橡胶/混凝土盐冻循环后性能劣化及微观结构

姚韦靖; 刘雨姗; 王婷雅; 庞建勇

doi:10.13801/j.cnki.fhclxb.20210202.005

橡胶/混凝土盐冻循环后性能劣化及微观结构

姚韦靖^{1, 2,},
刘雨姗^1,,
王婷雅^1,,
庞建勇^1, ,

1.
安徽理工大学　土木建筑学院，淮南 232001
2.
安徽理工大学　土木工程博士后流动站，淮南 232001

基金项目: 安徽省高等学校自然科学研究重点项目(KJ2020A0297)；中国博士后科学基金面上资助(2020M681974)；安徽理工大学校级重点项目(QN2019115)

详细信息

通讯作者:
庞建勇，博士，教授，博士生导师，研究方向为水泥混凝土类材料　E-mail：pangjyong@163.com

中图分类号: TU528
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出版历程
- 收稿日期: 2020-12-06
- 录用日期: 2021-01-17
- 网络出版日期: 2021-02-01
- 刊出日期: 2021-11-30

Performance degradation and microscopic structure of rubber/concrete after salt freeze-thaw cycles

1.
School of Civil Engineering and Architecture, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China
2.
Postdoctoral Station of Civil Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China

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摘要

摘要: 制备普通混凝土(Normal concrete，NC)和橡胶/混凝土基体(Rubber/NC)，研究盐冻循环60次内，表观现象、剥落量、抗压强度损失等性能指标劣化过程，采用超声波无损检测法评价混凝土盐冻循环破坏前后超声参数变化，建立相对波速、损伤度与抗压强度的关系，利用SEM观察盐冻循环损伤前后试件微结构变化。结果表明：随盐冻循环次数增加，混凝土试件表面剥蚀愈显著，剥落量增加，内部损伤、强度损失逐渐加剧，超声参数与抗压强度具有密切相关性；混凝土经历盐冻破坏后，内部结构呈疏松絮状，孔隙、裂纹愈加显现，密实度下降，造成宏观力学性能劣化。但弹性橡胶细集料掺入后有效缓解结冰压引起的内部开裂和孔隙扩大，各阶段橡胶/混凝土基体劣化程度均优于普通混凝土，以橡胶掺量 (与胶凝材料质量比) 10% (10%Rubber/NC)各性能指标最优，经历60次盐冻循环后，普通混凝土抗压强度损失率为58.5%，10%Rubber/NC抗压强度损失率为48.0%。
- 橡胶/混凝土 /
- 盐冻循环 /
- 超声波无损检测 /
- 性能劣化 /
- 微观分析
Abstract: The normal concrete (NC) and rubber/NC were prepared. The performance degradation process of concrete specimens within 60 salt freeze-thaw cycles was studied, which includes changes of apparent phenomenon, flaking amount and compressive strength loss. The adaptation of ultrasonic test in evaluating the performance of concrete after salt freeze-thaw cycles was investigated. The relationships between relative velocity, damage degree and compressive strength were comparative analyzed. The micro-structure changes of concrete specimens after salt freeze-thaw cycles were observed by SEM. The results show that the surface erosion of concrete becomes more obvious, the flaking amount, internal damage and strength loss gradually increase, with the increasing number of salt freeze-thaw cycles. It has good correlation between the ultrasonic parameters and compressive strength. After the concrete undergoing salt freeze-thaw damage, the internal structure becomes loose and flocculent, increasing pores and cracks appear, and the density decreases, which results in deterioration of macro-mechanical properties. However, the deterioration degree of rubber/concrete is better than that of normal concrete at all cycle stages, because the elastic rubber fine aggregate can effectively alleviate internal cracking and pore expansion caused by icing pressure. The rubber/concrete with 10% rubber content (mass ratio to cementitious material) (10%Rubber/NC) has the best performance indicators. After 60 salt freeze-thaw cycles, the compressive strength loss rates of normal concrete and 10%Rubber/NC are 58.5% and 48.0%, respectively.
- rubber/concrete /
- salt freeze-thaw cycle /
- ultrasonic non-destructive testing /
- performance deterioration /
- microscopic analysis

