膠粉表面改性對(duì)LC50高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土力學(xué)性能的影響及機(jī)理研究*

崔 磊 陳艷華

(山東交通職業(yè)學(xué)院公路與建筑學(xué)院 濰坊 261206)

膠粉表面改性對(duì)LC50高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土力學(xué)性能的影響及機(jī)理研究*

崔 磊 陳艷華

(山東交通職業(yè)學(xué)院公路與建筑學(xué)院 濰坊 261206)

為有效利用廢舊橡膠粉，改善LC50高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土的力學(xué)性能，利用三種改性劑對(duì)橡膠粉進(jìn)行表面改性，研究改性劑類型、橡膠粉摻量和細(xì)度對(duì)混凝土強(qiáng)度和彎曲韌性的影響，并利用掃描電鏡對(duì)其微觀機(jī)理進(jìn)行分析.結(jié)果表明，改性后橡膠粉表面極性增強(qiáng)，圓潤(rùn)度增加，其中司盤40改性后橡膠粉表面的連續(xù)性最好.橡膠粉表面改性使混凝土的抗壓強(qiáng)度和彎曲韌性得到明顯改善，其中司盤40改性的混凝土力學(xué)性能最佳，當(dāng)橡膠粉摻量為6%，粒度為180 μm時(shí)混凝土在具有良好力學(xué)性能的同時(shí)能有效利用橡膠粉.改性后的橡膠粉加入混凝土中后，混凝土內(nèi)部的連續(xù)性和密實(shí)度更優(yōu)；相比于粒徑為380 μm橡膠粉，添加粒度為180 μm橡膠粉后，混凝土內(nèi)部的孔洞更少.

廢舊橡膠粉；高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土；力學(xué)性能；微觀機(jī)理

0 引 言

高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土是用高強(qiáng)輕骨料、細(xì)集料、膠凝材料、水及其他外加劑和礦物摻和料按照一定比例混合均勻硬化后形成的一種強(qiáng)度等級(jí)在LC40以上的輕質(zhì)混凝土[1-3].相比于普通混凝土，高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、保溫性和隔熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此在海洋工程、橋梁工程及高層建筑中得到了廣泛應(yīng)用[4-6].然而，與普通混凝土相比，輕骨料混凝土存在抗折強(qiáng)度低、脆性大、韌性差和耐疲勞性能差等缺點(diǎn)[7-9]，因此,限制了其進(jìn)一步應(yīng)用.相關(guān)研究表明，在輕骨料混凝土中添加橡膠粉能夠顯著改善混凝土的抗折強(qiáng)度和韌性，但會(huì)使輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度大幅降低.水泥石屬于無(wú)機(jī)材料，而橡膠粉屬于有機(jī)材料，兩者的極性具有很大差異，造成兩者粘結(jié)性能較差.對(duì)橡膠粉進(jìn)行表面改性，能夠極大的提高其表面的極性，使其與水泥石之間具有較高的粘結(jié)性能，從而能夠提高輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度.基于此，文中以三種改性劑對(duì)橡膠粉進(jìn)行表面改性，對(duì)比研究了不同改性劑對(duì)LC50高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土力學(xué)性能的影響，為促進(jìn)輕骨料混凝土的大范圍推廣提供理論參考.

