改性橡胶骨料混凝土的抗氯离子渗透性能及抗冲击性能研究

3月

混凝土与水泥制品

CHINACONCRETEANDCEMENTPRODUCTS

2019No.3March

改性橡胶骨料混凝土的抗氯离子渗透性能及

抗冲击性能研究

张立群，张晓冉，张静轩，胡靖宇，许艺颖，赵振宇，于东超

（河北建筑工程学院，张家口075000）

摘

要：为了拓宽橡胶骨料混凝土在桥面的应用，保证桥面的抗氯盐侵蚀性能和抗冲击性能，提高桥面耐久性，

取0、3%、6%、9%、12%和15%六种不同掺量的橡胶颗粒替代等体积的砂制成橡胶骨料混凝土试件，并研究了其抗氯离子渗透性能及抗冲击性能。试验结果表明，橡胶颗粒能有效改善混凝土的抗氯离子渗透性，电通量随着橡胶颗粒掺量的增多而降低；橡胶骨料混凝土初裂和终裂次数具有很好的线性相关性，且掺加了橡胶颗粒的混凝土抗冲击性均优于基准混凝土，随着橡胶颗粒掺量的增多，混凝土的抗冲击性能也逐渐增强。

关键词：橡胶骨料混凝土；橡胶颗粒掺量；抗氯离子渗透；抗冲击

Abstract:Inordertoexpandtheapplicationofrubberaggregateconcreteinbridgedeck,theanti-chlorideandanti-impactperformanceofbridgedeckareguaranteed,andthedurabilityofbridgedeckisimproved,rubberparticlesareusedtoreplaceequalvolumesandwith6differentcontentsof0,3%,6%,9%,12%and15%tomakerubberaggregateconcretespecimens.Thechlorideionpermeationresistanceandimpactresistanceofthespecimenswerestudied.Thetestshowsthatrubberparticlescanimprovethechlorideionpermeabilityofconcretetoacertainextent,andtheelectricfluxdecreaseswiththeincreaseofrubberparticlescontent.Thereisagoodlinearcorrelationbetweenthenumberofinitialcracksandthenumberoffinalcracksofrubberaggregateconcrete,anditsimpactresistanceisbetterthanthatofreferenceconcretewiththeincreaseofrubbercontent,theimpactresistanceofconcretealsoincreasesgradually.

Keywords:Rubberaggregateconcrete;Rubbercontent;Resistancetochlorideionpenetration;Shockresistance

中图分类号：TU533

文献标识码：A

doi:10.19761/j.1000-4673.2019.03.010.04doi:10.19761/j.1000-4637.2019.03.010.04

0前言

寒冷地区常利用撒盐除雪的方法保证雪天行

性出发，研究橡胶骨料混凝土的耐久性能。

11.1

原材料与试验原材料

水泥：张家口某公司生产的P·O42.5级水泥；

车安全，但除冰盐中有Cl-，会使桥面遭受氯盐侵蚀，导致桥面混凝土剥落和钢筋锈蚀，桥梁安全得不到保障；桥面因车辆动载作用出现的裂缝，随动载循环次数增多而不断扩展，最终使桥面遭受破坏。

橡胶骨料混凝土具有延性好、耐磨性好、抗盐冻性[1]、抗疲劳性强和高回弹等特性[2]，这些性能不仅符合桥面铺装层对材料的要求，而且满足桥面系统受力要求。根据国内外对橡胶骨料混凝土耐久性的研究现状，橡胶骨料抗氯离子渗透性、抗冲击性能研究还处于起步阶段，缺少大量的试验数据支撑和理论的系统分析。为了拓宽橡胶骨料混凝土在桥面的应用，保证桥面的抗氯盐侵蚀能力和抗冲击性能，提高桥面耐久性，本文从抗氯盐侵蚀和抗冲击

细骨料：采用普通河砂；粗骨料：采用连续级配碎石；粉煤灰：采用张家口某公司生产的粉煤灰；橡胶：采用0.5~3.0mm的橡胶颗粒；减水剂：采用张家口某公司生产的聚羧酸减水剂。