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如今废弃物资源化利用受到广泛关注，橡胶/混凝土基体(Rubber/normal concrete，Rubber/NC)是将废旧橡胶制成颗粒掺入混凝土中，制备一种新型再生环保建筑材料，极大解决了废旧轮胎橡胶的占地和环境污染等问题^[1-2]。由于橡胶高弹性、高黏性等优点，掺入水泥基材料中，使其延性、韧性、抗裂性较好，还兼具隔热隔音及减震降噪等优点，因而在路面工程中得以推广应用^[3-4]。

据统计，2009年后，我国冬季气温持续偏低，许多城市在桥梁、机场、高速公路等重要交通设施通过撒融雪剂或除冰盐来降低由于低温结冰造成的潜在危险，但同时也造成混凝土类材料盐冻腐蚀破坏^[5]。目前，大量学者对橡胶/混凝土抗冻特性展开研究，认为在冷冻过程中，水结冰产生体积膨胀，混凝土孔隙内的过冷溶液和空气收缩形成负压和吸水效应，造成饱水度上升和结构破坏。而橡胶颗粒可均匀稳定分布在混凝土中，橡胶颗粒表面附着大量气泡而起到引气剂作用，另外，橡胶本身是弹性材料，混凝土因冻融循环内部自由水状态变化时会引起内部体积变化，橡胶颗粒可为其提供一定体积变化空间，从而削弱混凝土内部体积收缩-膨胀变化引起的应力破坏^[6-7]。目前，针对橡胶/混凝土在低温、冻融循环条件下性能劣化规律、破坏机制、损伤模型等展开了较多研究^[8-10]，而讨论冬季盐冻腐蚀破坏下橡胶/混凝土性能劣化的公开报道还较少。当水中含盐时，较冻融破坏产生更多负面效应，一方面，单位体积溶液产生的结冰膨胀率随盐浓度增大而降低，杨全兵^[11-12]提出的冻融饱水度-结冰压理论，分析了盐对混凝土饱水度和溶液结冰压的影响，较完整地解释了混凝土盐冻破坏机制，认为在开始结冰膨胀前，混凝土内部孔隙溶液收缩和空气冷却产生较大负压，且随盐浓度和饱水度的提高而迅速增大，使周围溶液更易被吸入混凝土中，混凝土因静水压或渗透压而受拉破坏；另一方面，混凝土表面和内部盐浓度差导致的分层结冰所产生应力差造成混凝土表面更严重的剥蚀、除冰盐熔化混凝土表面冰雪引起额外热冲击、盐溶液过饱和时又会在材料孔中析出盐结晶而形成结晶压，造成材料内部结构胀裂^[13]。因而，盐冻循环试验具有较强实际和理论意义。此外，利用超声波无损检测评价混凝土类材料内部损伤是一种方便快捷、可重复性高的良好手段^[14-15]，由于橡胶掺入水泥砂浆使其与水泥石的黏结与常规混凝土存在差异，超声波传播特性也有所不同，还未有文献述及以超声波法评价橡胶/混凝土盐冻循环后性能劣化程度。而材料宏观性能劣化与细微观结构密切相关^[16]，盐冻循环后水泥浆体、橡胶颗粒细微观劣化过程和机制值得关注。

本文制备了4组不同掺量橡胶/混凝土和1组普通混凝土，测试在盐冻循环环境下混凝土试件表观现象、剥落量，采用非破损超声波检测技术，以相对波速和损伤度作评价指标，分析不同盐冻循环次数后材料内部损伤和强度损失，利用SEM观察试件微观结构变化。从宏观和微观角度揭示盐冻环境橡胶/混凝土性能劣化机制。

