第 1 章 绪论
1.1 研究现状及分析
1.1.1 研究背景
保证混凝土构筑物的安全性能和维持其正常使用前提情况下，结构抵抗外部因素对其整体结构的影响并在服役期间能够具备足够的使用性以及外观整体性的能力称为耐久性[1]。混凝土结构耐久性问题一直处于国内外混凝土领域的研究热点，它往往决定了建筑物能够使用期限长短的关键因素，特别处于严寒及寒冷地区，这类问题就更加突出显著。尤其对于露天工况下的混凝土工程，例如露天建筑、桥梁、道路等，在不断经受温度上升和下降的交替变化过程中导致混凝土内部损伤，这种损伤劣化一般被称为混凝土冻融损伤[2]。因工程构筑物所处的使用环境不同，混凝土在受到冻融破坏的同时还可能经受氯离子和硫酸盐等的侵蚀从而加剧混凝土的冻融破坏。例如在北方严寒地带，在严寒的冬天有很大几率出现降雪从而导致路面出现结冰。公路管理部门通过向道路撒除冰盐除冰雪，混凝土就会处于冻融和氯盐侵蚀环境，此时内部损伤程度不是单纯的 1+1=2，而是 1+1＞2的状况[3，4]。
随着汽车工业的飞速发展，大量的废旧轮胎、橡胶制品及边角料不断增多，废旧轮胎的处理以及如何能够做到循环及利用，一直是一大难题。据有关部门统计，中国作为轮胎制造排在首位的国家，仅在 2018 这一年里，我国的生产制造总量就高达 10 亿条，报废总量就高达 3.8 亿条[5]。废旧轮胎属于高聚合物质，在自然条件下极难被自然分解，埋入土壤和随处置放都会导致滋生蚊虫病菌，引发传染病，这对周边居民的生命健康问题造成极大的威胁，据此，寻求如何有效地处理这类废旧轮胎的方式迫在眉睫。废旧轮胎作为一种工业材料，其本身具有很高的回收利用价值，可作为再生资源。到目前为止，针对如何高效且资源化的处理这类废弃旧轮胎的主要途径有以下几种[6]：（1）废旧轮胎直接利用，即用于游乐场、盆栽等；（2）废旧轮胎的回收翻新；（3）制造再生胶；（4）作为热能燃料直接燃烧利用；（5）热分解回收利用，提取燃气、裂解油、钢铁等原料；（6）粉碎法制胶粉，作为新的填充材料。
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1.2 课题研究思路
1.2.1 主要研究目的
（1）全面地探究橡胶不同粒径及加入量对混凝土抗冻性变化规律，为更深入地研究橡胶混凝土提供一定的参考。
（2）探究橡胶混凝土在冻融循环和氯离子同时作用下与先冻融后氯离子渗透的叠加作用下的差异性与规律性。
（3）系统地分析氯离子在外部作用影响下的渗透性能，推导在冻融循环作用下橡胶混凝土氯离子的理论扩散模型。
（4）通过数值分析试验结果，建立以橡胶掺量为变量的橡胶混凝土在盐冻作用下的冻融损伤劣化模型并初步预测橡胶混凝土的工程服役寿命，以期为工程应用提供参考借鉴。
1.2.2 研究基本内容
（1）以橡胶的粒径和掺量为变量，本文系统地研究了 5~8 目、30~40 目、60~80目等三种不同的橡胶粒径以及掺量为 5%、10%、15%混凝土的抗冻性。
（2）通过试验研究方法，探究了不同橡胶粒径和掺量的混凝土在冻融循环和氯离子侵蚀共同作用与先冻融后抗氯离子渗透这两种不同耦合情况的耐久性能。
（3）以 Fick 扩散定律为基础建立了考虑温度、冻融循环次数以及氯离子结合能力等因素的橡胶混凝土氯离子扩散模型。
（4）通过分析橡胶混凝土在冻融循环和氯离子耦合作用下的动弹性模量变化曲线规律，利用数值分析软件对试验结果进行拟合分析，建立了冻融循环与氯离子侵蚀作用下橡胶混凝土的损伤模型并初步预测了橡胶混凝土的安全服役寿命。
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第 2 章 冻融循环与氯盐侵蚀耦合作用下橡胶混凝土耐久性试验
2.1 混凝土抗冻耐久性试验方法简介
