本发明属于道路与桥梁工程技术领域，特别涉及一种提高抗冻融耐久性的橡胶粉集料混凝土优化设计方法。
背景技术：
对于道路工程路面及桥面铺装混凝土层在自然环境下，尤其是我国北方地区易受到冷热交替变化、冻融循环等的影响，路面混凝土在秋季浸水，冬季结冰，春季融化，冻融循环如此反复进行，最终导致路面结构的耐久性破坏，从而严重影响路面的使用，降低路面的寿命。
混凝土冻融破坏的基本机理是由于混凝土材料构成较为复杂，内部存在孔和微裂缝等孔隙结构，当混凝土内部的孔隙结构处于水饱和状态时，温度降低会导致混凝土孔隙中的自由水凝结膨胀，产生膨胀力，进而导致混凝土内部出现损伤，混凝土在冻融循环的作用下，其内部的冻胀损伤会逐渐积累，使得混凝土发生开裂直至损坏。
以回收橡胶粉部分替代传统混凝土中粗、细集料制备而成的水泥基橡胶粉集料混凝土材料，既减轻了废旧轮胎给环境带来的压力，又可力图改善普通混凝土的性能，是集环保与资源再利用于一体的具有前瞻性的创新。橡胶粉掺入混凝土会部分改变抗冻融耐久性，从机理上已达到共识，但受多方面因素的交互作用，目前无统一的标准可循，部分试验结果还显示改善幅度不高甚至相反的结论。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种提高抗冻融耐久性的橡胶粉集料混凝土优化设计方法，通过优化的橡胶粉粒径与掺量设计，减弱甚至消除劣势因素的影响，最大限度发挥橡胶粉的粒径与掺量组合优势，使得所得橡胶粉集料混凝土具有高抗冻融耐久性的效果，可用于具有冻融破坏隐患的道路与桥梁工程相关构造物中。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种提高抗冻融耐久性的橡胶粉集料混凝土优化设计方法，以橡胶粉部分替代基准混凝土中细骨料，橡胶粉的粒径和掺量优化组合设计由快速冻融试验的质量损失率wl和冻融损伤量d决定。
其中，质量变化情况用质量损失率指标wl表征：
式中：
wl—质量损失率；
w0—橡胶粉集料混凝土试件的初始质量(kg)；
wn—n次冻融循环后橡胶混凝土试件的质量(kg)。
动弹性模量等物理性质变化情况用冻融损伤量指标d表征：
式中：
er—n次冻融后混凝土相对动弹性模量；
e0、en—冻融前、n次冻融后混凝土的动弹性模量(gpa)。
根据应用场景不同，基准混凝土中不掺加橡胶粉，保持基准混凝土水、水泥、粗骨料及减水剂用量不变，组合橡胶粉的不同粒径和掺量，通过n次快速冻融循环试验，得到质量损失率wl和冻融损伤量d最小的优化组合。
水灰比0.32；基准混凝土中不掺加橡胶粉，组份配比为：细骨料757.0kg/m3；粗骨料1090kg/m3；减水剂9.57kg/m3；水144kg/m3；水泥445kg/m3；水灰比0.32。橡胶粉掺量按照细骨料体积固定百分比的原则掺入基准混凝土中，除橡胶粉与细骨料外，其他组份配比为：粗骨料1090kg/m3；减水剂9.57kg/m3；水144kg/m3；水泥445kg/m3；水灰比0.32。橡胶粉掺量分别为细骨料体积的10％、20％、30％，橡胶粉粒径分别为80目、40目、20目，进行快速冻融组合试验。
所述快速冻融循环试验方法的基本步骤为：
1)将制作的四棱柱体抗冻融试件按照28d龄期提前4d将试件从标准养护室中取出，然后将其浸泡在20±2℃的石灰水中至养护龄期结束；
2)浸泡结束后取出试件并用湿布擦干其表面水分，分别利用台秤和共振法混凝土动弹性模量测定仪(共振仪)测定每个试件的质量和动弹性模量作为其初始值；
3)将试件分别装入实现准备好的橡胶试件盒中，并注入清水至没过试件顶面1～3mm；
4)开始快速冻融试验，每次冻融循环的所用的时间应控制在2～5h，每次用于融化的时间应大于整个冻融时间的1/4。在整个冻融循环的过程中，试件中心的最低温度和最高温度应始终保持在-18℃±2℃和5℃±2℃，在试件受冻和融化的过程中，试件的温度在从3℃降低到-16℃和从-16℃升高到3℃的变化时间应大于受冻或融化时间的1/2，且试件的内外温差应控制在28℃以下，试件冷冻与融化之间的转化试件应控制在10min之内；
5)当达到以下条件之一时方可停止试验：
①冻融循环次数达到150次；
②由横向基频计算得到的相对动弹性模量下降40％；
③试件的质量损失率达到5％；
