廢舊橡膠粉對(duì)氯氧鎂水泥力學(xué)性能的影響

孟瑋 ，鞠峰 ，尹錦明 ，吉祖鵬 ，王杰

（1.南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院，江蘇 泰州 225300；2.泰州市同一建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，江蘇 泰州 225300）

0 引言

自北卡羅來(lái)納州立大學(xué)的Shuaib Ahmad教授首先利用橡膠顆粒取代粗集料的方法制備橡膠改性水泥混凝土以來(lái)，橡膠膠粒與混凝土、砂漿的結(jié)合受到國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注，橡膠粉改性水泥基材料在實(shí)際工程中的應(yīng)用逐漸廣泛。氯氧鎂水泥是由法國(guó)人索瑞爾于1867年發(fā)明的,它是用具有一定濃度的氯化鎂水溶液與活性氧化鎂粉調(diào)配后得到的鎂水泥石。各國(guó)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了頗多研究，取得了一定研究成果。氯氧鎂水泥部分特性優(yōu)于硅酸鹽水泥，尤其在生產(chǎn)工藝方面具有比較突出的優(yōu)勢(shì)，符合我國(guó)綠色工業(yè)的要求。但氯氧鎂水泥也存在返鹵翹曲、耐水性差、返潮等問(wèn)題，這些缺點(diǎn)阻礙了氯氧鎂水泥的推廣利用。試驗(yàn)針對(duì)廢舊橡膠粉對(duì)鎂質(zhì)膠凝材料力學(xué)性能的影響展開(kāi)了系列工作,將橡膠粉摻入氯氧鎂水泥中，不但解決了廢舊輪胎的處理問(wèn)題，減輕環(huán)境污染，同時(shí)也能改善氯氧鎂水泥的力學(xué)性能，符合“可持續(xù)發(fā)展”的理念。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)原材料

（1）氧化鎂：粒度200目，興化市華耐鎂業(yè)有限公司生產(chǎn)。

（2）氯化鎂溶液：常州中耀精細(xì)化工有限公司生產(chǎn)，氯化鎂的含量≥99%。

（3）橡膠粉：粒度為 20 目、40 目、60 目、80 目、100目。

（4）水：自來(lái)水。

（5）外加劑：磷酸，興化市華耐鎂業(yè)有限公司提供。

1.2 試件的成型及養(yǎng)護(hù)

氯氧鎂水泥的基本配合比為：氧化鎂：氯化鎂溶液=3.5:1，橡膠粉摻量取為混合溶液質(zhì)量的2%、4%、6%、8%、10%。

依據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》對(duì)試件進(jìn)行攪拌、振實(shí)及成型、養(yǎng)護(hù)。將試件帶模整體放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，在（20±2）℃，相對(duì)濕度95%的條件下養(yǎng)護(hù)3 d、7 d和 28 d。試件抗折、抗壓強(qiáng)度的測(cè)定依據(jù)《無(wú)機(jī)硬質(zhì)絕熱制品試驗(yàn)方法》進(jìn)行。將養(yǎng)護(hù)至齡期的試件斷開(kāi)，烘干機(jī)烘干24 h，在掃描電鏡下觀察樣品表面形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 橡膠粉摻量對(duì)氯氧鎂水泥強(qiáng)度指標(biāo)的影響

橡膠粉摻量對(duì)氯氧鎂水泥的強(qiáng)度指標(biāo)產(chǎn)生了影響，不同目數(shù)橡膠粉氯氧鎂水泥的3 d、7 d和28 d抗折強(qiáng)度如圖1所示，抗壓強(qiáng)度如圖2所示。不同目數(shù)橡膠粉在不同摻量下制作的氯氧鎂水泥試件，表現(xiàn)出隨著橡膠粉摻量的提高強(qiáng)度指標(biāo)出現(xiàn)先提高后降低的趨勢(shì)。橡膠粉摻量為6%的復(fù)合水泥在3～7 d齡期試件中強(qiáng)度為最高，28 d齡期時(shí)各橡膠粉摻量試件強(qiáng)度差異不大。試件的抗壓強(qiáng)度隨著橡膠粉摻量變化而改變的趨勢(shì)與抗折強(qiáng)度表現(xiàn)出來(lái)的類似。隨著齡期的增長(zhǎng)，相同摻量橡膠粉水泥基的抗壓強(qiáng)度差距逐漸縮小，且摻量越高此現(xiàn)象就越明顯。60目的橡膠粉氯氧鎂水泥在各個(gè)齡期內(nèi)抗壓強(qiáng)度均大于其他幾組。

