NaOH預(yù)處理對(duì)橡膠混凝土性能的影響

楊長(zhǎng)輝 田義 楊凱 楊濤 熊俊

摘要：研究了不同水膠比條件下，NaOH預(yù)處理方式和橡膠摻量對(duì)混凝土吸水性、毛細(xì)孔隙率、干燥收縮及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，摻加經(jīng)NaOH預(yù)處理的橡膠所配混凝土具有更低的吸水率、毛細(xì)孔隙率、脆性和更高的抗折強(qiáng)度，預(yù)處理對(duì)橡膠混凝土上述性能的改性作用與水膠比有關(guān)，水膠比較高時(shí)改性效果較好。

關(guān)鍵詞：橡膠混凝土；NaOH預(yù)處理；吸水性；脆性；水膠比

中圖分類號(hào)：TU528.41

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-4764（2016）02-0044-07

Abstract：The influence of water to binder ratio， rubber pretreated method and dosage to water absorption on the capillary porosity， drying shrinkage and mechanical properties of rubber concrete was studied. The results indicated that the NaOH pretreatment could help improve overall performances of rubber concrete， while its influence is dependent on water to binder ratio of concrete. It is suggested that the improvement of concrete by NaOH pretreatment was enhanced at a higher water to binder ratio.

Keywords：rubber concrete； NaOH pretreatment； sorptivity； toughness； water to binder ratio

將廢舊橡膠作為集料用于水泥混凝土中是一種有效利用廢舊橡膠的方式，也是降低混凝土脆性的新途徑。已有研究表明，橡膠混凝土在變形性能和增強(qiáng)韌性方面表現(xiàn)出積極的效果[1-4]，但橡膠集料的摻入會(huì)降低混凝土的力學(xué)性能[5-7]，這限制了它的應(yīng)用。

為改善橡膠混凝土的力學(xué)性能，通常對(duì)橡膠集料進(jìn)行預(yù)處理。常見(jiàn)的預(yù)處理方式包括水洗、偶聯(lián)劑處理、NaOH溶液處理以及乳膠處理[8-10]。預(yù)處理可以有效提高橡膠集料與水泥石之間的粘結(jié)強(qiáng)度。NaOH預(yù)處理能改善橡膠集料表面的親水性和混凝土中界面過(guò)渡區(qū)的性能，在提高混凝土強(qiáng)度[9-10]的同時(shí)，影響水分在混凝土中的遷移行為，進(jìn)而影響混凝土的吸水性與干燥收縮。然而，已有的關(guān)于NaOH預(yù)處理對(duì)橡膠混凝土吸水性和收縮行為影響的研究沒(méi)有一致結(jié)論。目前，有關(guān)橡膠混凝土的脆性研究多數(shù)集中在橡膠混凝土彈性模量與橡膠摻量之間關(guān)系上[11-13]。橡膠混凝土彈性模量降低是橡膠混凝土強(qiáng)度降低效應(yīng)與橡膠集料本身低彈模特性共同作用的結(jié)果，而目前關(guān)于兩種作用效應(yīng)缺少細(xì)致研究。

筆者試驗(yàn)研究了NaOH預(yù)處理方式、橡膠摻量、水膠比對(duì)混凝土吸水率、毛細(xì)孔隙率、干燥收縮以及力學(xué)性能的影響，比較了相同強(qiáng)度等級(jí)的橡膠混凝土和普通混凝土彈性模量之間的關(guān)系，以揭示預(yù)處理橡膠集料對(duì)混凝土脆性影響的規(guī)律。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料與混凝土配合比

采用重慶小南海水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5R水泥，重慶珞璜電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰，水泥和粉煤灰的主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

橡膠預(yù)處理：先將橡膠集料置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaOH溶液浸泡24 h，然后用清水洗凈，再在45 ℃下烘至恒重后備用。

混凝土吸水測(cè)試：參考標(biāo)準(zhǔn)BS-EN13057，實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。成型100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，1 d后拆模，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后轉(zhuǎn)移至恒溫烘箱中，在45±2 ℃的溫度下干燥7 d。將干燥后的試件密封，置于20±2 ℃的環(huán)境中冷卻24 h，將試件測(cè)試端浸入水中（如圖1所示），液面不超過(guò)測(cè)試面5 mm，測(cè)量一定時(shí)間間隔的吸水量，精確至0.01 g。通過(guò)吸水量與時(shí)間關(guān)系計(jì)算混凝土吸水率。