6)试验过程中每隔25次冻融循环将试件取出，冲洗并擦干其表面，进行横向基频和质量的测定并记录。再将试件重新装入试件盒中，注水并继续试验。
与现有技术相比，本发明橡胶粉集料混凝土在降低冻融循环下质量损失与改善抗冻融性能方面具有较大的优势，得到其橡胶粉优化参数组合对于指导实际工程中配合比设计具有相当高的工程意义。同时，将其应用于我国北方高冻融敏感性地区的道路与桥梁工程中，不仅可实现废旧橡胶制品的无污染消化处理，解决资源短缺和环境污染两大问题，而且可以充分发挥橡胶粉优良的弹性变形性能，达到了保障恶劣环境下结构抗冻融耐久性的目的。
附图说明
图1为本发明四棱柱体冻融试件示意图。
图2为本发明质量损失率wl变化曲线图。
图3为本发明冻融损伤量d变化曲线图。
具体实施方式
发明所述的具体实施方式并不构成对本发明范围的全部限制，凡是在本发明构思的原则和精神之内，本领域的专业人员做出的任何修改、等同替换的改进等均应包含在本发明的保护范围之内。
回收橡胶粉的掺入对于混凝土材料的抗冻融耐久性的影响由以三方面正向作用与两方面反向作用耦合而成。其中，正向作用表现为：(一)，橡胶粉的掺入起到了“固体引气剂”作用，随着掺入过程可以引入大量微小的“空气泡”，使得混凝土中的含气量增加。这些“空气泡”的存在可以使受压迫的孔隙水渗入其中，提供了孔隙水压力的排泄空间，并且缩短了孔隙水的流程，缓解了静水压力和渗透压力，从而使橡胶粉集料混凝土的抗冻融耐久性大大提高；(二)，橡胶粉的掺入会部分填充混凝土中的有害孔隙，从而阻碍孔隙中的自由水凝结膨胀，进而增强了其抗冻融耐久性能；(三)，橡胶粉材料本身是一种弹性体，在冻融循环的过程中会起到缓冲冻胀力的作用，从而增强了橡胶粉集料混凝土的抗冻融耐久性能。另一方面，反向作用表现为：(一)，橡胶粉的掺入会使得水泥砂浆与橡胶粉接触的部位产生一个薄弱的界面层，薄弱界面层的存在不仅降低了混凝土抗压强度，也同时降低了抗冻融耐久性能；(二)，橡胶粉粒径与掺入量这两种因素的不同组合对其他作用的影响程度差异较大，从而导致橡胶粉集料混凝土抗冻融耐久性能的波动性。
总体而言，对橡胶粉集料混凝土抗冻融耐久性改善的正向作用程度是大于反向作用的，但如何最大限度发挥橡胶粉的粒径与掺量组合优势，减弱甚至消除劣势因素的影响，是解决问题的关键。为此，需通过设置合理的评价指标，并通过专项试验来寻求较优组合形式，本申请设计实施例如下。
实施例1
提高抗冻融耐久性的橡胶粉集料混凝土优化设计方法，掺入的橡胶粉的粒径大小为80目，掺量为10％，细骨料681.3kg/m3。橡胶混凝土其他组份配比为：粗骨料1090kg/m3；减水剂9.57kg/m3；水144kg/m3；水泥445kg/m3；水灰比0.32。
制备方法如下：称取配方量的橡胶粉，按照细骨料体积固定百分比掺入并替换相应体积细骨料，再投入配方量的水泥、水、粗骨料、减水剂等，搅拌后得到橡胶粉集料混凝土。将得到的橡胶粉集料混凝土入模制作快速冻融试验试件，尺寸为100mm×100mm×400mm四棱柱体，如图1所示。
对橡胶粉集料混凝土试件进行快速冻融循环试验，得到0～150次冻融循环下质量损失率与冻融损伤量的变化规律，冻融循环50次、100次及150次后质量损失率wl分别为0.067％、0.135％及0.169％；冻融循环50次、100次及150次后冻融损伤量d分别为0.017％、0.053％及0.095％。
实施例2
一种提高抗冻融耐久性的橡胶粉集料混凝土优化设计方法，与实施例1的不同之处在于，掺入的橡胶粉的粒径大小为80目，掺量为20％，细骨料605.6kg/m3。
参照实施例1进行快速冻融循环试验，得到冻融循环50次、100次及150次后质量损失率wl分别为0.224％、0.259％及0.293％；冻融循环50次、100次及150次后冻融损伤量d分别为0.017％、0.035％及0.050％。
实施例3
一种提高抗冻融耐久性的橡胶粉集料混凝土优化设计方法，与实施例1的不同之处在于，掺入的橡胶粉的粒径大小为80目，掺量为30％，细骨料529.9kg/m3。
参照实施例1进行快速冻融循环试验，得到冻融循环50次、100次及150次后质量损失率wl分别为0.119％、0.136％及0.170％；冻融循环50次、100次及150次后冻融损伤量d分别为0.032％、0.078％及0.124％。
实施例4
