛细孔曲折度增加，延长了混凝土的渗水通道，最终阻止了混凝土中的毛细孔成为贯通连续的网状结构。从而表现出抗渗性能较好。

对于1.25 mm以下的橡胶粉掺量在100 kg/m3与150 kg/m3时渗透高度降低幅度很大，主要原因是橡胶粉粒径较小，在相同掺量的条件下，橡胶颗粒的数量增多，橡胶颗粒与水泥砂浆界面处的薄弱部位增多，因而渗透性能降低，当掺量在100 kg/m3与150 kg/m3时，混凝土中由于橡胶颗粒引入的气泡增多，缓解了橡胶与水泥砂浆界面薄弱部位带来的危害，因而渗透性能有所提高。

2.2 橡胶集料混凝土抗渗性的微观分析

进一步深入分析胶粉掺量对橡胶集料混凝土的影响机理，需要从混凝土微观结构入手，进行电镜扫描分析，结果见图4。

图4 橡胶集料塑性混凝土的扫描电镜像

分析图4(a)可知，当橡胶集料混凝土在50倍镜像下时，水泥石表面有许多大小不一闭口孔断面的凹坑，闭口孔的形成是由于在对混凝土进行搅拌时，添加橡胶集料引入气体所致。由于细集料砂子的颗粒直径大于橡胶集料，而且橡胶集料是憎水性高分子材料，在其表面容易吸附气泡，因此，橡胶集料在混凝土中具有引气功能，能够明显改善混凝土内部的孔结构，所形成闭口孔可以有效的阻止毛细孔贯通，提高橡胶集料混凝土的抗渗性能。

分析图4(b)，当橡胶集料混凝土在100倍镜像下时，出现较多的裂缝和空隙。这主要是由于水泥石与骨料粘结不牢产生的，在外界水压力作用下，非常容易形成连通孔隙的渗水通道，影响混凝土的抗渗性能；

分析图4(c)，当橡胶集料混凝土在1000倍镜像下时，发现微小裂缝出现在表面光滑的闭口孔隙。并且裂缝连通孔隙，形成渗水通道，降低了混凝土抵抗水压力的能力；

分析图4(d)，当橡胶集料混凝土在4000倍镜像下时，发现微小孔隙大量存在橡胶集料性混凝土中，图中孔隙尺寸最大为3.68 um。在水压力作用下，这些微小的孔隙会容易形成连通的孔隙，降低混凝土的抗渗性能。

3 结 论

(1)橡胶集料混凝土在相同的橡胶集料掺量条件下，橡胶粒径越大其抗渗性能越好，在相同粒径条件下，橡胶掺量越高其抗渗性能越好。

(2)混凝土是一种多孔非均质材料，总孔隙率与混凝土的渗透性没有必然联系，而最可几孔径与临界孔径则能反应混凝土孔隙连通状况，通过分析可知橡胶集料混凝土最可几孔径均大于普通混凝土，且孔径分布也趋于均匀。这明显改善了混凝土孔结构的连通性，有利于提高混凝土的抗渗性。

(3)橡胶集料混凝土与普通混凝土不同，其强度并不能决定其渗透性能，而是由橡胶集料的掺量、粒径、孔结构、水灰比等多种因素耦合确定的。

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