1.2配合比

在进行配合比设计时，考虑了不同橡胶颗粒掺

量对橡胶骨料混凝土抗压强度、抗氯离子渗透性能和抗冲击性能的影响。本文设计的橡胶骨料混凝土强度等级为C40，研究其在C40强度桥面铺装的应用。橡胶颗粒分别以0、3%、6%、9%、12%和15%的掺量等体积代替砂子。本试验的配合比如表1所示。

1.3

基金项目：河北省教育厅重点项目（ZD2017223）；张家口市交通局项目；河北建筑工程学院校级研究生创新基金（XA201811）。

橡胶颗粒表面处理

在橡胶生产加工过程中，通常会加入硬脂酸锌

作为活化剂，因此，橡胶骨料混凝土不可避免地含有硬脂酸锌，其会降低橡胶颗粒与水泥砂浆的黏结

-10-

张立群，张晓冉，张静轩，等改性橡胶骨料混凝土的抗氯离子渗透性能及抗冲击性能研究

表1

橡胶骨料混凝土配合比

kg/m3

编号掺量/%水胶比水水泥L-000.35125285L-130.35125285L-260.35125285L-390.35125285L-4120.35125285L-5

15

0.35

125

285

力[3]。橡胶颗粒在NaOH溶液中浸泡不仅不会改变其物理力学性能，还可以除去橡胶颗粒中的硬脂酸锌[4]，且用浓度为1%的NaOH溶液处理过的橡胶颗粒水泥砂浆，其抗压强度将会达到最大[5]。因此，本试验采用浓度为1%的NaOH溶液对橡胶颗粒进行处理。NaOH与硬脂酸锌反应生成的Na2[Zn(OH)4]和

Na(C17H35COO)易溶于水，浸泡后使用清水冲洗干净。1.4

试件的制作与养护

本试验中进行的抗氯离子渗透试验每组成型直径100mm、高度50mm的圆柱体试件3块，一共六组。抗冲击试验采用每组成型直径150mm、厚度为mm的圆饼形试件6块，一共六组。试验采用人工搅拌和振动台振动。

（1）投料的顺序为：先用水拌合水泥形成水泥浆，再掺加橡胶骨料拌合，待水泥浆均匀包覆橡胶骨料后，然后将包覆橡胶骨料的水泥浆依次与粉煤灰、砂及碎石混合搅拌而成混凝土。

（2）用机油将试模内壁涂刷均匀，在试模底部放置小纸片，以便拆模时试件能够顺利脱模。

（3）将拌合好的橡胶骨料混凝土分两次加入试模中，第一次加入一半左右，用振捣棒振捣均匀，然后将剩下的一半加入，放置振动台上进行振捣，橡胶骨料的上浮现象与振捣时间密切相关，所以振捣时间严格控制在1min。

（4）将振动成型的试件放入养护室，采用标准

养护条件养护，待24h后，从养护室取出，进行编号，放入养护室养护。

（5）试件在养护室养护28d以后取出，进行抗氯离子渗透试验及抗冲击试验。

1.5试验方法及器材

抗氯离子渗透试验参照GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[6]

中的电通量法进行测试。所用材料有石蜡颗粒、软毛

刷、蒸馏水、3%NaCl溶液和0.3mol/LNaOH溶液。本试验所用仪器有多功能混凝土耐久性综合试验仪和真空泵。

砂

石

粉煤灰

减水剂

45513711.444113711.442813711.441413711.440013711.4387

13

71

1.4

抗冲击试验参照CECS13∶2009《纤维混凝土试验方法标准》[7]中的抗冲击试验执行。所用器材有落锤式冲击试验机、冲击球及冲击锤。试件冲击前后对比图见图1所示。

图1

抗冲击试验

2试验结果与分析

2.1

抗氯离子渗透试验结果与分析

表2为ASTMC1202—97氯离子渗透性分级标准，抗氯离子渗透试验结果见表3。橡胶骨料混凝土抗压强度和电通量的曲线如图2所示。基准混凝土和3%橡胶颗粒掺量混凝土电通量超过1000C，由表2可得，在氯离子渗透性低的范围内；6%、9%、