1 原材料

水泥：某公司生產(chǎn)的P·O52.5普通硅酸鹽水泥，其相關(guān)的性能指標(biāo)分別見(jiàn)表1.細(xì)骨料：濰坊安丘河沙，級(jí)配基本符合Ⅱ區(qū)要求，細(xì)度模數(shù)為2.6，堆積密度為1 474 kg/m3.輕骨料：山東淄博產(chǎn)碎石型高強(qiáng)頁(yè)巖陶粒，粒徑選擇為5～16 mm連續(xù)級(jí)配，堆積密度為827.2 kg/m3，筒壓強(qiáng)度為7.3 MPa.礦物摻合料：華電濰坊發(fā)電有限公司I級(jí)粉煤灰.外加劑：某公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，減水率為30%.橡膠粉由某公司生產(chǎn)，粒度分別為380，250，180，150，120 μm，表面不規(guī)則且有不規(guī)則的蜂窩狀孔洞.改性劑分別選用司盤40、十二烷基苯磺酸鈉和二氯異氰尿酸鈉，其中司盤40可溶于油及有機(jī)溶劑，在熱水中呈分散狀，十二烷基苯磺酸鈉為黃色油狀體，經(jīng)純化可形成六角形片狀結(jié)晶，二氯異氰尿酸鈉為白色粉末狀固體，具有較高的氧化性，常作為消毒劑使用.LC50高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土配合比見(jiàn)表2.

表1 水泥的物理性能

表2 LC50高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土配合比

注：預(yù)濕時(shí)間為24 h.

2 橡膠粉表面改性

稱取一定質(zhì)量不同粒度的橡膠粉，分別將1%(相對(duì)橡膠粉的質(zhì)量比例)的司盤40和十二烷基苯磺酸鈉倒入一定質(zhì)量，溫度為60 ℃的水中，并將稱好的橡膠粉倒入兩組溶液中浸泡1 h，均勻攪拌，過(guò)濾后放入烘箱中烘干，得到司盤40和十二烷基苯磺酸鈉改性橡膠粉.將二氯異氰尿酸鈉和60 ℃水按25∶2 的比例混合，再將稱好的橡膠粉倒入溶液中浸泡30 min，并均勻攪拌，過(guò)濾后放入烘箱中烘干，得到二氯異氰尿酸鈉改性橡膠粉.

2.1 能譜分析

使用EDS(能譜儀)對(duì)未改性和改性后的橡膠粉進(jìn)行能譜分析，并計(jì)算橡膠粉表面各化學(xué)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和原子比例，結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 橡膠粉能譜成分 %

由表3可知，經(jīng)司盤40改性后，橡膠粉表面的氧元素比例增大，而經(jīng)十二烷基磺酸鈉和二氯異氰尿酸鈉改性后，橡膠粉表面的鈉元素比例增多，這主要是因?yàn)檠踉厥撬颈P40的主要成分，而鈉元素是十二烷基磺酸鈉和二氯異氰尿酸鈉的主要成分.三種改性劑使橡膠粉表面元素比例發(fā)生變化，表明橡膠粉表面被改性劑包裹，不會(huì)因其他原因?qū)е孪鹉z粉表面改性劑的脫落.橡膠粉表面為非極性，而經(jīng)改性后表面元素和原子比例發(fā)生變化，增加了橡膠粉表面的極性，使其與水的相容性提高.

2.2 掃描電鏡分析

利用掃描電鏡，得到未改性和三種改性劑改性后的橡膠粉表面放大3 000倍的ESM圖像，分析改性前后橡膠粉表面微觀形貌的變化，結(jié)果見(jiàn)圖1.

圖1 橡膠粉表面SEM圖

由圖1可知，未改性的橡膠粉表面較松散，且表面粗糙不平，小毛刺和小凹洞較多，而改性后的橡膠粉表面聚集成團(tuán)程度較高，表面毛刺圓潤(rùn)，沒(méi)有棱角，表面更加連續(xù).表明改性后橡膠粉的圓形度增加，孔隙率降低，其中司盤40改性的橡膠粉表面連續(xù)程度最高，毛刺和小凹洞最少.

3 橡膠粉對(duì)LC50高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土力學(xué)性能的影響

3.1 抗壓強(qiáng)度

將未改性和改性后不同粒度(380，250，180，150和120 μm)的橡膠粉分別按3%，6%和9%的質(zhì)量比例外摻至LC50高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土中，成型標(biāo)準(zhǔn)的立方體抗壓試件，并養(yǎng)護(hù)至一定齡期后測(cè)定混凝土抗壓強(qiáng)度，分析橡膠粉表面改性對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4～表6.其中將未改性、司盤40改性、十二烷基磺酸鈉改性和二氯異氰尿酸鈉改性橡膠粉對(duì)應(yīng)的試件依次標(biāo)號(hào)為J1，J2，J3和J4.