1. 试验材料及方法

1.1 原材料

胶凝材料采用42.5级复合硅酸盐水泥，3天和28天抗压强度分别为29.99 MPa和49.75 MPa，主要技术参数见表1，淮南平圩电厂产Ⅰ级粉煤灰，化学成分含量见表2；粗骨料采用石灰质碎石，粒径5~20 mm连续级配，表观密度2800 kg/m³；细骨料采用淮河中砂，细度模数2.6，表观密度2347 kg/m³；橡胶，由废旧轮胎经过二次处理所得，前期比较研究了0.85 mm、1~3 mm、3~6 mm橡胶颗粒制备的混凝土在低温−20℃的力学性能，结果表明3~6 mm粒径制备的橡胶/混凝土基体力学性能最佳^[17-19]，为此，橡胶粒径选用3~6 mm，堆积密度1210 kg/m³，表观密度1090 kg/m³，含水率1.50%，试验用橡胶实拍和微观结构如图1所示，观察可见其呈多孔、层状和疏松状，掺入混凝土中削弱材料强度；外加剂为陕西秦奋建材厂产HPWR型高性能减水剂。

表 1 P·C 42.5级水泥技术参数

Table 1. Technical parameters of P·C 42.5 cement

Fineness/ (m²·kg⁻¹)	Ignition loss/%	Water requirement of standard consistency/%	Setting time/min		Compressive strength/MPa		Stability
Fineness/ (m²·kg⁻¹)	Ignition loss/%	Water requirement of standard consistency/%	Initial	Finial	3 days	28 days	Stability
342	3.5	25.9	165	220	29.9	49.75	Conformity

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表 2 粉煤灰化学成分组成

Table 2. Chemical composition of fly ash

Composition	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	Na₂O
Content/wt%	53.26	34.72	4.07	2.47	0.39	1.90

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图 1 橡胶实拍 (a) 及微观形貌 (b)

Figure 1. Picture (a) and microscopic structure (b) of rubber

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1.2 试验设计

试验设计以橡胶掺量和盐冻循环次数为研究参数。依据JGJ55—2011^[20]设计混凝土强度配合比，采用等体积替代法，即一定质量橡胶颗粒取代相同体积砂子，橡胶颗粒质量分别为拌合物中胶凝材料质量5%、10%、15%、20%。具体数据见表3，其中NC为C30普通混凝土。依据GB/T 50080—2016^[21]、GB/T 50081—2019^[22]测试混凝土拌合物、试件力学性能，测试结果见表4。可知，掺入橡胶替代部分砂子后，随橡胶掺入量提高，混凝土表观密度、工作性略有下降，抗压强度、抗拉强度下降明显，掺入20%橡胶颗粒后，较普通混凝土28天抗压强度降低35.94%，28天抗拉强度降低36.06%。这是由于橡胶颗粒在混凝土新拌合时引入气泡，气泡在橡胶外表面与水泥砂浆间形成滚珠效应，造成摩阻力减小，因此坍落度、扩展度变大；在凝结硬化过程中，具有弹性的橡胶与水泥、砂石等拌和物的黏结面强度有限，因而削弱材料强度^[23-24]。

表 3 混凝土配合比

Table 3. Concrete mixture ratio kg·m⁻³

Concrete number	Cementing material		Fine aggregate		Gravel	Water	Water reducer
Concrete number	Cement	Fly ash	Sand	Rubber	Gravel	Water	Water reducer
NC	310	50	791.0	0	1115	150	3.4
5%Rubber/NC	310	50	769.4	18	1115	150	3.4
10%Rubber/NC	310	50	747.8	36	1115	150	3.4
15%Rubber/NC	310	50	726.2	54	1115	150	3.4
20%Rubber/NC	310	50	704.6	72	1115	150	3.4
Notes: NC—Normal concrete; 5%Rubber/NC, 10%Rubber/NC, 15%Rubber/NC and 20%Rubber/NC—Rubber/NC with rubber content (mass ratio to cementitious material) of 5%, 10%, 15% and 20%, respectively.

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表 4 混凝土性能测试结果

Table 4. Concrete performance test results

Concrete number	Workability		28 days apparent density/(kg·m⁻³)	28 days compressive strength/MPa	28 days tensile strength/MPa
Concrete number	Slump/mm	Slump flow/mm	28 days apparent density/(kg·m⁻³)	28 days compressive strength/MPa	28 days tensile strength/MPa
NC	170	340	2423	40.68	4.52
5%Rubber/NC	195	365	2412	36.91	4.05
10%Rubber/NC	215	390	2403	32.69	3.78
15%Rubber/NC	240	425	2398	29.38	3.25
20%Rubber/NC	265	460	2387	26.06	2.89