12%及15%橡胶颗粒掺量混凝土的电通量均小于1000C，属于氯离子渗透性很低的范畴；橡胶颗粒掺量低于12%时，随着掺量的增多，橡胶骨料混凝

表2

ASTM氯离子渗透性

导电量/C氯离子渗透性

典型的混凝土＞4000

高高水灰比的普通混凝土

（W/C≥0.6）

2000~4000中中等水灰比的普通混凝土

（W/C=0.4~0.5）1000~2000低低水灰比的普通混凝土

（W/C＜0.4）

100~1000很低

乳胶改性的混凝土、内部

密封的混凝土＜100

可忽略

聚合物浸渍混凝土、聚合物

混凝土

-11-

2019年第3期

表3

氯离子渗透试验结果

混凝土与水泥制品总第275期

渗透通道，阻滞Cl-在混凝土中的扩散，从而增强了

通电量

橡胶颗粒掺量28d抗压强度

/MPa

橡胶骨料混凝土的抗氯离子渗透性;当橡胶掺量高于12%时，橡胶颗粒掺量过多，且橡胶颗粒属于有机物，胶凝材料属于无机物，两者的黏结性较差，增加混凝土的孔隙，从而增大了电通量，降低橡胶骨料混凝土的抗氯离子渗透性。

/%/C

03691215

5250484442403836340

51.8748.76.23.7442.2838.21

145010019747597421

1500

2.2抗冲击试验结果与分析

橡胶混凝土抗冲击试验结果见表4。

表4

抗冲击试验结果

28d抗压强度/MPa1400

抗压强度

橡胶颗粒掺量/%初裂冲击次数/次终裂冲击次数/次

1300

电通量/C036912

3660118127142

456074139151186

120011001000

通电量

900800700

15

3691215

橡胶颗粒掺量/%

由表4可知，冲击寿命有很大的分散性，为了

正确反映抗冲击试验的客观规律，达到合理利用试验数据的目的，本文对初裂冲击次数N1和终裂冲击次数N2进行线性回归分析，基本线性回归方程为：

图2橡胶骨料混凝土抗压强度和电通量

土电通量逐渐降低；当橡胶颗粒掺量为15%时，随着掺量的增多，橡胶骨料混凝土电通量也会相应增

N2=aN1+b

（1）

大。当橡胶颗粒掺量为12%时，橡胶骨料混凝土的抗氯离子渗透性最好。

究其原因，当橡胶颗粒掺量低于12%时，胶凝材料包裹橡胶颗粒处会形成大量气泡，这些气泡群会阻断毛细孔，使毛细孔分散、短细，从而影响Cl-的

50y=0.8421x+14.684终裂次数/次终裂次数/次式中：a和b是未知参数，利用冲击试验的数据

（N1，N2），按照最小二乘法进行线性回归分析，即可得到参数a和b的值。

对橡胶骨料混凝土的冲击寿命进行线性拟合，如图3所示，回归参数值见表5，结合线性拟合图和

888480767268

4442

40

30323436384042

初裂次数/次（a）未掺橡胶

605856

404244485052

初裂次数/次（b）3%橡胶掺量

终裂次数/次48R=0.8152

2

y=0.6522x+30

R2=0.815262

y=1.4315x-11.R2=0.85

52566068

初裂次数/次（c）6%橡胶掺量

148终裂次数/次y=1.06x+12.8

终裂次数/次144140136132

终裂次数/次R2=0.9332

156

y=1.04x+18.5

152148144

R2=0.9110

200

y=0.83x+67.9R2=0.8042

192184176168

128136144152160168

初裂次数/次（f）15%橡胶掺量

108112116120124128

初裂次数/次（d）9%橡胶掺量

120124128132

初裂次数/次（e）12%橡胶掺量

图3橡胶骨料混凝土冲击寿命间的线性拟合图

-12-

张立群，张晓冉，张静轩，等

改性橡胶骨料混凝土的抗氯离子渗透性能及抗冲击性能研究

表5

橡胶骨料混凝土冲击寿命间线性回归参数值

橡胶颗粒掺量/%

abR200.842114.6840.815230.6522300.815261.431511.0.8591.0612.80.933212

1.0418.50.911015

0.83

67.9

0.8042

回归参数表看出，判定系数R2均大于0.7，文献[9]认为判定系数在0.7以上，有很好的相关性；文献[10]由相关系数R的大小确定相关关系，当0.5≤|R|＜