一种提高抗冻融耐久性的橡胶粉集料混凝土优化设计方法，与实施例1的不同之处在于，掺入的橡胶粉的粒径大小为40目，掺量为10％，细骨料681.3kg/m3。
参照实施例1进行快速冻融循环试验，得到冻融循环50次、100次及150次后质量损失率wl分别为0.067％、0.267％及0.367％；冻融循环50次、100次及150次后冻融损伤量d分别为0.026％、0.071％及0.146％。
实施例5
一种提高抗冻融耐久性的橡胶粉集料混凝土优化设计方法，与实施例1的不同之处在于，掺入的橡胶粉的粒径大小为40目，掺量为20％，细骨料605.6kg/m3。
参照实施例1进行快速冻融循环试验，得到冻融循环50次、100次及150次后质量损失率wl分别为0.068％、0.152％及0.237％；冻融循环50次、100次及150次后冻融损伤量d分别为0.022％、0.046％及0.088％。
实施例6
一种提高抗冻融耐久性的橡胶粉集料混凝土优化设计方法，与实施例1的不同之处在于，掺入的橡胶粉的粒径大小为40目，掺量为30％，细骨料529.9kg/m3。
参照实施例1进行快速冻融循环试验，得到冻融循环50次、100次及150次后质量损失率wl分别为0.034％、0.069％及0.104％；冻融循环50次、100次及150次后冻融损伤量d分别为0.005％、0.013％及0.030％。
实施例7
一种提高抗冻融耐久性的橡胶粉集料混凝土优化设计方法，与实施例1的不同之处在于，掺入的橡胶粉的粒径大小为20目，掺量为10％，细骨料681.3kg/m3。
参照实施例1进行快速冻融循环试验，得到冻融循环50次、100次及150次后质量损失率wl分别为0.052％、0.109％及0.197％；冻融循环50次、100次及150次后冻融损伤量d分别为0.008％、0.034％及0.046％。
实施例8
一种提高抗冻融耐久性的橡胶粉集料混凝土优化设计方法，与实施例1的不同之处在于，掺入的橡胶粉的粒径大小为20目，掺量为20％，细骨料605.6kg/m3。
参照实施例1进行快速冻融循环试验，得到冻融循环50次、100次及150次后质量损失率wl分别为0.035％、0.093％及0.244％；冻融循环50次、100次及150次后冻融损伤量d分别为0.004％、0.012％及0.025％。
实施例9
一种提高抗冻融耐久性的橡胶粉集料混凝土优化设计方法，与实施例1的不同之处在于，掺入的橡胶粉的粒径大小为20目，掺量为30％，细骨料529.9kg/m3。
参照实施例1进行快速冻融循环试验，得到冻融循环50次、100次及150次后质量损失率wl分别为0.018％、0.029％及0.053％；冻融循环50次、100次及150次后冻融损伤量d分别为0.003％、0.006％及0.015％。
对比例1
一种基准水泥基混凝土材料，与实施例1采用相同的水灰比，不同之处在于，不掺加橡胶粉，细骨料757.0kg/m3。
参照实施例1进行快速冻融循环试验，得到冻融循环50次、100次及150次后质量损失率wl分别为0.264％、0.593％及0.791％；冻融循环50次、100次及150次后冻融损伤量d分别为0.038％、0.098％及0.168％。
实施例1～实施例9与对比例1的冻融循环试件的质量损失率指标wl随冻融循环次数的变化规律如图2所示。可以看出，橡胶混凝土质量损失是一个随冻融循环逐渐增大的过程，各实施例与对比例的质量损失率均随冻融循环次数的增加而不断增大；橡胶粉集料混凝土质量损失率普遍小于基准混凝土，橡胶粉提升了混凝土的抗冻融性能，且提升较为明显。
实施例1～实施例9与对比例1的冻融循环试件的冻融损伤量指标d随冻融循环次数的变化规律如图3所示。可以看出，橡胶混凝土的冻融损伤量随冻融循环次数的变化是一个小幅度加速累积的过程，与混凝土冻融循环破坏机理相符，橡胶粉的掺入在一定程度上降低了混凝土的冻融损伤量，即改善了混凝土的抗冻融性能。
综合分析橡胶粉粒径和掺量对抗冻融性能的影响，粒径取20目、掺量为30％的配合比为推荐的相对最优配合比，基于此制备而成的橡胶粉集料混凝土材料可保证优良的抗冻融性能，可用于指导同类型材料配合比优化设计。
可以预见，在具有冻融破坏隐患的道路与桥梁工程中大力推广高抗冻融耐久性橡胶粉集料绿色生态混凝土材料，势必具有广阔应用前景和产业化应用空间。