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1.3 试验方法

采用尺寸为100 mm×100 mm×100 mm立方体试块，成型1天后拆模，在标准养护条件下(相对湿度≥95%，温度为(20±1)℃)养护至28天。参考相关研究设计试验，设计单面盐冻循环试验，研究表明NaCl溶液浓度在2%~4%时将产生较大结冰压，从而形成严重的混凝土盐冻破坏，为此本试验NaCl溶液浓度为4%，试件浸泡入溶液深度约5 mm，如图2所示^{[11, 25]}。使用高低温交变湿热试验箱完成冻融循环试验，在(−19±4)℃环境中冻8 h，在(18±4)℃环境中融4 h，共计12 h为一循环，循环次数为0、10、20、30、40、50、60次。试验过程中确保试件中心冻结温度大于−10℃，从−20℃升温至20℃所用时间不大于1.5 h。每5次循环后检查混凝土试件表面宏观变化，对个别消耗盐溶液较多的试件需添加盐水，保证所有试件均满足设定条件。

图 2 混凝土盐冻试验示意图

Figure 2. Schematic diagram of concrete salt freezing test

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使用北京康科瑞公司产NM-4B非金属超声检测仪测定各循环次数下试件超声参数，每个试件布置2个相对测点计算均值，超声波频率为50 kHz，发射电压为500 V，采样周期为0.4 μs；超声测定后，使用长春试验机研究所产CSS-YAN3000压力机进行受压破坏试验，并根据盐冻循环前后抗压强度之比，计算相对抗压强度；最后，从压碎试块中取样，采用日立产S-3400N型扫描电子显微镜，完成盐冻损伤微观结构分析。

2. 结果与讨论

2.1 混凝土盐冻循环损伤表观现象

混凝土受冻破坏的直观表现是内部开裂和表面砂浆体剥落，给出了试件在不同盐冻循环次数后表观现象，如图3所示。

图 3 混凝土盐冻循环表观现象

Figure 3. Apparent phenomenon of concrete after salt freezing cycles

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由图3(a)可见，未受盐冻破坏时，混凝土试件表面较平整且形状、棱角分明，表面存在少量细微孔隙，对后续试验影响较小；由图3(b)可见，经过30次盐冻循环后，混凝土表面、棱角处出现剥落，观察试件整体形态发现5%Rubber/NC试件破坏最严重，而10%Rubber/NC试件表面剥蚀不明显；由图3(c)可知，经过60次盐冻循环后，各组混凝土表面孔洞明显，剥蚀严重，表面凹凸不平，棱角逐渐磨蚀，而10%Rubber/NC试件整体形貌则较完整，表面孔洞、剥蚀略有增加。

2.2 混凝土盐冻循环剥落量

因盐冻破坏导致混凝土丧失结构功能的主要原因就是表面剥蚀，因此采用单位表面质量损失来评价混凝土试件的抗盐冻性^[5]。为避免在盐冻循环过程中吸收盐溶液导致质量增加影响试验结果，试验中收集接触盐溶液表面剥落碎片，经烘干至恒重后与试件表面面积的比重即为剥落量。测试结果如图4所示。可见，随盐冻次数增加，试件表面剥蚀现象逐渐加剧，当盐冻循环次数低于30次，剥落量增幅较少，循环次数超过30次后，剥落量显著增大，部分试件剥落量超过1 kg/m²，表面剥蚀现象严重。此外，普通混凝土剥落量曲线显著高于橡胶/混凝土基体，可见普通混凝土表面剥落现象最严重，说明橡胶颗粒的掺入可以不同程度的提高材料的抗盐冻特性。在各组橡胶/混凝土基体中，以5%Rubber/NC试件剥落量最高，10%Rubber/NC试件剥落量最低。剥落量测试结果与表观现象相一致。

图 4 混凝土盐冻循环剥落量变化

Figure 4. Flaking amount change of concrete after salt freezing cycles

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2.3 混凝土超声参数

使用非金属超声检测分析仪对盐冻循环后的混凝土试件进行内部损伤评价，为消除骨料种类、粒径、水泥品种及用量等对试验结果的影响，参照文献[26-28]，采用相对波速、损伤度、相对主频和相对幅值作为评价指标，计算公式如下：