现在国际上混凝土抗冻耐久性能的测试途径大概包含以下 4 种：①慢速冻融法；②快速冻融法；③临界膨胀试验法；④临界水饱和法[43]。学者通过分析混凝土构筑物所在的真实服役环境，选择相应的研究方法对其做不同的抗冻耐久性测试。以下简要介绍慢冻法和快冻法这两个现行国际上相对主流的测试方法的适用条件以及要求：
（1）慢冻法的适用条件及其试验要求
慢冻法一般用来研究气冻水融情况下混凝土的抗冻耐久性能[44]。根据规范标准，需把混凝土预先进行标准养护 23d 后拿出，之后再将混凝土试件放入温度是（19±1）℃的水下放置时长达到 4d 再取出，称取每个试件的初始质量并逐一记录，然后再进行混凝土的抗冻循环试验。冻融循环过程中，冻结温度需限制在-20℃~18℃范围内，并且每次冻融循环过程中，每单个试件的冻结时长和融化时长都应超过 4h，且从温度降至-18℃开始计算；冻结过程完成后，试件需快速放入温度为（19±1）℃的水中以此消除结冰状态。凡试件经过 25 次冻融循环作用，应拿出试件并检查其外观完整度，当试件表观开始出现明显的破损时，应对破损试件做一次质量和抗压强度测定，并将质量损失率或抗压强度结果与规范规定限值做分析对比。若未超过规范规定最大限值，那么此时测定的受冻次数就等于该试件的抗冻等级标号；若超过规范规定最大限值，那么该试件的抗冻标号等于当前测定的冻融循环次数减去 25。
（2）快冻法的适用条件及其试验要求
快冻法一般用来测定水冻水融情况中试件的抗冻耐久性能[45]。要求混凝土成型后应立即置于标准养护室中达到 24d，把混凝土取出并立即置于（20±2）℃水里放置 4d 后再拿出来，拿抹布把外表抹干再逐一进行编号，之后测试每个混凝土起始重量以及起始横向基频，把数据逐一详细登记下来，最后把混凝土置于冻融机橡胶盒里再开始试验。在试验进行的整个阶段，混凝土的中心温度需限制于（-18±2）℃以及（5±2）℃之间，试件单次受冻时长需控制于 2h~4h 之内，需注意，使试件结冰解冻时长应至少大于单次总用时 1/4。在冻融循环试验中，温度从-16℃升到 3℃用时也不应小于解冻用时的 1/2；温度于 3℃降到-16℃用时时长同样应大于冻结时长 1/2。冻融循环试验过程中，混凝土里外温度之差应小于 28℃，每经历 25 次循环试验后须将混凝土取出并对其进行一次质量以及横向基频测试，并逐一做好详细的数据记录。快冻法通过测得的试件相对动弹模损失率或质量损失率来作为衡量该试件抗冻等级的依据[46]，当试验试件出现以下 3 种情况之一，均应该结束对该试件继续进行试验：①已达 300 次冻融循环次数；②相对动弹模降为初始值的 60%；③质量损失率大于 5%时。并将此时测定试件的试验次数来表示该试件的抗冻标号。
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2.2 混凝土抗氯离子渗透试验方法简介
混凝土具有能够使氯离子在其内部发生各种迁移行为的能力我们称之为“渗透性”[47]，同时，离子在其内部扩散速率的快慢往往也决定了混凝土渗透性的高低，一般通过试验测定可以获得[48]。以下简要介绍慢渗法和快渗法：
（1）慢速渗透试验法
慢速渗透法是通过把试件长时间放置于含有氯离子的溶液里，放置时长一般长达几十 d 或几百 d 之久。把浸泡过后的试件取出，然后根据氯离子的渗透深度对试件的渗透性能的高低作出相应判定。根据美国标准 AASHTOT259 规定，采用慢速法测试普通混凝土需要将混凝土试件放入氯离子水中浸泡至少 35d，但是针对那些强度较高以及其它的高性能混凝土的浸泡时间应持续在 100d 或者更久。鉴于该方法的试验周期过于太久，对于实验室试验来说并不适用，因此，这种方法现在已经基本极少使用了。
（2）快速渗透试验法
