不同改性劑對(duì)橡膠砂漿抗?jié)B性能的影響*

趙彥亮，劉菲，譚俊華，朱開(kāi)金，李鵬

（太原工業(yè)學(xué)院 材料工程系，山西太原 030008）

不同改性劑對(duì)橡膠砂漿抗?jié)B性能的影響*

趙彥亮，劉菲，譚俊華，朱開(kāi)金，李鵬

（太原工業(yè)學(xué)院 材料工程系，山西太原 030008）

本文以摻雜改性橡膠粉水泥砂漿為研究對(duì)象，研究橡膠粉的不同改性方法、橡膠粉摻入量、橡膠粉粒徑等因素對(duì)橡膠砂漿力學(xué)性能、抗?jié)B性能等的影響。試驗(yàn)表明，NaOH和CCl4對(duì)橡膠粉都具有一定的改性效果；當(dāng)水膠比為0.55，摻入由CCl4改性的80目橡膠粉，摻量為4%時(shí)，橡膠砂漿的強(qiáng)度、抗?jié)B性最佳。

改性方法；橡膠砂漿；抗?jié)B性能

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，廢舊橡膠輪胎逐年增多。堆積如山的輪胎不僅占用土地，而且極易造成環(huán)境污染等[1]。橡膠砂漿能充分利用廢舊橡膠，且與普通混凝土相比具有良好的韌性、延性和優(yōu)異的耐久性能[2]。國(guó)內(nèi)外對(duì)橡膠砂漿的研究主要集中在其力學(xué)性能、流動(dòng)性、抗裂性能、部分耐久性能等[3-5]。通過(guò)對(duì)橡膠粉表面進(jìn)行改性處理可以調(diào)節(jié)橡膠砂漿諸多性能[6]。不同改性方法對(duì)橡膠砂漿的許多性能有顯著影響[7]，但對(duì)抗?jié)B性能影響的相關(guān)研究報(bào)道卻很少。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

（1）水泥：山西東山水泥廠生產(chǎn)的 P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。

（2）砂：中砂，細(xì)度模數(shù)2.55，含泥量3.42%，表觀密度2604.60kg/m3。

（3）拌合用水：普通自來(lái)水。

（4）橡膠：橡膠粒為山西某橡膠回收廠生產(chǎn)，主要成分為天然橡膠，粒徑為 40～80 目。

（5）改性劑：分析純 NaOH 和 CCl4溶液。

1.2 廢舊橡膠粉的改性方法及測(cè)試

通過(guò)查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段對(duì)橡膠粉行改性主要采用無(wú)機(jī)和有機(jī)溶液，本試驗(yàn)選取兩種最有代表性的改性溶液，即 NaOH 和 CCl4溶液。利用浸泡法對(duì)橡膠粉進(jìn)行改性處理，NaOH 改性方案是將橡膠粉置于 NaOH飽和溶液中浸泡20min 后，抽濾、洗滌并烘干，得到NaOH 改性膠粉。CCl4改性方案是將橡膠粉置于 CCl4和乙醇的混合溶液中，浸泡 4h 后進(jìn)行抽濾、干燥，得到 CCl4改性膠粉。

1.3 改性橡膠砂漿制備及檢測(cè)

參照普通水泥砂漿配合比設(shè)計(jì)方法，以水泥砂漿的配合比為基準(zhǔn)，橡膠顆粒按等體積替代砂的方式摻入基準(zhǔn)水泥中，配合比為 m(水泥):m(砂):m(水)=1:3:0.55，基準(zhǔn)橡膠砂漿的配合比與基準(zhǔn)砂漿相同；用改性劑處理后的橡膠砂漿（即改性橡膠砂漿）的配合比與基準(zhǔn)橡膠砂漿相同，但其中改性橡膠粉的摻量分別為砂子體積的2%、4%、6%，抗壓強(qiáng)度所需試件尺寸為 70mm×70mm×70 mm。