${V_{\rm{R}}} = \frac{{{V_{\rm{T}}}}}{{{V_0}}}$

(1)

$D = 1 - \frac{{{V_{\rm{T}}}}}{{{V_0}}}$

(2)

${A_{\rm{R}}} = \frac{{{A_{\rm{T}}}}}{{{A_0}}}$

(3)

${f_{\rm{R}}} = \frac{{{f_{\rm{T}}}}}{{{f_0}}}$

(4)

式中：V_R为相对波速；V_T为试件盐冻循环破坏后波速(m/s)；V₀为试件盐冻循环破坏前波速(m/s)；D为损伤度；A_R为相对幅值；A_T为试件盐冻循环破坏后首波幅值(dB)；A₀为试件盐冻循环破坏前首波幅值(dB)；f_R为相对主频；f_T为试件盐冻循环破坏后首波主频(kHz)；f₀为试件盐冻循环破坏前首波主频(kHz)。

处理数据发现相对幅值和相对主频两个参数在盐冻循环破坏过程中变化不明显，说明这两类参数对混凝土试件内部盐冻破坏规律不敏感，不适宜作为评估参数，这与相关研究结论一致^[26-28]。

混凝土相对波速与损伤度的关系图图5所示。可见，随盐冻循环次数增加，相对波速下降明显，在盐冻循环30次内，相对波速呈波动下降，盐冻循环30次后，相对波速出现急剧下降，损伤度随之递增；此外，普通混凝土在不同盐冻循环损伤后，相对波速均小于橡胶/混凝土基体，损伤度均大于橡胶/混凝土基体，说明在盐冻循环作用下橡胶/混凝土基体内部损伤程度较小，反映出橡胶颗粒对混凝土抗盐冻性能有益；在各橡胶掺量中，以10%橡胶掺量相对波速最高，内部损伤较小，与表观现象、剥落量测试结果一致。

图 5 混凝土盐冻循环次数与超声参数的关系

Figure 5. Relationship between ultrasound parameters and number of salt freezing cycles

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2.4 盐冻循环后混凝土抗压强度损失

以28天抗压强度作为参照，计算盐冻循环后混凝土相对抗压强度，如下：

${F_{\rm{R}}} = \frac{{{F_{\rm{T}}}}}{{{F_0}}}$

(5)

式中：F_R为相对抗压强度；F_T为试件盐冻循环破坏后抗压强度(MPa)；F₀为试件盐冻循环破坏前抗压强度(MPa)。

混凝土盐冻循环相对抗压强度变化如图6所示。可以看出，在30次盐冻循环内，试件抗压强度呈起伏变化，但总体呈下降趋势，原因是混凝土经历盐冻循环时，吸收盐溶液与内部水泥浆体反应，致使混凝土孔隙被填充密实，从而强度略有提高，但遭受冻融循环，强度逐渐下降；当盐冻循环次数超过30次，试件强度出现显著降低，这是由于随循环次数增加，混凝土内部和表面产生裂缝随之递增，内部受结冰压力导致疏松，外部水分通过裂缝进入内部孔隙，从而加剧盐冻破坏过程。

经历60次盐冻循环，NC、5%Rubber/NC、10%Rubber/NC、15%Rubber/NC、20%Rubber/NC各组试件强度损失分别为58.5%、56.4%、40.2%、50.8%、48.0%，以10%Rubber/NC抗压强度损失最低。

图 6 混凝土盐冻循环相对抗压强度变化

Figure 6. Relative compressive strength change of concrete after salt freezing cycles

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2.5 超声参数与混凝土抗压强度的关系

混凝土相对波速和损伤度是试件内部破坏的反映，由此引起的宏观表现就是抗压强度变化，为此，作各组混凝土相对波速、损伤度与相对抗压强度的关系曲线，选用合适的函数回归分析，结果见图7，拟合关系式见表5。可见，各式拟合相关系数均大于0.90，拟合结果较优，说明采用相对波速、损伤度评判强度损失合理可行。

图 7 混凝土盐冻循环超声参数与抗压强度的拟合关系

Figure 7. Fitted relationship between ultrasound parameters and compressive strength of concrete after salt freezing cycle

