表面改性橡膠水泥砂漿的力學(xué)性能試驗(yàn)研究

紀(jì) 麟，張 恒，于美明

(吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 吉林 長春 130021)

表面改性橡膠水泥砂漿的力學(xué)性能試驗(yàn)研究

紀(jì) 麟，張 恒，于美明

(吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 吉林 長春 130021)

分別采用水、EP乳液、聚氨酯乳液、NPU乳液4種材料對(duì)橡膠表面進(jìn)行特殊處理，研究其對(duì)橡膠水泥砂漿力學(xué)性能的影響。結(jié)果顯示4種材料的處理方法均不同程度的提升了橡膠水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度，其中EP乳液改性效果最優(yōu)，抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)橡膠砂漿提高了15.745%；改性后的橡膠水泥砂漿的劈拉強(qiáng)度與未改性的橡膠水泥砂漿相比無明顯降低；未處理和處理后的橡膠水泥砂漿，其拉壓比均比基準(zhǔn)普通水泥砂漿較大，其韌性有所提高。2000倍的電鏡觀測(cè)表明，改性后的橡膠顆粒表面能夠提高水泥基體與橡膠顆粒的界面黏結(jié)強(qiáng)度，從微觀上闡明了改性橡膠砂漿強(qiáng)度提高的機(jī)理。

橡膠砂漿；改性；抗壓強(qiáng)度；劈裂抗拉強(qiáng)度；拉壓比；電鏡觀測(cè)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，廢棄橡膠制品日益逐漸增多，目前我國消耗橡膠量僅次于美國，位居世界第二。橡膠具有“不溶、不熔”的特點(diǎn)，因而廢棄橡膠的大量堆積不僅產(chǎn)生環(huán)境問題，而且會(huì)帶來嚴(yán)重污染。高效清潔開發(fā)廢棄橡膠已成為學(xué)者爭相研究的課題[1]。自20世紀(jì)80年代開始，國內(nèi)外學(xué)者和研究人員開始將廢舊的輪胎橡膠顆粒(粉)摻加到普通混凝土中制成一種新型的建筑材料橡膠混凝土。將橡膠顆粒(粉)摻加到普通混凝土中不但可以提高混凝土的韌性，抗沖擊性，而且使其抗收縮性能和抗凍性能得以改善[2-5]。但是由于橡膠和混凝土在親水性方面存在較大差異，界面結(jié)合效果差，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度，尤其是抗壓強(qiáng)度顯著下降，從而制約了廢舊橡膠的實(shí)際應(yīng)用成果[6]。因此改性橡膠表面使混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度提高成為了研究熱點(diǎn)。

橡膠混凝土中橡膠顆粒(粉)的黏結(jié)問題是橡膠顆粒與水泥石的黏結(jié)問題，因此，為排除石子的影響，本實(shí)驗(yàn)擬采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm水泥砂漿試件取代混凝土試件。同時(shí)由于聯(lián)接耦合劑的作用與橡膠粒徑和摻量影響關(guān)系較小，因此橡膠混凝土選取一種橡膠粒徑和一種橡膠摻量，即橡膠粒徑為1 mm～3 mm，摻量為4%，分別采用清水、聚氨酯乳液、NPU乳液、EP乳液等聯(lián)接耦合劑改性處理橡膠顆粒(粉)。對(duì)不同的聯(lián)接耦合劑處理改性橡膠顆粒(粉)的方式進(jìn)行比較分析，研究各種聯(lián)接耦合劑處理橡膠顆粒(粉)后對(duì)水泥砂漿的抗壓和劈拉力學(xué)性能的影響。通過分析和對(duì)比電鏡觀察結(jié)果，研究改性前和改性后的橡膠粉和水泥結(jié)合效果，進(jìn)而得出其改性的原理和機(jī)制。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