在橡膠砂漿性能檢測(cè)中，力學(xué)性能測(cè)試采用WHY-2000 型微機(jī)控制全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)，抗?jié)B性能采用 SS-15型砂漿滲透儀，SEM 為北京科儀 KY-3800 型掃描電子顯微鏡。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性前后橡膠紅外圖譜分析

改性橡膠粉采用 Nexus Nicolet(USA) 型傅立葉紅外（FTIR）光譜儀進(jìn)行紅外光譜分析。

圖1 未改性膠粉紅外光譜圖（a, 40 目; b,60 目; c, 80 目）

圖2 NaOH 改性膠粉紅外光譜圖（a, 40 目; b,60 目; c, 80 目）

圖3 CCl4 改性膠粉紅外光譜圖（a, 40 目; b,60 目; c, 80 目）

由圖1～3可以看出，用 NaOH處理過(guò)后的膠粉，在2850cm-1附近為飽和C-H鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰，改性后的膠粉，這一峰區(qū)的峰高都有不同程度的降低，說(shuō)明飽和C-H鍵的數(shù)量有所較少，證明經(jīng)過(guò)改性的膠粉，其表面原有的飽和碳原子生成了更為活躍的不飽和碳鍵；1663cm-1處出現(xiàn)的峰為C=C伸縮吸收峰；1370cm-1附近為 C-H3鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰；1028～1005cm-1出現(xiàn)了C-O伸縮振動(dòng)吸收峰，該特征吸收峰的存在說(shuō)明膠粉中炭黑的含氧基團(tuán)暴露在了膠粉表面，而NaOH改性后的膠粉此處的峰高與未改性膠粉不同，說(shuō)明 NaOH改性膠粉成功。用 CCl4改性后的膠粉，在 704cm-1附近出現(xiàn)了C-Cl伸縮振動(dòng)峰，說(shuō)明用CCl4處理后的膠粉表面接枝上了C-Cl基團(tuán)。

兩種方法對(duì)橡膠粉都具有改性作用，改性作用最為明顯的是 CCl4改性膠粉的方法，NaOH改性膠粉的方法次之。在對(duì)不同粒徑大小的廢舊橡膠粉進(jìn)行改性時(shí)可以看出，不論用何種方法改性膠粉時(shí)，40目橡膠粉的改性效果最好，80目次之，60目最差。CCl4改性所得的膠粉在3433cm-1附近出現(xiàn)的羥基的特征峰大于 NaOH處理過(guò)的橡膠粉，表明CCl4處理比 NaOH 處理更能增加膠粉的親水性，有利于增加膠粉與水泥砂漿的相容性，使膠粉與水泥漿體的界面結(jié)合更加牢固。

2.2 微觀形貌 SEM 分析

圖 4 未改性膠粉SEM圖

圖5 NaOH改性膠粉SEM圖

圖6 CCl4 改性膠粉SEM圖

圖 7 水泥的SEM圖

由圖 4可以看出，未經(jīng)處理的橡膠粉顆粒形狀比較規(guī)整，顆粒與顆粒之間沒(méi)有粘結(jié)，成分散狀單獨(dú)存在，沒(méi)有粘結(jié)作用，摻入水泥砂漿時(shí)，橡膠顆粒與周圍水泥基體的界面清晰，不能起到明顯的黏結(jié)作用，界面結(jié)合不是很緊密，橡膠顆粒松散地鑲嵌其中，也無(wú)水化產(chǎn)物在其表面沉積和周邊穿插，界面粘結(jié)的效果不是很好，如圖7(a) 所示。