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表 5 混凝土盐冻循环后超声参数与抗压强度损失拟合结果

Table 5. Fitting results of ultrasound parameters and compressive strength of concrete after salt freezing cycle

Concrete number	Ultrasound parameter	Fitting formula	R²
NC	Relative velocity V_R	${F_{\rm{R}}} = 0.15{{\rm{e}}^{2.389{V_{\rm{R}}}}} - 0.416$	0.98
NC	Damage degree D	${F_{\rm{R}}} = - 0.377\ln D + 0.004$	0.93
5%Rubber/NC	Relative velocity V_R	${F_{\rm{R}}} = 0.001{{\rm{e}}^{6.629{V_{\rm{R}}}}} + 0.251$	0.98
5%Rubber/NC	Damage degree D	${F_{\rm{R}}} = - 0.272\ln D + 0.088$	0.97
10%Rubber/NC	Relative velocity V_R	${F_{\rm{R}}} = 0.0002{{\rm{e}}^{7.909{V_{\rm{R}}}}} + 0.382$	0.99
10%Rubber/NC	Damage degree D	${F_{\rm{R}}} = - 0.127\ln D + 0.357$	0.95
15%Rubber/NC	Relative velocity V_R	${F_{\rm{R}}} = 0.634{{\rm{e}}^{1.541{V_{\rm{R}}}}} - 1.724$	0.96
15%Rubber/NC	Damage degree D	${F_{\rm{R}}} = - 0.380\ln D - 0.111$	0.93
20%Rubber/NC	Relative velocity V_R	${F_{\rm{R}}} = 0.077{{\rm{e}}^{2.875{V_{\rm{R}}}}} - 0.194$	0.99
20%Rubber/NC	Damage degree D	${F_{\rm{R}}} = - 0.364\ln D + 0.010$	0.98
Note: F_R—Relative compressive strength.

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2.6 盐冻循环后混凝土微观结构性能劣化

2.6.1 普通混凝土盐冻循环后微观结构性能劣化

普通混凝土经历0、20、40、60次盐冻循环后SEM图像图8所示。

图 8 普通混凝土(NC)盐冻循环微观形貌

Figure 8. Microscopic structure of normal concrete (NC) after salt freezing-thaw cycles

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由图8(a)可见，在常温状态下，水泥石结合较致密，存在大量絮状C-S-H凝胶，观察可见钙矾石AFt晶体和Ca(OH)₂；由图8(b)可见，经历20次盐冻循环后，混凝土絮状凝胶减少，密实度增加，宏观表现为强度呈波动略上升，这是由于盐溶液对混凝土产生有利与不利的双重效应，一方面，盐能够降低溶液冰点，并与水泥浆体反应充填密实裂隙，另一方面，冻融循环造成结冰膨胀和结冰压，在混凝土孔隙中产生盐结晶而产生结晶压，削弱材料强度^[29]；由图8(c)可见，经历40次盐冻循环后，混凝土孔隙增大、裂缝变多，整体呈现疏松多孔，内部结构呈疏松絮状，密实度明显下降；由图8(d)可见，在60次盐冻循环后，混凝土内部疏松加剧，观察可见松散的结晶体，逐渐失去承载力。可见，随盐冻循环次数增加，试件内部逐渐疏松多孔，界面黏结力减弱，宏观表现为强度降低。

2.6.2 橡胶/混凝土基体盐冻循环后微观结构性能劣化

10%Rubber/NC的微观形貌如图9所示。一方面，由图9(a)可见，橡胶表面附着大量空气，拌合时气泡掺入，凝结硬化后造成水泥胶凝内部的孔隙和裂缝增多，宏观表现为材料含气量增加；另一方面，由图9(b)可见，橡胶作为憎水材料，表面无法与水泥砂浆发生水化反应，界面过渡区裂纹凸显，容易产生应力集中，成为承载力薄弱部位，因而造成强度降低^[30-31]，本试验中橡胶掺量达20%时，强度损失率超过35%。