表4 橡膠粉改性LC50高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土3 d抗壓強(qiáng)度

表5 橡膠粉改性LC50高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土7 d抗壓強(qiáng)度

表6 橡膠粉改性LC50高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土28 d抗壓強(qiáng)度

由表4～6可知，相同條件下各齡期抗壓強(qiáng)度都隨著橡膠粉粒度的增大呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)橡膠粉粒度為180 μm時(shí)，抗壓強(qiáng)度最高.其原因主要為，隨著粒度的減小，橡膠粉粒徑逐漸減小，表面的圓潤(rùn)度增加，且表面棱角狀的纖維逐漸減少，纖維代入到混凝土中多余的水分和含氣量逐漸減少，因而使混凝土密實(shí)度增加，抗壓強(qiáng)度增大.隨著粒度的繼續(xù)減小，橡膠粉表面棱角狀的纖維進(jìn)一步減少，使橡膠粉和水泥基體的摩擦力減小，橡膠粉和水泥基體的界面粘結(jié)強(qiáng)度變?nèi)酰虼?反而會(huì)使抗壓強(qiáng)度降低.

除J3組各齡期抗壓強(qiáng)度隨橡膠粉摻量的增多呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)外，其他各組的抗壓強(qiáng)度都隨著橡膠粉摻量的增多逐漸降低.相比于水泥基體，橡膠粉的模量較低，無(wú)法有效承受荷載作用，且混凝土抵抗外部荷載的有效橫截面積隨著橡膠粉摻量的增多而減小，因此,導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度的降低.綜合各齡期強(qiáng)度，當(dāng)橡膠粉摻量由3%增大至6%時(shí)，抗壓強(qiáng)度降低幅度不大，且能有效的利用廢舊橡膠粉，因此推薦合適的橡膠粉摻量為6%.

橡膠粉表面改性會(huì)使抗壓強(qiáng)度得到提升，且經(jīng)過(guò)司盤40改性后的混凝土強(qiáng)度最高.其原因主要為，橡膠粉屬于親油性非極性物質(zhì)，而水泥基體屬于親水性極性物質(zhì)，橡膠粉表面未改性時(shí)，其與水泥基體的粘結(jié)性較差，荷載作用時(shí)粘結(jié)界面極易發(fā)生破壞，因此抗壓強(qiáng)度較低，橡膠粉表面改性使其極性增加，與水泥基體的粘結(jié)更牢固，因此使抗壓強(qiáng)度提高.司盤40改性后橡膠粉表面更加連續(xù)，混凝土中的缺陷越少，荷載作用時(shí)越不容易發(fā)生破壞，因此經(jīng)司盤40改性的混凝土強(qiáng)度最高.

與普通混凝土一樣，加入橡膠粉后LC50高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期的延長(zhǎng)逐漸增大，且前期抗壓強(qiáng)度發(fā)展較快，后期強(qiáng)度發(fā)展較慢.主要是因?yàn)樗嗷w的水化是從表層開(kāi)始的，水化初期，水化速率較快，水化產(chǎn)物析出較多，因此,抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度較大；水化后期水化產(chǎn)物裹覆在水泥顆粒表面，從一定程度上阻止了未水化水泥顆粒的水化，因此后期抗壓強(qiáng)度發(fā)展較慢.

3.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

為了研究橡膠粉改性對(duì)LC50高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土抗彎曲性能的影響，采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)定橡膠粉粒度為180 μm，摻量為6%時(shí)，未改性和經(jīng)司盤40改性后混凝土3 d和28 d的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2.