橡膠粉經(jīng)過(guò)NaOH處理后（如圖5(a)），去除了表面的硬脂酸鋅，使膠粉表面的炭黑暴露出來(lái)，粒子表面形成很多的凹凸，變得有些粗糙，導(dǎo)致其比表面積相對(duì)變大，有利于膠粉粒子之間及膠粉和基體之間的相互結(jié)合，從圖7(b) 可以看出，與水泥漿體的界面結(jié)合比未改性時(shí)有所改善，橡膠顆粒插在水泥漿體中，在橡膠顆粒表面可以發(fā)現(xiàn)沉積的水化產(chǎn)物，橡膠顆粒與水泥基體的界面結(jié)合情況明顯改觀，結(jié)合較為致密。增強(qiáng)膠粉與水泥基體間的界面結(jié)合強(qiáng)度，在后續(xù)的性能測(cè)試中看出，能夠較大幅度地改善水泥砂漿的力學(xué)性能。從圖6可以看出，橡膠粉經(jīng)過(guò) CCl4處理后，與水泥漿體的界面要優(yōu)于以上兩種，是因?yàn)?CCl4降低了膠粉的極性，膠粉粒子形狀發(fā)生改變，粒子表面出現(xiàn)更多的凹凸，變得更加粗糙，導(dǎo)致其比表面積相對(duì)變得很大，改善了膠粉與水泥基體的界面結(jié)構(gòu)，提高粘結(jié)強(qiáng)度，大幅度改善水泥砂漿力學(xué)性能，可以提高膠粉與水泥基體的相容性（如圖 7(c)），橡膠顆粒與水泥漿體的結(jié)合更為緊密，橡膠顆粒之間也被水泥漿體填充。橡膠顆粒周圍富集了水泥水化產(chǎn)物，在橡膠顆粒表面也有部分水泥水化產(chǎn)物“生長(zhǎng)”在上面。說(shuō)明用 CCl4改性的橡膠顆粒表面與水泥水化產(chǎn)物形成了化學(xué)鍵結(jié)合，從而增強(qiáng)了界面結(jié)合，這種結(jié)合使摻橡膠顆粒水泥砂漿的強(qiáng)度得以顯著提高，后續(xù)的試驗(yàn)結(jié)果表明 CCl4的處理效果比 NaOH 的處理效果要好。

2.3 XRD 結(jié)構(gòu)分析

通過(guò)對(duì)改性后的橡膠砂漿樣品進(jìn)行 XRD 試驗(yàn)研究，比較了橡膠集料水泥的物相結(jié)構(gòu)。圖 8～11為得到的 XRD 圖譜。

圖8 不同水膠比的水泥XRD圖（a, 0.65; b, 0.55）

圖9 NaOH 處理時(shí)不同橡膠粉摻量的水泥 XRD 圖（水膠比0.55; 粒徑60 目; a,2%; b,3%; c, 4%）

圖10 CCl4 處理時(shí)不同橡膠粉摻量的水泥 XRD 圖（水膠比 0.55; 粒徑60 目; a,2%; b,3%; c, 4%）

觀察圖 8～10 可以得出，在 XRD 圖譜中都出現(xiàn)了水化硅酸鈣（C-S-H）的衍射特征峰，以及部分氫氧化鈣（C-H）的衍射特征峰。通過(guò)圖 8 可以觀察到在未摻入橡膠粉的水泥砂漿中，存在明顯的 C-S-H 和 C-H 的衍射特征峰。添加 NaOH 改性橡膠粉的橡膠砂漿（圖9）中可以觀察到其中水化硅酸鈣為主要衍射特征峰，C-H 的衍射特征峰強(qiáng)無(wú)明顯變化；如圖 9(c) 中，摻量4% 時(shí)的 C-S-H 的衍射特征峰明顯增強(qiáng)，結(jié)晶程度較好，但整體還是呈現(xiàn)彌散的非晶體峰，說(shuō)明改性后的膠粉隨著摻量的增加，結(jié)構(gòu)中的基團(tuán)可以促進(jìn)水泥水化的過(guò)程。CCl4改性膠粉的橡膠砂漿的特征衍射峰中（圖10）C-H 衍射特征峰有所增強(qiáng)，但還是以水化硅酸鈣的衍射特征峰為主，摻量 4% 時(shí)的 C-S-H 的結(jié)晶程度最好，這一試驗(yàn)結(jié)果表明，橡膠砂漿中沒(méi)有新物相結(jié)構(gòu)的生成。對(duì)比所有試驗(yàn)組不難得出，生成水化硅酸二鈣最好的是摻量為 4% 的 CCl4改性后的橡膠砂漿，結(jié)晶度較高，在后期的性能試驗(yàn)中表現(xiàn)良好。