图 9 10%Rubber/NC的微观形貌

Figure 9. Microscopic structure of 10%Rubber/NC

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但由于橡胶独特弹性性质及在内部形成微小孔隙而起到引气剂作用，因而抗盐冻循环劣化性能得以提高。10%Rubber/NC基体经历0、20、40、60次盐冻循环后的微观形貌如图10所示，可见，与普通混凝土类似，随盐冻循环次数增加，试件内部裂纹逐渐增多、变宽，内部结构变得疏松多孔、相互贯穿，承载力逐渐丧失。

图 10 10%Rubber/NC盐冻循环微观形貌

Figure 10. Microscopic structures of 10%Rubber/NC after salt freezing-thaw cycles

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对比图8(a)和图10(a)，在未经历盐冻循环破坏时，橡胶/混凝土基体微观结构出现较多微孔隙；而对比图8(b)、图8(c)、图8(d)和图10(b)、图10(c)、图10(d)，在经历多次盐冻循环破坏，普通混凝土微观结构较橡胶/混凝土基体更疏松，反映出橡胶颗粒有利于改善混凝土抗盐冻性。原因在于：橡胶颗粒具有弹性，其与水泥、砂石等拌和物混合凝结硬化时产生的黏结面强度有限，因而削弱材料强度；但在盐冻循环作用下，混凝土内部经历热胀冷缩，在静水压力作用下，具有弹性的橡胶会有效缓解静水压力造成的内部开裂和孔隙扩大、贯通等不利影响，因而造成强度略有提高，但随盐冻次数增加，其对不利影响的抑制作用逐渐减弱，强度显著下降。

3. 结论

测试了普通混凝土(Normal concrete，NC)和橡胶/混凝土基体(Rubber/NC)经历60次盐冻循环后各阶段的表观现象、力学性能、超声参数和微观形貌，主要结论如下：

(1) 在混凝土中掺入适量橡胶轻质细集料，能够略降低材料表观密度，而拌合物工作性、抗压强度有所下降，当橡胶掺量(与胶凝材料质量比)达到20%，抗压强度下降35.94%；但盐冻环境下劣化性能得到显著提升；

(2) 随盐冻循环次数增加，混凝土试件表面剥蚀、剥落量等随之严重，在30次盐冻循环内，相对波速略有提高而后显著下降，抗压强度随循环次数逐渐下降；建立相对波速、损伤度与抗压强度拟合公式，拟合度较高，说明采用相对波速和损伤度评估混凝土盐冻循环劣化程度合理可行，而幅值和主频表征材料性能变化不显著；经历盐冻循环破坏后，橡胶/混凝土劣化程度优于普通混凝土，以橡胶掺量10%为最佳；

(3) 对盐冻循环损伤后混凝土试样进行微观分析，随橡胶掺量增加，水泥胶凝与砂石集料的黏结力减弱、愈加疏松，因而造成宏观强度损失；随盐冻循环次数增加，内部水泥胶凝由整体紧密逐渐变得酥松多孔，引起表面剥蚀、强度降低。

图 1 橡胶实拍 (a) 及微观形貌 (b)

Figure 1. Picture (a) and microscopic structure (b) of rubber

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图 2 混凝土盐冻试验示意图

Figure 2. Schematic diagram of concrete salt freezing test

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图 3 混凝土盐冻循环表观现象

Figure 3. Apparent phenomenon of concrete after salt freezing cycles

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图 4 混凝土盐冻循环剥落量变化

Figure 4. Flaking amount change of concrete after salt freezing cycles

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图 5 混凝土盐冻循环次数与超声参数的关系

Figure 5. Relationship between ultrasound parameters and number of salt freezing cycles

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图 6 混凝土盐冻循环相对抗压强度变化

Figure 6. Relative compressive strength change of concrete after salt freezing cycles

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图 7 混凝土盐冻循环超声参数与抗压强度的拟合关系

Figure 7. Fitted relationship between ultrasound parameters and compressive strength of concrete after salt freezing cycle

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图 8 普通混凝土(NC)盐冻循环微观形貌

Figure 8. Microscopic structure of normal concrete (NC) after salt freezing-thaw cycles

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图 9 10%Rubber/NC的微观形貌

Figure 9. Microscopic structure of 10%Rubber/NC

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图 10 10%Rubber/NC盐冻循环微观形貌

Figure 10. Microscopic structures of 10%Rubber/NC after salt freezing-thaw cycles