许多专家学者针对慢速渗透试验法的耗时过长这一问题的不断的探索，美国硅酸盐水泥协会专家提出一种被称为电通量(RCP)的试验方法，它能够让氯离子在混凝土内部的渗透速度借助对试件施加外部电场的方法来提升，氯离子迁移的主要方式由氯盐溶液梯度改为外加电场的驱动。这个方法主要原理是通过给试件施加外加电场，通过加电场产生的电势差驱使离子从电源的负极向正极进行迁移。在整个过程中，每经过半小时应对通过试件的电通量进行一次测试并记录，整个试验过程总共为 6h。在试验结束后计算通过试件总电通量结果，即可根据该计算结果得出该类混凝土的渗透性。
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第 3 章 冻融循环与氯盐侵蚀耦合作用下橡胶混凝土损伤机理分析...........................36
3.1 冻融循环作用下橡胶混凝土的损伤分析.........................36
3.1.1 冻融破坏的经典理论.............................. 36
3.1.2 橡胶混凝土孔结构与渗透性..........................38
第 4 章 冻融循环与氯盐侵蚀耦合作用下橡胶混凝土氯离子扩散模型研究................................45
4.1 氯离子扩散的影响因素........................................ 45
4.1.1 温度.................................... 45
4.1.2 湿度................................... 46
第 5 章 冻融循环与氯盐侵蚀耦合作用下橡胶混凝土损伤模型研究与寿命预测........................57
5.1 橡胶混凝土冻融损伤规律分析....................................... 57
5.1.1 单段变化模式............................ 57
5.1.2 双段变化模式......................... 58
第 5 章 冻融循环与氯盐侵蚀耦合作用下橡胶混凝土损伤模型研究与寿命预测
5.1 橡胶混凝土冻融损伤规律分析
根据本文第二章橡胶混凝的抗冻变化曲线可知，无论是冻融单因素作用下，
还是冻融循环和氯离子双因素耦合作用下，橡胶混凝土的受冻损伤会由于受冻次数提升导致越来越严重，可用损伤度大小描述其结构劣化。而且余红发[104]所分析的相对动弹性模量和吴庆令[105]所分析的质量损失率与冻融损伤所呈现出来的整体趋势一样，都符合单段或双段变化模式的变化规律。
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第 6 章 结论与展望
6.1 结论
（1）橡胶颗粒加入后能够有效地提升混凝土的抗冻性，且最优加入量应取10%，加入的粒径越小，效果也就越好。橡胶混凝土的抗冻性均高于普通混凝土，并且相比于普通混凝土在纯水中冻融的抗冻性能提升幅度在 55%~70%，在盐水中的冻融抗冻性能提升幅度在 35%~100%。
（2）加入一定量的橡胶可以显著地提升混凝土抗氯离子渗透性能，且最优掺量为 10%，加入的粒径越小，效果也越好。当橡胶加入量在 15%时，混凝土抗氯离子渗透性能反而出现了不同程度的下降甚至比素混凝土还低，因此加入量不应高于 15%。
（3）冻融循环和氯离子侵蚀共同作用和叠加作用的作用机制不同，橡胶的掺入相当于固体引气剂的作用掺入混凝土中。
（4）根据分析橡胶混凝土在盐冻作用下的损伤机理后可以得到：冻融循环和氯离子侵蚀都是导致橡胶混凝土结构抗冻耐久性失效最主要的原因，橡胶混凝土孔隙的结构、溶液浓度、压力及冰点也会影响其抗冻性。
参考文献（略）