(1) 水：城市用水。

(2) 水泥：復(fù)合硅酸鹽水泥P·C42.5(長春)。

(3) 砂：河沙，細(xì)度模數(shù)2.70，最大粒徑5 mm，連續(xù)級(jí)配，表觀密度2 506 kg/m3。

(4) 橡膠顆粒：1 mm～3 mm，密度1 119 kg/m3，由長春市某橡膠廠生產(chǎn)。

1.2 改性橡膠的制備

1.2.1 水處理橡膠的制備

用水浸泡橡膠顆粒，清洗橡膠4遍，主要目的為去除表面污物后放入烘干箱烘干。

1.2.2 EP乳液處理橡膠的制備

取EP乳液橡膠質(zhì)量的45%濕潤橡膠，將橡膠放置陰涼處自然晾曬18 h充分浸透后，放入烘箱在80℃下烘3 h，烘干后拿出晾曬至室溫。

1.2.3 聚氨酯乳液處理橡膠的制備

取聚氨酯乳液橡膠質(zhì)量的45%濕潤橡膠，陰涼處自然晾約18 h充分浸透后，放入烘箱在80℃下烘3 h，烘干后拿出晾曬至室溫。

1.2.4 NPU乳液處理橡膠的制備

取NPU乳液橡膠質(zhì)量的45%濕潤橡膠，陰涼處自然晾曬約18 h充分浸透后，放入烘箱在80℃下烘3 h，烘干后拿出晾曬至室溫。

1.3 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)的橡膠(聯(lián)接耦合劑處理和未處理)等體積取代細(xì)骨料，即水泥砂漿配合比中除細(xì)骨料成分改變，其余成分不變。具體的水泥砂漿配合比見表1。

表1 水泥砂漿配合比

1.4 試件制作方法與養(yǎng)護(hù)

分別稱取砂、水泥、水和橡膠顆粒，水泥倒入攪拌器，打開儀器攪拌，同時(shí)倒入水，稍后倒入橡膠顆粒，攪拌30 s，第二個(gè)30 s開始的同時(shí)均勻地將砂子倒入攪拌器，高速攪拌30 s，再低速攪拌60 s。攪拌完畢后裝入砂漿試模，均勻分三層加料，每層均振搗。裝料稍高出試模，放振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)60 s，抹平放好。3 h后收面，1 d后拆模。將試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d。立方體抗壓試驗(yàn)和劈拉試驗(yàn)均采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體。本實(shí)驗(yàn)依照不同的偶聯(lián)劑處理橡膠方式分為6組，每組6塊試件，其中3塊抗壓試驗(yàn)，3塊劈拉試驗(yàn)，共計(jì)36塊。

1.5 試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

本實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)儀器：抗壓試驗(yàn)所使用儀器為萬能試驗(yàn)機(jī)WE-300；水泥砂漿攪拌所使用儀器為UJZ-15水泥砂漿攪拌機(jī)、ZS-15型水泥膠砂振動(dòng)臺(tái)。試驗(yàn)以《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[7](JGJ55—2011)和《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[8](DL/T5150—2001)為參考依據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

表2 改性前后橡膠水泥砂漿的力學(xué)性能影響

說明：基準(zhǔn)普通水泥砂漿為SM；基準(zhǔn)橡膠水泥砂漿為SRM；水洗處理的橡膠水泥砂漿為SRM-W；EP乳液處理的橡膠水泥砂漿為RM-(EP)；聚氨酯乳液處理的橡膠水泥砂漿為RM-P；NPU乳液處理的橡膠水泥砂漿為RM-NPU。

2.1 立方體抗壓強(qiáng)度

基準(zhǔn)普通水泥砂漿(SM)的抗壓強(qiáng)度為11.363 MPa，而基準(zhǔn)橡膠水泥砂漿(SRM)的抗壓強(qiáng)度小于SM的抗壓強(qiáng)度，其抗壓強(qiáng)度為9.530 MPa。主要原因?yàn)榛鶞?zhǔn)橡膠水泥砂漿摻加了4%的未處理的有機(jī)橡膠顆粒，該材料與水泥石這種無機(jī)材料間所形成的黏結(jié)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于砂與水泥石間的黏結(jié)強(qiáng)度，導(dǎo)致水泥砂漿抗壓性能減小。