圖2 橡膠粉改性L50高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由表2可知，應(yīng)力應(yīng)變曲線可分為：緩慢上升段、快速上升段和下降段三個(gè)階段，其中28 d齡期時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線比3 d齡期時(shí)更陡.普通混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)立即發(fā)生破壞，而添加橡膠粉后混凝土沒(méi)有立即發(fā)生破壞，應(yīng)力-應(yīng)變曲線較平緩的下降，表明橡膠粉使混凝土的彎曲韌性增強(qiáng).這是因?yàn)榛炷林屑尤胂鹉z粉后，荷載作用時(shí)橡膠粉能吸收一部分應(yīng)力，增加了混凝土的延性，使混凝土接近峰值破壞時(shí)脆性破壞的幾率下降.相比未改性的橡膠粉，經(jīng)司盤40改性后的橡膠粉加入到混凝土中時(shí)，應(yīng)力峰值對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?cè)龃?，表明橡膠粉表明改性能夠增加輕骨料混凝土的彎曲韌性.其原因主要是，司盤改性40改性后，橡膠粉表面極性增加，連續(xù)性增強(qiáng)，與水泥基體的粘結(jié)更致密，因此混凝土彎曲韌性得到改善.

4 微觀機(jī)理分析

為了揭示橡膠粉改性對(duì)LC50高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土力學(xué)性能的改善機(jī)理，通過(guò)掃描電鏡試驗(yàn)，對(duì)未改性和三種改性劑改性后的混凝土試件在100倍條件下成像，結(jié)果見(jiàn)圖3.

圖3 未改性和三種改性劑改性后的混凝土試件在100倍條件下微觀形貌圖(圖已縮小)

由圖3a)～b)可知，7 d齡期的混凝土，水泥與骨料的粘結(jié)較差，能看到細(xì)微的交界口和未完全粘結(jié)的裂縫，表明7 d齡期的混凝土水泥還沒(méi)有完全水化，而28 d齡期的水泥與骨料的粘結(jié)較充分，水化產(chǎn)物完全包裹在水泥顆粒表面，形成較厚的水化膜，使混凝土內(nèi)部的孔洞減少，結(jié)構(gòu)的致密性明顯增強(qiáng).

由圖3c)～d)可知，添加粒度為380 μm的橡膠粉后，混凝土內(nèi)部孔洞較多，致密性較差，而添加粒度為180 μm橡膠粉后，混凝土內(nèi)部孔洞減少，致密性增加，這主要是因?yàn)榱６葹?80 μm橡膠粉相對(duì)粒度為180 μm橡膠粉表面有較多楞刺狀的纖維，加入混凝土?xí)r代入較多的氣泡，因此降低了混凝土的密實(shí)性，使混凝土力學(xué)性能變差.

由圖3b)和圖3d)～f)可知，未改性的橡膠粉加入到混凝土中時(shí)，混凝土內(nèi)部的連續(xù)性較差，有較多的褶皺狀物質(zhì)，且有較小的孔洞和微裂縫，而將改性后的橡膠粉加入到混凝土中時(shí)，混凝土內(nèi)部的連續(xù)性明顯增強(qiáng)，水化產(chǎn)物對(duì)橡膠粉和骨料的包裹更加充分，混凝土密實(shí)性增強(qiáng)，因此使力學(xué)性能得到較大改善.

5 結(jié) 論

1) 經(jīng)司盤40改性后，橡膠粉表面的氧元素比例明顯增加，而經(jīng)十二烷基磺酸鈉和二氯異氰尿酸鈉改性使橡膠粉表面的鈉元素比例增加，表面改性使橡膠粉的極性明顯增強(qiáng)；改性后橡膠粉表面的圓潤(rùn)度和連續(xù)性增強(qiáng)，其中司盤40改性的橡膠粉表面連續(xù)程度最好.

2) 橡膠粉表面改性使不同齡期的抗壓強(qiáng)度得到明顯提升；隨著橡膠粉目數(shù)的增大，抗壓強(qiáng)度先增大后降低，當(dāng)粒度為180 μm時(shí)，抗壓強(qiáng)度最高；橡膠粉摻量越大，混凝土抗壓強(qiáng)度越低；相同條件下經(jīng)司盤40改性后，混凝土抗壓強(qiáng)度更高.