混凝土毛細(xì)孔隙率實(shí)驗(yàn)：按照以上裝置，將試件1/2（50 mm）浸水浸泡3 d，再將浸水高度提升至75 mm浸泡3 d，最后完全浸水4 d，以吸水體積表征混凝土毛細(xì)孔隙率[14]。

干燥收縮試驗(yàn)：依據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009）規(guī)定進(jìn)行測(cè)試。

混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和靜力受壓彈性模量測(cè)試：按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2012）規(guī)定進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 NaOH預(yù)處理橡膠對(duì)混凝土吸水率和毛細(xì)孔

隙率的影響

混凝土吸水率和毛細(xì)孔隙率是評(píng)價(jià)混凝土耐久性的重要指標(biāo)，圖2給出了不同水膠比下，橡膠預(yù)處理方式和摻量對(duì)混凝土吸水率的影響。從圖中可以看出，與未處理橡膠集料相比，摻NaOH預(yù)處理橡膠集料所配混凝土吸水率更低。摻入橡膠集料后，混凝土吸水率變化受橡膠摻量變化影響不大，但會(huì)受到水膠比的影響。當(dāng)水膠比為0.4時(shí)，摻加未處理橡膠配制的混凝土吸水性與基準(zhǔn)組相近，取代率為30%時(shí)，摻預(yù)處理橡膠的混凝土吸水率比摻入未處理橡膠集料時(shí)低19.8%，當(dāng)水膠比為0.3時(shí)，降低幅度僅為3.2%。

圖3給出了橡膠預(yù)處理方式和摻量對(duì)混凝土毛細(xì)孔隙率的影響。由圖可以看出，當(dāng)水膠比為0.3時(shí)，毛細(xì)孔率在3.5%～4.0%之間，NaOH預(yù)處理橡膠和橡膠摻量對(duì)混凝土毛細(xì)孔隙率影響不明顯；當(dāng)水膠比為0.4時(shí)，摻入橡膠集料會(huì)降低混凝土毛細(xì)孔隙率，NaOH處理橡膠集料配制的混凝土毛細(xì)孔隙率更低，當(dāng)橡膠集料的體積取代率從0增加到30%時(shí)，毛細(xì)孔隙率由6.6%減小至58%，降低了12.1%。當(dāng)取代率為30%時(shí)，摻預(yù)處理橡膠的混凝土毛細(xì)孔隙率比摻入未處理橡膠集料時(shí)低9.5%。

總體來(lái)說(shuō)，摻入未處理橡膠不會(huì)顯著改善混凝土吸水性和毛細(xì)孔隙率，但摻入經(jīng)NaOH處理后的橡膠則能減小混凝土中水分遷移速度，降低混凝土吸水率和毛細(xì)孔隙率。這是由于NaOH能與橡膠顆粒表面的硬脂酸鋅反應(yīng)，清除了表面雜質(zhì)，增加了親水基團(tuán)，改善橡膠顆粒表面形貌，提高界面過(guò)渡區(qū)的密實(shí)性[9-10、15]，進(jìn)而提高混凝土耐久性，而未經(jīng)處理的橡膠顆粒表面雜質(zhì)較多，憎水性強(qiáng)，難以有效融入混凝土體系，因而難以發(fā)揮橡膠改善作用。

2.2 NaOH預(yù)處理橡膠對(duì)混凝土干燥

收縮的影響

圖4給出了橡膠預(yù)處理方式與摻量對(duì)混凝土干燥收縮的影響。從圖4（a）可以看出，當(dāng)水膠比為0.4時(shí)，摻未處理橡膠所配混凝土在橡膠摻量較低時(shí)，混凝土干燥收縮有所增加，橡膠摻量增加，混凝土干燥收縮減小，如當(dāng)橡膠取代率為30%時(shí)，混凝土90 d干燥收縮為457×10-6 m/m，比未摻橡膠的混凝土干燥收縮低10.2%。摻NaOH預(yù)處理橡膠集料的混凝土90 d干燥收縮比摻未處理橡膠的混凝土的分別降低了5.4%、11.8%和2.8%。水膠比降低至0.3時(shí)，橡膠混凝土干燥收縮的變化也呈現(xiàn)出摻入低摻量橡膠混凝土干燥收縮增加、提高橡膠摻量混凝土干燥收縮率減小的趨勢(shì)。