微觀結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果表明，橡膠顆粒表面的改性處理可有效提高橡膠顆粒與水泥基材料之間的界面結(jié)合，從而提高橡膠集料水泥砂漿的整體強(qiáng)度，使橡膠砂漿具有良好的粘結(jié)強(qiáng)度，而 CCl4改性膠粉與水泥基體的結(jié)合效果比 NaOH 改性膠粉的要好。

2.4 力學(xué)性能分析

本試驗(yàn)主要進(jìn)行了橡膠砂漿抗折、抗壓強(qiáng)度（3d、28d）性能試驗(yàn)，具體研究了影響橡膠砂漿力學(xué)性能的影響情況。本試驗(yàn)試件采用 40mm×40mm×l60mm 標(biāo)準(zhǔn)試件。表1、表2 為試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)表。

表1 橡膠砂漿3d 抗折、抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)表

表2 橡膠砂漿28d 抗折、抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)表

由表1～2 結(jié)合圖11～12 可知：（1）當(dāng)不摻入橡膠粉，水膠比為 0.55時(shí)的水泥砂漿3d 和28d 抗折、抗壓強(qiáng)度比水膠比為 0.65時(shí)要高；而摻入橡膠粉時(shí)，仍是水膠比為 0.55時(shí)的水泥砂漿3d 和28d 抗折、抗壓強(qiáng)度比水膠比為 0.65時(shí)高。（2）當(dāng)摻入未改性橡膠粉時(shí)，水泥砂漿的抗折、抗壓強(qiáng)度降低，說(shuō)明加入未改性橡膠粉后會(huì)使水泥砂漿的早期強(qiáng)度和28d 強(qiáng)度降低，降低幅度隨橡膠粉粒徑的減小、橡膠粉摻量的增加而減小?？芍獡饺胛锤男韵鹉z粉時(shí)，橡膠粉粒徑越小、摻量越大，水泥砂漿的強(qiáng)度相應(yīng)的越好。（3）在膠粉摻量為 4% 時(shí)進(jìn)行對(duì)比，可以看出，未改性膠粉的摻入使水泥砂漿的早期強(qiáng)度降低，且降低幅度比摻入改性膠粉時(shí)大，而摻入 NaOH 改性膠粉時(shí)的降低幅度比摻入 CCl4改性膠粉時(shí)大。改性膠粉的28d 的強(qiáng)度比未改性膠粉的高，改性后28d 以后的強(qiáng)度會(huì)與普通水泥砂漿的強(qiáng)度持平甚至增高。（4）在相同處理方法、相同摻量和相同水膠比下，對(duì)不同粒徑的橡膠粉進(jìn)行對(duì)比，可以明顯的看出 80 目橡膠粉摻入橡膠砂漿中的效果最佳，60 目次之， 40 目最差。（5）在相同摻量、相同粒徑和相同水膠比下，對(duì)比不同的處理方法，可以看出 CCl4改性膠粉摻入橡膠砂漿中的效果最好，早期強(qiáng)度雖然有下降，但是后期強(qiáng)度上升較快，使得28d 的強(qiáng)度與普通水泥砂漿持平甚至增高；NaOH 改性膠粉摻入橡膠砂漿中的效果次之，早期強(qiáng)度下降不大，但是后期強(qiáng)度不高，最終強(qiáng)度基本與普通水泥砂漿持平。（6）在相同處理方法、相同粒徑和相同水膠比的條件下，對(duì)比橡膠粉的摻量對(duì)橡膠砂漿性能的影響，可以看出，在橡膠摻量為4% 時(shí)，橡膠混凝土的強(qiáng)度最高。（7）橡膠粉在任何粒徑、任何處理方法、任何摻量下，水泥砂漿的強(qiáng)度都會(huì)隨著水膠比的提高而降低。