3) LC50輕骨料混凝土中加入橡膠粉后，試件達(dá)到應(yīng)力峰值后應(yīng)力-應(yīng)變曲線不會(huì)瞬時(shí)下降，試件由脆性破壞變成延性破壞，彎曲韌性得到改善；相比未改性的橡膠粉，改性后的橡膠粉使試件應(yīng)力達(dá)到峰值對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?cè)龃螅舆t了混凝土的彎曲破壞，使混凝土彎曲韌性得到顯著改善.

4) 橡膠粉表面改性后加入到混凝土中，混凝土內(nèi)部的連續(xù)狀態(tài)顯著增強(qiáng)，密實(shí)度明顯提高，因此力學(xué)性能得到改善；相比于粒度為380 μm橡膠粉，在混凝土中加入粒度為180 μm橡膠粉時(shí)，混凝土內(nèi)部的連續(xù)性更好，混凝土力學(xué)性能較好.

[1] 曹剛.高強(qiáng)輕骨料混凝土試驗(yàn)研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2004.

[2] 巴恒靜，黃智山.大坍落度高性能輕集料混凝土新拌混合料性能的研究[J].混凝土，2000(8)：25-27.

[3] 杭美艷，曲樹(shù)強(qiáng)，張冰.粉煤灰陶粒高性能輕骨料混凝土試驗(yàn)研究[J].混凝土與水泥制品，2012(9)：14-17.

[4] ZHANG M H, GJORV O E. Mechanical properties of high strength lightweight concrete[J].Cement and Concrete Composites，2003,25(2):207-213.

[5] 霍俊芳，申向東，崔琪.纖維增強(qiáng)輕骨料混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].混凝土，2007(1)：37-39.

[6] 吳鵬，李璐.玻璃纖維增強(qiáng)輕骨料混凝土力學(xué)性能及疲勞損傷研究[J].混凝土與水泥制品，2014(9)：52-55.

[7] 高矗，申向東，王蕭蕭，等.應(yīng)力損傷輕骨料混凝土抗凍性能[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2014，42(10)：1247-1252.

[8] 高英力，龍杰，劉赫，等.粉煤灰高強(qiáng)輕骨料混凝土早期自收縮及抗裂性試驗(yàn)研究[J].硅酸鹽通報(bào)，2013(6)：1151-1156.

[9] 王磊.自密實(shí)輕骨料混凝土性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.

The Effect and Mechanism Research of Powder Surface Modification on Mechanical Properties of LC50 High-strength Lightweight Concrete

CUILeiCHENYanhua

(CollegeofHighwayandArchitecture,ShandongTransportVocationalCollege,Weifang261206,China)

In order to utilize the waste rubber powder effectively and improve the mechanical properties of LC50 high-strength lightweight concrete, three kinds of modifiers are used to modificate the surface of rubber powder and the effects of modification type, rubber powder content and fineness on strength and bending toughness of concrete are studied The microcosmic mechanism is also analyzed by scanning electron microscopy. The results show that the modification improves the polarity of the surface of the rubber powder and enhances the roundness of the rubber powder, and the continuity of the rubber powder surface is the best after modified by Span 40. The compressive strength and flexural toughness of the concrete are improved obviously by the surface modification of the rubber powder. The mechanical properties of the concrete is the best after modified by Span 40. When the content of the rubber powder is 6% and 180 μm, the rubber powder can be effectively used and the concrete has good rational performance. When the modified rubber powder is added into the concrete, the continuity and density of the concrete are better. Compared with the 180 μm rubber powder, the pores inside the concrete are less with 180 μm rubber powder.

waste rubber powder; high-strength lightweight concrete; mechanical properties; Microscopic mechanism

U216.421

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.06.012

2017-09-26

崔磊(1970—)：女，碩士，副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)榻煌ㄍ两üこ淌┕づc材料

*山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目資助(J15LG56)