綜合圖3和圖4可知，當(dāng)橡膠取代率較低時(shí)，橡膠混凝土的毛細(xì)孔隙率降低幅度較小。此時(shí)，混凝土毛細(xì)管壓力降低幅度較小，混凝土干燥收縮主要受橡膠柔性影響，因此，摻入橡膠，干燥收縮增大。隨著橡膠摻量增加，橡膠混凝土毛細(xì)孔隙率大幅降低，混凝土干燥收縮的動(dòng)力減小，因此，混凝土干燥收縮減小。NaOH改性能減小水分遷移速度，進(jìn)而減緩形成毛細(xì)管壓力速度，因此，摻入NaOH處理橡膠可降低混凝土干縮。

2.3 NaOH預(yù)處理橡膠對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度與抗折

強(qiáng)度的影響

不同水膠比下，橡膠預(yù)處理方式和摻量對(duì)混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖5。數(shù)據(jù)表明，混凝土抗壓強(qiáng)度隨著橡膠摻量增加而降低。產(chǎn)生此現(xiàn)象的主要原因是憎水性的橡膠顆粒與水泥石的粘接強(qiáng)度較弱，兩者粘接界面為混凝土中的薄弱環(huán)節(jié)，從而導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低[16-17]；柔性的橡膠摻入混凝土中，降低了混凝土實(shí)際的承壓面積而使得混凝土的強(qiáng)度降低[18]。值得注意的是，NaOH預(yù)處理可提升橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度，改善程度取決于水膠比和橡膠摻

量。當(dāng)水膠比為0.4時(shí)，預(yù)處理方式對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響不大。當(dāng)水膠比為0.3時(shí)，摻NaOH預(yù)處理橡

圖6為橡膠預(yù)處理方式和摻量對(duì)混凝土28 d抗折強(qiáng)度的影響。圖6的結(jié)果表明，橡膠摻量增加，混凝土抗折強(qiáng)度逐漸降低；與未處理橡膠顆粒相比，NaOH預(yù)處理提高了混凝土抗折強(qiáng)度，當(dāng)水膠比為0.4時(shí)，取代率從10%提高到30%，摻預(yù)處理橡膠顆粒所配混凝土的28 d抗折強(qiáng)度比摻未處理橡膠顆粒的分別提高了14.7%、19.7%和17.8%。

橡膠顆粒經(jīng)NaOH處理后親水性提高，其與水泥石之間的粘接強(qiáng)度升高，因此，混凝土的抗折強(qiáng)度有所提高。結(jié)果表明：NaOH預(yù)處理方式對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度有增強(qiáng)作用，水膠比較高時(shí)，NaOH預(yù)處理的效果較好。

2.4 NaOH預(yù)處理橡膠對(duì)混凝土彈性模量的影響

作為混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，混凝土彈性模量反映了在荷載下混凝土的形變能力。橡膠預(yù)處理方式和摻量對(duì)混凝土28 d彈性模量影響見(jiàn)圖7。由圖可知，摻入橡膠集料降低了混凝土的彈性模量。已有研究[19-20]認(rèn)為混凝土組成材料的彈性模量越大，所配混凝土的彈性模量也越大。橡膠集料的彈性模量較低，因此，增加橡膠摻量，橡膠混凝土的彈性模量降低。NaOH預(yù)處理對(duì)混凝土彈性模量的作用受水膠比的影響，改變水膠比，NaOH對(duì)混凝土彈性模量的作用沒(méi)有一致的規(guī)律。當(dāng)水膠比為0.4時(shí)，摻預(yù)處理橡膠顆?；炷恋膹椥阅Ａ棵黠@小于摻未處理的，當(dāng)水膠比為0.3時(shí)，NaOH預(yù)處理方式增加了混凝土彈性模量。

對(duì)于普通混凝土，抗壓強(qiáng)度降低，其彈性模量也降低，因而橡膠混凝土彈性模量降低的現(xiàn)象是由橡膠混凝土強(qiáng)度降低效應(yīng)與橡膠集料本身低彈性模量的特點(diǎn)共同引起的。為了區(qū)分二者對(duì)混凝土彈性模量的影響，將相同強(qiáng)度等級(jí)下，橡膠混凝土的彈性模量與普通混凝土的彈性模量進(jìn)行比較，以確定橡膠集料對(duì)混凝土彈性模量的影響。橡膠混凝土彈性模量與普通混凝土彈性模量的比較見(jiàn)圖8，其中普通混凝土彈性模量與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系式參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）。