圖11 不同摻量、改性方法抗折、抗壓強(qiáng)度折線圖（水膠比 0.65；粒徑 80 目）

圖12 不同水膠比抗折、抗壓強(qiáng)度折線圖（粒徑 80目；摻量4%）

對(duì)于強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，可以得出的最佳方案是：水膠比為0.55，用 CCl4改性 80 目的橡膠粉，橡膠粉摻量為 4%時(shí)，水泥砂漿的強(qiáng)度最好。

2.5 抗?jié)B性能分析

材料抵抗水的壓力與水的滲透作用的性能叫抗?jié)B性，也稱不透水性。 砂漿抗?jié)B性能是指砂漿能抵抗水或其他液體介質(zhì)在壓力作用下滲透的性能。試驗(yàn)步驟如下：

（1）將試模放置在厚玻璃板上，將拌好的砂漿依次裝滿試模，用搗棒輕輕插搗以除去氣泡。經(jīng)3d 脫模，養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期，取出并待表面干燥后用密封材料密封裝入滲透儀中，進(jìn)行透水試驗(yàn)，每組試件為6個(gè)。

（2）水壓從 0.2MPa 開(kāi)始，每隔1小時(shí)增加水壓0.1MPa，直至所有試件頂面滲水為止。記錄每個(gè)試件的最大水壓力和保持最大水壓的時(shí)間（以小時(shí)計(jì)）。如果水壓增至1.5MPa 而試件仍未透水，則不再升壓。持續(xù)載荷6小時(shí)后，停止試驗(yàn)。砂漿抗?jié)B壓力值應(yīng)以每組6個(gè)試件中 4個(gè)試件出現(xiàn)滲水時(shí)的最大壓力計(jì)，并應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：P——砂漿抗?jié)B壓力值，精確至 0.1MPa；

H——6個(gè)試件中3個(gè)試件出現(xiàn)滲水時(shí)的水壓力，MPa。

如果1.5MPa 恒壓6小時(shí)仍未滲水，則滲水強(qiáng)度等級(jí)按照滲水高度來(lái)表征。

表3 橡膠砂漿28d 滲水高度數(shù)據(jù)表

由圖14可知：（1）在膠粉摻量為 4% 時(shí)進(jìn)行對(duì)比，摻入未改性膠粉可以降低水泥砂漿的滲水高度，摻入改性膠粉時(shí)水泥砂漿的滲水高度下降更多，說(shuō)明改性膠粉比未改性膠粉更能提高水泥砂漿的抗?jié)B性能。（2）在相同處理方法、相同摻量和相同水膠比下，對(duì)不同粒徑的橡膠粉進(jìn)行對(duì)比（圖13(a)），可以明顯的看出 80 目橡膠粉摻入橡膠砂漿中時(shí)，水泥砂漿的滲水高度最小，抗?jié)B性能最好，60 目次之，40 目最差。（3）在相同摻量、相同粒徑和相同水膠比下（圖13(b)），對(duì)比不同的處理方法，可以看出 CCl4改性膠粉摻入橡膠砂漿中時(shí)滲水高度最小，而 NaOH 改性膠粉摻入橡膠砂漿中的效果次之。說(shuō)明 CCl4改性效果比NaOH 要好。（4）在相同處理方法、相同粒徑和相同水膠比的條件下（圖13(c)），對(duì)比橡膠粉的摻量對(duì)橡膠砂漿抗?jié)B性能的影響，看出在橡膠摻量為 4% 時(shí)，橡膠砂漿的抗?jié)B性最好。（5）橡膠粉在任何粒徑、任何處理方法、任何摻量下，水泥砂漿的抗?jié)B性都會(huì)隨著水膠比的提高而降低。