0.8，为显性线性相关；当|R|≥0.8，一般称为高度线性相关。表5中的判定系数R均大于0.8，说明具有

高度线性相关性。由此可知，橡胶骨料混凝土初裂次数和终裂次数具有很好的线性相关性，本文用橡胶骨料混凝土的初裂次数来评价其动力性能。

橡胶骨料混凝土抗冲击耗能按下式计算：W=Nmgh

（2）式中：W为抗冲击耗能，J；N为试件初裂的冲击

次数，次；m为冲击锤重量，kg,本试验所用冲击锤为

4.5kg；h为冲击锤下落高度，m，本试验中设置的高度为0.5m；g为重力加速度，9.81m/s2。计算结果如表6所示。

表6

橡胶骨料混凝土抗冲击性能试验结果

橡胶颗粒掺量/%

抗冲击耗能/J

0794.6131015.3461324.3592604.56122803.2115

3134.30

由表6可以得到，随着橡胶颗粒掺量的增多，橡胶骨料混凝土的抗冲击性呈现逐渐增强的趋势，且掺加了橡胶颗粒的混凝土抗冲击性均优于未掺加橡胶骨料的混凝土。这是因为在胶凝材料-橡胶颗粒这个特殊的体系中，橡胶骨料作为弹性材料，在橡胶颗粒-胶凝材料共同作用下形成的结构变形中，能够有效地吸收外部的冲击能，显著增强混凝土的抗冲击性能，橡胶颗粒掺量越多，该性能增强越明显。结合表3中28d抗压强度和橡胶骨料混凝土的抗氯离子渗透性，当15%掺量的橡胶骨料混凝土的抗压强度不满足本文预设强度要求，且当橡胶掺量大于15%时，电通量增大，橡胶骨料混凝土抗

氯离子的渗透性反而会降低，由此可知，橡胶颗粒最优掺量为12%。

3结论

（1）当橡胶颗粒掺量在12%以下时，其能有效地改善混凝土的抗氯离子渗透性，且电通量随着橡胶颗粒掺量的增多反而降低，橡胶骨料混凝土的抗氯离子渗透性能逐渐提高。当橡胶颗粒掺量高于

12%时，电通量随着橡胶掺量的增多而增大。

（2）掺入橡胶颗粒的混凝土抗冲击性均优于基准混凝土，且随着橡胶掺量的增多，混凝土的抗冲击性能也逐渐增强。

（3）综合橡胶骨料混凝土28d抗压强度、抗氯离子渗透试验结果和抗冲击试验结果，可知橡胶颗粒最优掺量为12%。

（4）该配比的橡胶骨料混凝土抗压强度、抗氯

离子渗透性能及抗冲击性能均能满足桥面铺装材料的要求。

参考文献：

[1]徐金花,王肖宇,陈四利.橡胶粉集料混凝土抗盐冻性能的

试验研究[J]．混凝土与水泥制品,2015(10):16-19.

[2]杨志峰.废旧橡胶粉在道路工程中应用的历史和现状[J].

公路交通科技,2005,22(7):19-22.

[3]NadiaSegre,PauloJ.M.Monteiro,GarrisonSposito.Effectoftirerubberparticlesoncrackpropagationincementpaste[J].MaterialsResearch,2006.

[4]王可良,唐新德,刘玲,等.一种提高橡胶骨料混凝土强度的

方法:中国,104098296A[P].2014.

[5]范璐璐.废旧橡胶颗粒界面处理及水泥混凝土路用性能的

影响[C].广东省第五次土木工程施工技术交流论文集,2013.

[6]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB/T50082—2009

普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准[S].北京:中国

建筑工业出版社,2009.

[7]中国工程建设标准化协会.CECS13∶2009纤维混凝土试

验方法标准[S].北京:中国计划出版社,2009.

[8]US-ASTM.ASTMC1202-94StandardTestMethodforElectricalIndicationofConcreteAbilitytoResistChlorideIonPenetration[S].Americansocietyformaterialsandtesting,U.S.A,1994.

[9]OstleB,TumerKV,HicksCR,et,al.Engineeringstatistics:theindustrialexperience[M].NewYork:DuxburyPress,1996.[10]韩宇,韩春玲.统计学原理[M].北京:北京大学出版社,2012.

收稿日期：2018-09-04

作者简介：张立群（1972-），男，教授。

联系电话：18712992929

E-mail:1027713552@qq.com

-13-