圖8中實(shí)線為普通混凝土不同抗壓強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的彈性模量曲線，從圖8可以看出，橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度與彈性模量之間的關(guān)系不滿足普通混凝土抗壓強(qiáng)度與彈性模量之間的關(guān)系式，橡膠集料對(duì)混凝土柔性的改善受到橡膠摻量和水膠比的影響。當(dāng)橡膠摻量較低時(shí)，橡膠混凝土彈性模量在普通混凝土彈性模量計(jì)算曲線上方，只有當(dāng)橡膠的摻量超過(guò)一個(gè)臨界值時(shí)，橡膠混凝土彈性模量才會(huì)在曲線下方，對(duì)混凝土的柔性起到改善作用。圖8還顯示，當(dāng)水膠比較高時(shí)，橡膠混凝土彈性模量隨抗壓強(qiáng)度降低的程度較大，需突破的臨界摻量較?。唤档退z比，橡膠混凝土彈性模量隨抗壓強(qiáng)度降低的程度較小，橡膠摻量的臨界值增加。如當(dāng)水膠比為0.4時(shí)，取代率超過(guò)10%，橡膠混凝土強(qiáng)度低于40 MPa時(shí)，橡膠混凝土的彈性模量才會(huì)比普通混凝土的低，而當(dāng)水膠比降低為0.3，此時(shí)取代率須超過(guò)20%，橡膠混凝土強(qiáng)度需低于45 MPa時(shí)，橡膠集料才能增強(qiáng)混凝土柔性。

3 結(jié) 論

1）與未處理相比，NaOH預(yù)處理降低了橡膠混凝土吸水率和毛細(xì)孔率，當(dāng)水膠比為0.4時(shí)，30%取代率下的降低效果最明顯，吸水率降低19.8%，毛細(xì)孔隙率降低12.1%。橡膠集料對(duì)混凝土干燥收縮的影響受到橡膠低彈性模量的特點(diǎn)和橡膠集料能降低毛細(xì)孔隙率的作用共同影響，橡膠摻量較低時(shí)，混凝土干燥收縮量增加，增加橡膠摻量，毛細(xì)孔隙率降低，混凝土干燥收縮減小。

2）NaOH預(yù)處理方式減小了橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度損失量，提高混凝土抗折強(qiáng)度，改性橡膠對(duì)高水膠比混凝土性能提升更為顯著，當(dāng)水膠比為0.4時(shí)，20%取代率下?lián)絅aOH預(yù)處理比摻未處理橡膠的混凝土抗折強(qiáng)度提高了19.7%。

3）在實(shí)際使用時(shí)，橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度與彈性模量之間的關(guān)系不符合當(dāng)前《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）中規(guī)定的抗壓強(qiáng)度和彈性模量的關(guān)系。當(dāng)橡膠摻量高于一個(gè)臨界摻量時(shí)，橡膠混凝土的彈性模量將比普通混凝土的低，表現(xiàn)出更好的柔性。此臨界摻量受到水膠比的影響，水膠比較小，此臨界摻量較大。

參考文獻(xiàn)：

[1] KHALOO A R， DEHESTANI M， RAHMATABADI P. Mechanical properties of concrete containing a high volume tire-rubber particles [J]. Waste Management， 2008， 28（12）： 2472-2482.

[2] GUO Y C， ZHANG J H， CHEN G. Fracture behaviors of a new steel fiber reinforced recycled aggregate concrete with crumb rubber [J]. Construction and Building Materials， 2014， 28（53）：32-39.

[3] NAJIM K B， HALL M R. Crumb rubber aggregate coatings/pre-treatments and their effects on interfacial bonding， air entrapment and fracture toughness in self-compacting rubberised concrete （SCRC） [J]. Materials and Structures， 2013， 12（46）： 2029-2043.

[4] 王銘明，滿志剛，陳健云. 改善仿真混凝土塑性的兩種方法[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2013， 16（5）： 794-800.