圖13 粒徑、改性方法、摻量、水膠比對(duì)滲水高度柱狀圖

結(jié)合圖5～7中的 SEM 形貌分析，橡膠粉經(jīng)過(guò)NaOH 處理后，與水泥漿體的界面結(jié)合更加緊密，橡膠顆粒插在水泥漿體中，形成水化產(chǎn)物沉積在顆粒表面，增強(qiáng)了膠粉與水泥基體間的界面結(jié)合強(qiáng)度，提高了抗?jié)B性能。橡膠粉經(jīng)過(guò) CCl4處理后（如圖6），降低了膠粉的極性，粒子表面更加粗糙，橡膠顆粒之間被水泥漿體填充，周圍富集了水泥水化產(chǎn)物，部分水泥水化產(chǎn)物“生長(zhǎng)”在橡膠顆粒表面，膠粉與水泥基體的相容性大幅提高（如圖 7(c)）。同時(shí)從 XRD 衍射分析中可以看出，CCl4改性膠粉的橡膠砂漿的特征衍射峰中，摻量為 4% CCl4改性后的橡膠砂漿生成水化硅酸鈣結(jié)晶度最好，橡膠顆粒表面與水泥水化產(chǎn)物形成了化學(xué)鍵結(jié)合，從而增強(qiáng)了界面結(jié)合，這種結(jié)合使摻橡膠顆粒水泥砂漿的結(jié)合更為緊密，表現(xiàn)出良好的抗?jié)B性。

針對(duì)抗?jié)B性能可以得出最佳方案為：水膠比為0.55，用 CCl4改性 80 目的橡膠粉，橡膠粉摻量為 4%時(shí)，水泥砂漿的抗?jié)B性最好。

3 結(jié)論

（1）兩種處理方法對(duì)橡膠粉都具有改性作用，CCl4改性最為明顯，NaOH 改性次之。不論用何種方法改性膠粉，都是 40 目效果最好，80 目次之，60 目最差。

（2）處理后膠粉會(huì)利于膠粉和基體之間的相互結(jié)合，增強(qiáng)膠粉與水泥基體間的界面結(jié)合強(qiáng)度，改善水泥砂漿的力學(xué)性能，而 CCl4處理效果比 NaOH 處理效果要好。

（3）水膠比為 0.55，用 CCl4改性 80 目的橡膠粉，橡膠粉摻量為 4% 時(shí)，水泥砂漿的強(qiáng)度最好，抗?jié)B性最好。

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In fluence of different modi fi ers on impermeability of rubber mortar

Zhao Yanliang, Liu Fei, Tan Junhua, Zhu Kaijin, Li Peng
(Department of Materials Engineering, Taiyuan Institute of Technology, Taiyuan030008)

The influence of different modification methods of rubber powder, the amount of rubber powder and the particle size of rubber powder on the mechanical properties and impermeability of rubber mortar were investigated. The experimental research shows that both NaOH and CCl4have certain modification effect on rubber powder. When the water cement ratio is 0.55, the strength and impermeability of the rubber mortar are best when the 80 mesh rubber powder modi fi ed by CCl4is added to 4%.

modi fi cation method; rubber mortar; impermeability

山西省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（2015021072）；山西省重點(diǎn)扶持學(xué)科材料科學(xué)與工程基金項(xiàng)目。

趙彥亮（1982—），男，山西原平人，碩士，講師。主要從事固體廢棄物建筑材料綜合利用研究。

［通訊地址］山西省太原市新蘭路31號(hào) 太原工業(yè)學(xué)院（030008）