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表 1 P·C 42.5级水泥技术参数

Table 1 Technical parameters of P·C 42.5 cement

Fineness/ (m²·kg⁻¹)	Ignition loss/%	Water requirement of standard consistency/%	Setting time/min		Compressive strength/MPa		Stability
Fineness/ (m²·kg⁻¹)	Ignition loss/%	Water requirement of standard consistency/%	Initial	Finial	3 days	28 days	Stability
342	3.5	25.9	165	220	29.9	49.75	Conformity

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表 2 粉煤灰化学成分组成

Table 2 Chemical composition of fly ash

Composition	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	Na₂O
Content/wt%	53.26	34.72	4.07	2.47	0.39	1.90

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表 3 混凝土配合比

Table 3 Concrete mixture ratio kg·m⁻³

Concrete number	Cementing material		Fine aggregate		Gravel	Water	Water reducer
Concrete number	Cement	Fly ash	Sand	Rubber	Gravel	Water	Water reducer
NC	310	50	791.0	0	1115	150	3.4
5%Rubber/NC	310	50	769.4	18	1115	150	3.4
10%Rubber/NC	310	50	747.8	36	1115	150	3.4
15%Rubber/NC	310	50	726.2	54	1115	150	3.4
20%Rubber/NC	310	50	704.6	72	1115	150	3.4
Notes: NC—Normal concrete; 5%Rubber/NC, 10%Rubber/NC, 15%Rubber/NC and 20%Rubber/NC—Rubber/NC with rubber content (mass ratio to cementitious material) of 5%, 10%, 15% and 20%, respectively.

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表 4 混凝土性能测试结果

Table 4 Concrete performance test results

Concrete number	Workability		28 days apparent density/(kg·m⁻³)	28 days compressive strength/MPa	28 days tensile strength/MPa
Concrete number	Slump/mm	Slump flow/mm	28 days apparent density/(kg·m⁻³)	28 days compressive strength/MPa	28 days tensile strength/MPa
NC	170	340	2423	40.68	4.52
5%Rubber/NC	195	365	2412	36.91	4.05
10%Rubber/NC	215	390	2403	32.69	3.78
15%Rubber/NC	240	425	2398	29.38	3.25
20%Rubber/NC	265	460	2387	26.06	2.89

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表 5 混凝土盐冻循环后超声参数与抗压强度损失拟合结果

Table 5 Fitting results of ultrasound parameters and compressive strength of concrete after salt freezing cycle

Concrete number	Ultrasound parameter	Fitting formula	R²
NC	Relative velocity V_R	${F_{\rm{R}}} = 0.15{{\rm{e}}^{2.389{V_{\rm{R}}}}} - 0.416$	0.98
NC	Damage degree D	${F_{\rm{R}}} = - 0.377\ln D + 0.004$	0.93
5%Rubber/NC	Relative velocity V_R	${F_{\rm{R}}} = 0.001{{\rm{e}}^{6.629{V_{\rm{R}}}}} + 0.251$	0.98
5%Rubber/NC	Damage degree D	${F_{\rm{R}}} = - 0.272\ln D + 0.088$	0.97
10%Rubber/NC	Relative velocity V_R	${F_{\rm{R}}} = 0.0002{{\rm{e}}^{7.909{V_{\rm{R}}}}} + 0.382$	0.99
10%Rubber/NC	Damage degree D	${F_{\rm{R}}} = - 0.127\ln D + 0.357$	0.95
15%Rubber/NC	Relative velocity V_R	${F_{\rm{R}}} = 0.634{{\rm{e}}^{1.541{V_{\rm{R}}}}} - 1.724$	0.96
15%Rubber/NC	Damage degree D	${F_{\rm{R}}} = - 0.380\ln D - 0.111$	0.93
20%Rubber/NC	Relative velocity V_R	${F_{\rm{R}}} = 0.077{{\rm{e}}^{2.875{V_{\rm{R}}}}} - 0.194$	0.99
20%Rubber/NC	Damage degree D	${F_{\rm{R}}} = - 0.364\ln D + 0.010$	0.98
Note: F_R—Relative compressive strength.

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