WANG M M， MAN Z G， CHEN J Y. Experimental research on tow methods to improve plasticity of emulation concrete [J]. Journal of Building Materials， 2013， 16（5）： 794-800. （in Chinese）

[5] ELDIN N N， SENOUCI A B. Rubber-tired particles as concrete aggregate [J]. Journal of Materials in Civil Engineering， 1993， 5（4）： 478-496.

[6] 馬一平，劉曉勇，譚至明，等. 改性橡膠混凝土物理力學(xué)性能[J]. 建筑材料學(xué)報(bào)，2009，12（4）： 379-383.

MA Y P， LIU X Y， TAN Z M， et al. Research on physical and mechanical properties of cement concrete mixed with modified rubber particles [J]. Journal of Building Materials， 2009，12（4）： 379-383. （in Chinese）

[7] 劉日鑫，侯文順，徐永紅，等.廢橡膠顆粒對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響[J]. 建筑材料學(xué)報(bào)，2009，12（3）：341-344.

LIU R X， HOU W S， XU Y H， et al. Effect of crumb rubber on the mechanical properties of concrete [J]. Journal of Building Materials， 2009， 12（3）： 341-344. （in Chinese）

[8] 鄭麗娟，余其俊，韋江雄，等. 廢橡膠粉的改性及其對(duì)水泥砂漿性能的影響[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（1）： 52-54.

ZHENG L J， YU Q J， WEI J X， et al. Surface modification of pulverized waste rubber and its effect on the properties of portland cement mortar[J]. Journal of Wuhan University of Technology， 2008， 30（1）： 52-54. （in Chinese）

[9] SEGRE N， MONTEIRO P J， SPOSITO G. Surface characterization of recycled tire rubber to be used in cement paste matrix [J]. Journal of Colloid and Interface Science， 2002， 248（2）： 521-523.

[10] SEGRE N， JOEKES I. Use of tire rubber particles as addition to cement paste [J]. Cement and Concrete Research， 2000，30（9）：1421-1425.

[11] LI L J， RUAN S H， ZENG L. Mechanical properties and constitutive equations of concrete containing a low volume of tire rubber particles [J] Construction and Building Materials， 2014， 70（15）：291-308.

[12] NAITO C， STATES J， JACKSON C. Assessment of crumb rubber concrete for flexural structural members [J]. Journal of Materials in Civil Engineering， 2014， 26（10）： 04014075-1-04014075-8

[13] 趙艷艷，賀東青，王一鳴. 橡膠混凝土的基本力學(xué)性能[J].河南大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，45（1）： 117-121.

ZHAO Y Y， HE D Q， WANG Y M. Experimental study on basic mechanical properties of rubberized concrete [J]. Journal of Henan University， 2015，45（1）： 117-121. （in Chinese）

[14] VAN DEN HEEDE P， GRUYAERT E， De Belie N. Transport properties of high-volume fly ash concrete： Capillary water sorption under vacuum and permeability[J]. Cement and Concrete Composites， 2010，32（10）：749-756.

[15] YU L G， YU Q J， LIU L. Hybrid modified rubber powder and its application in cement mortar [J] Journal of Wuhan University of Technology： Materials Science Edition， 2010， 25（6）： 1033-1037.

[16] LING T C， NOR H M， HAININ M R. Properties of crumb rubber concrete paving blockswith SBR latex [J]. Road Materials and Pavement Design， 2009， 10（1）：213-222.

[17] TOPCU I B， AVCULAR N. Analysis of rubberized concrete as a composite material [J]. Cement and Concrete Research， 1997， 27（8）：1135-1139.

[18] KHALOO A R， DEHESTANI M， Rahmatabadi P. Mechanical properties of concrete containing a high volume tire-rubber particles[J]. Waste Management， 2008，28（12）：2472-2482.

[19] GANJIAN E， KHORAMI M， MAGHSOUDI A A. Scrap-tyre-rubber replacement for aggregate and filler in concrete [J] Construction and Building Materials， 2009， 23（5）： 1828-1836.

[20] TURATSINZE A， GARROS M. On the modulus of elasticity and strain capacity of Self-Compacting Concrete inorporating rubber aggregates[J].Resources，Conservation and Recycling，2008， 52 （12）：1209-1215.

[21] 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范： GB 50010—2010[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

Code for design of concrete structures：GB 50010—2010[S]. Beijing： China Architecture & Building Press， 2010. （in Chinese）

（編輯 胡英奎）