橡膠經(jīng)改性后，橡膠水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度得到了顯著的改善(見圖1、圖2)，從圖1和圖2可知，改性橡膠處理的比未改性處理的抗壓強(qiáng)度幅度顯著提高。

圖1 不同改性橡膠水泥砂漿抗壓強(qiáng)度

圖2 不同改性橡膠水泥砂漿的變化幅值

4種不同的改性橡膠處理方法相比，EP乳液改性橡膠的水泥砂漿抗壓強(qiáng)度幅度提高最大，其次依次為NPU乳液處理、水處理、聚氨酯乳液處理。

經(jīng)EP乳液改性橡膠處理的水泥砂漿抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)橡膠水泥砂漿(SRM)的抗壓強(qiáng)度提高了15.745%；經(jīng)NPU乳液處理的橡膠以4%等體積取代細(xì)骨料的摻量摻入水泥砂漿中，其抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)橡膠水泥砂漿(SRM)的抗壓強(qiáng)度提高8.467%；經(jīng)水處理的橡膠水泥砂漿抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)橡膠水泥砂漿(SRM)相比，提高了7.838%；經(jīng)聚氨酯乳液處理的橡膠水泥砂漿抗壓強(qiáng)度也提高了6.508%。

此外，無論橡膠是否經(jīng)處理，摻加橡膠后的水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)普通水泥砂漿的都降低，這主要是由于橡膠本身的原因造成的。經(jīng)EP乳液改性的橡膠水泥砂漿強(qiáng)度比基準(zhǔn)水泥砂漿(SM)的抗壓強(qiáng)度降低2.934%；經(jīng)NPU乳液處理的比基準(zhǔn)水泥砂漿(SM)的抗壓強(qiáng)度降低了9.038%；經(jīng)水處理的降低9.566%；經(jīng)聚氨酯乳液處理的比SM的降低10.681%。

分析圖1、圖2可知，經(jīng)EP-1乳液處理的橡膠水泥砂漿抗壓強(qiáng)度效果最明顯，其余的依次為NPU乳液處理、水處理、聚氨酯乳液處理。

2.2 立方體劈拉強(qiáng)度

基準(zhǔn)普通水泥砂漿(SM)的劈拉強(qiáng)度為1.070 MPa(見圖3)，而摻入了未經(jīng)處理的橡膠后劈拉強(qiáng)度稍有減小但減小的幅度不大，其幅度為0.748%(見圖4)。

圖3 不同改性橡膠水泥砂漿28 d劈拉強(qiáng)度

圖4 不同改性橡膠水泥砂漿的變化幅度值

橡膠經(jīng)改性后，橡膠水泥砂漿的劈拉強(qiáng)度除水處理外，其余的都比未處理的強(qiáng)度低，但是降低幅度不大。從圖3和圖4可以看出，經(jīng)水處理的劈拉強(qiáng)度比未處理的和其余處理的劈拉強(qiáng)度高，其改性效果比較明顯。

比較4種改性橡膠處理方法，NPU乳液處理改性橡膠的水泥砂漿劈拉強(qiáng)度降低幅度最小，其次依次為EP乳液、聚氨酯乳液。經(jīng)水處理的比基準(zhǔn)橡膠水泥砂漿的劈拉強(qiáng)度提高了。

經(jīng)NPU乳液處理的橡膠以4%等體積取代細(xì)骨料的摻量摻入水泥砂漿中，其劈拉強(qiáng)度比基準(zhǔn)橡膠水泥砂漿(SRM)的降低1.224%；經(jīng)EP乳液改性橡膠處理的水泥砂漿劈拉強(qiáng)度比基準(zhǔn)橡膠水泥砂漿(SRM)的降低2.542%；經(jīng)聚氨酯乳液處理橡膠的水泥砂漿劈拉強(qiáng)度比SRM的降低6.403%。經(jīng)水處理的橡膠水泥砂漿劈拉強(qiáng)度比基準(zhǔn)橡膠水泥砂漿(SRM)提高1.6%。

此外，經(jīng)水處理后的橡膠水泥砂漿劈拉強(qiáng)度比基準(zhǔn)普通水泥砂漿(SM)稍有提高，提高0.841%，可能原因是由于檢測(cè)誤差造成的。其余橡膠處理后的水泥砂漿的劈拉強(qiáng)度比基準(zhǔn)普通水泥砂漿均降低，經(jīng)NPU乳液處理的比基準(zhǔn)普通水泥砂漿(SM)的劈拉強(qiáng)度降低1.963%；經(jīng)EP乳液改性的橡膠水泥砂漿劈拉強(qiáng)度比基準(zhǔn)水泥砂漿(SM)的降低3.271%；經(jīng)聚氨酯乳液處理的比SM的降低7.103%。

2.3 立方體拉壓比

如圖5所示，基準(zhǔn)普通水泥砂漿(SM)的拉壓比為0.094，基準(zhǔn)橡膠水泥砂漿(RSM)的拉壓比比基準(zhǔn)普通水泥砂漿有所增大，但是當(dāng)利用本實(shí)驗(yàn)采用處理橡膠后制成的水泥砂漿的拉壓比均比RSM降低，RM-(EP)比基準(zhǔn)普通水泥砂漿(SM)的拉壓比略小，其余三種橡膠水泥砂漿與SM拉壓比相比稍有增大。四種處理方法中經(jīng)水處理的橡膠水泥砂漿拉壓比最大，其次依次為RM-NPU、RM-P、RM-(EP)。

圖5 不同改性水泥砂漿拉壓比

2.4 電鏡觀測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度指標(biāo)，選取不同改性的橡膠顆粒，利用掃描電鏡研究改性后橡膠顆粒的表面形貌(見圖6)，并分析其改性機(jī)理。

圖6 不同改性的橡膠表觀

由圖6可知，在2000倍的SEM圖中，橡膠顆粒表面粗糙，凹凸不平，含較多微孔隙。未處理橡膠表面的微孔隙相對(duì)較小，不很粗糙，且表面多為雜質(zhì)覆蓋，較大程度的影響了橡膠顆粒與水泥石黏結(jié)性能，導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度降低。橡膠顆粒經(jīng)過水洗之后，部分雜質(zhì)被洗掉，表面相對(duì)潔凈，微孔隙顯著明顯，相對(duì)于未處理橡顆粒，其與水泥石的黏結(jié)強(qiáng)度有所提高。橡膠表面被4種不同聚合乳液均勻覆蓋，不同程度上改善了橡膠與水泥間的黏合和表面性能，進(jìn)一步改變了橡膠水泥砂漿的力學(xué)性能。

機(jī)理分析：

(1) 一方面由于橡膠的強(qiáng)度遠(yuǎn)小于細(xì)骨料的強(qiáng)度，水泥砂漿中摻加了強(qiáng)度小的成分，因此總體的強(qiáng)度會(huì)明顯降低的；另一方面由于橡膠為有機(jī)相，而水泥漿體為無機(jī)相，兩者之間的結(jié)合面特別弱，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不連續(xù)，削弱了水泥砂漿集料的骨架作用。當(dāng)受到外力作用，水泥砂漿破壞首先發(fā)生在界面處，這也導(dǎo)致了其強(qiáng)度降低[6,9-10]。

(2) 本文采用的界面劑是3種不同種類的乳液聚合物，分別為EP乳液、聚氨酯乳液、NPU乳液。水泥在凝結(jié)固化過程中，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生許多空隙成為水泥基體最薄弱的界面，分別加入3種不同種類的乳液后，水泥石與聚合乳液形成了雙重空間連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其相互滲透交接形成更為連續(xù)密集的基體結(jié)構(gòu)，從而將橡膠顆粒與水泥基體形成一個(gè)整體[11-13]。

(3) EP乳液、聚氨酯乳液、NPU乳液等3種不同種類的乳液中含有大量的表面活性物，其作用就是增強(qiáng)拌合物表面的濕度，浸潤橡膠顆粒表面，顯著地降低了橡膠顆粒的極性，另一方面乳液還不同程度的降低了橡膠的孔隙率，使聚合物不易穿越橡膠顆粒，而是牢牢的附著于橡膠表面，不僅提高了廢棄橡膠的相容性，而且還顯著改善了其與水泥間的黏合，較大的改善了橡膠水泥砂漿的力學(xué)性能[11,14-16]，有效阻止了微裂縫現(xiàn)象的產(chǎn)生。

3 結(jié) 語

(1) 橡膠(未經(jīng)處理和經(jīng)處理)水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度比基準(zhǔn)普通水泥砂漿的較小，但經(jīng)處理的橡膠水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度比未處理的橡膠水泥砂漿的有顯著的提高。

(2) 經(jīng)四種改性橡膠方法(水、EP乳液、聚氨酯乳液、NPU乳液)處理后的橡膠水泥砂漿抗壓強(qiáng)度明顯比基準(zhǔn)橡膠水泥砂漿(SRM)的大。經(jīng)上述分析EP乳液處理橡膠后制成的水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果最好，其他的依次為RM-NPU、RM-W、RM-P。

(3) 經(jīng)四種改性橡膠方法(水、EP乳液、聚氨酯乳液、NPU乳液)處理后的橡膠水泥砂漿的劈拉強(qiáng)度與基準(zhǔn)橡膠水泥砂漿相比稍有降低，但降低幅度不大。經(jīng)上述分析，劈拉強(qiáng)度效果最好的是經(jīng)水處理的橡膠水泥砂漿，其次依次為NPU乳液、EP乳液、聚氨酯乳液處理的橡膠水泥砂漿。

(4) 經(jīng)上述分析，無論橡膠未處理或處理，將橡膠摻加到水泥砂漿中，其拉壓比比基準(zhǔn)橡膠水泥砂漿大，說明摻加了橡膠后，水泥砂漿的韌性提高了。當(dāng)采用上述四種處理橡膠的方法，其拉壓比沒有比基準(zhǔn)橡膠水泥砂漿的降低太多，仍比基準(zhǔn)橡膠水泥砂漿的韌性高。

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Experimental Study on the Mechanical Property of Cement Mortar with Modified Rubber

JI Lin, ZHANG Heng, YU Meiming

(JilinProvincialWaterResourceandHydropowerConsultativeCompanyofP.R,Changchun,Jilin130021,China)

This paper mainly analyzed the mechanical property of rubber cement mortar by adopting different modification methods of adding mixed water, EP emulsion, polyurethane emulsion, NPU emulsion respectively and many others. The result demonstrates that 4 different surface treatments could all enhance compressive strength of rubber cement mortar with EP emulsion having the best effect which has 15.745% increased strength compared with standard rubber cement mortar; while the improved type has no apparent decrease in splitting tensile strength; tensile and compression ratio of non-modified and modified are larger than standard cement mortar, similar situation happens on its toughness. By observing 2000X electron microscope it can be found that improved rubber surface can increase interface bond strength between cement and rubber particles, and expounds the mechanism why improved rubber-sand mud has higher strength at micro level.

rubber cement mortar; modification; the compressive strength; splitting tensile strength; tensile and compression ratio; electron microscope observation

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.038

2017-02-11

2017-03-12

紀(jì) 麟(1981—)，男，新疆和靜人，高級(jí)工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。 E-mail：839518515@qq.com

TQ177.6+1

A

1672—1144(2017)03—0183—05