橡膠粉具有良好的變形性能，其本身的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度與氯氧鎂水泥相比較而言要小，應(yīng)力作用下橡膠粉改性水泥基材料的抗折強(qiáng)度相應(yīng)減小。在壓應(yīng)力作用下，硬結(jié)的氯氧鎂水泥漿體承受主要應(yīng)力，隨著橡膠粉摻量的增多，單位面積上的水泥體積分?jǐn)?shù)顯著減少，抗壓強(qiáng)度顯著下降。但橡膠粉和硬化的水泥基漿體之間有一定的粘結(jié)力，使得抗折強(qiáng)度下降速率小于抗壓強(qiáng)度。橡膠粉與周圍構(gòu)成漿體的物質(zhì)相比，膠粉硬度較小，彈性模量差異較大，在荷載作用下，橡膠顆粒的變形與氧化鎂、氯化鎂等不協(xié)調(diào)，造成實(shí)際承載面積縮小，承載能力下降；同時(shí)橡膠粉是有機(jī)高分子物質(zhì)，而氧化鎂和氯化鎂屬于無(wú)機(jī)材料，表面性能差異較大，結(jié)合困難，因而界面粘結(jié)強(qiáng)度較低，在連續(xù)載荷的作用下，界面處很容易產(chǎn)生微裂紋，受壓時(shí)更易達(dá)到抗壓極限值。

圖1 橡膠粉摻量對(duì)氯氧鎂水泥抗折強(qiáng)度的影響

圖2 橡膠粉摻量對(duì)氯氧鎂水泥抗壓強(qiáng)度的影響

2.2 橡膠粉粒度對(duì)氯氧鎂水泥強(qiáng)度指標(biāo)的影響

橡膠粉的粒度對(duì)氯氧鎂水泥的強(qiáng)度指標(biāo)產(chǎn)生影響如圖3所示。不同橡膠粉摻量的氯氧鎂水泥抗折強(qiáng)度的變化規(guī)律大致相同，即隨著目數(shù)的增加整體強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。相同摻量下，摻100目橡膠粉的復(fù)合水泥在7 d齡期時(shí)的抗折強(qiáng)度均為最小，不同粒度的橡膠粉7～28 d齡期抗折強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率高于3～7 d齡期時(shí)的抗折強(qiáng)度。橡膠粉摻量為6%的復(fù)合水泥在3～7 d齡期試件中強(qiáng)度遠(yuǎn)高于其他摻量的水泥試件。

橡膠粉為惰性物質(zhì)，不和氯氧鎂水泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，且橡膠粉與漿體顆粒粘結(jié)不緊密，摻量越高，吸附在橡膠粉表面的水分越多，則參與氯氧鎂水泥水化作用的水分減少，抗折強(qiáng)度降低；粒徑較小的橡膠粉表面積會(huì)較大，吸附的水分會(huì)增多，這樣既削弱水化作用，又增多了基體中的薄弱面，導(dǎo)致氯氧鎂水泥抗折強(qiáng)度較低。

圖3 橡膠粉粒度對(duì)氯氧鎂水泥抗折強(qiáng)度的影響

研究了橡膠粉的粒度對(duì)氯氧鎂水泥抗壓強(qiáng)度的影響，圖4數(shù)據(jù)顯示，隨著粒度的增加，氯氧鎂水泥的抗壓強(qiáng)度整體呈下降趨勢(shì)。在各組水泥的抗壓強(qiáng)度中，橡膠粉摻量為6%的復(fù)合水泥強(qiáng)度表現(xiàn)為最高，在早期強(qiáng)度指標(biāo)中更為明顯。這是由于橡膠粉顆粒越細(xì)，總表面積越大，與漿體形成的不穩(wěn)定界面越多，相當(dāng)于在氯氧鎂水泥中形成的孔隙增多，水泥基材料的密實(shí)性降低，造成抗壓強(qiáng)度的下降越多。

圖4 橡膠粉粒度對(duì)氯氧鎂水泥抗壓強(qiáng)度的影響

2.3 微觀分析

圖5給出了齡期為28 d時(shí)不同目數(shù)橡膠粉在2%摻量下對(duì)氯氧鎂水泥微觀形態(tài)的影響。圖像顯示，相同摻量下，橡膠粉的目數(shù)對(duì)于氯氧鎂水泥的微觀形貌有較大的影響，粒度越高的橡膠粉內(nèi)部針狀形態(tài)的晶體分布的范圍越大，越均勻，針狀晶體之間交聯(lián)的程度也越低，對(duì)應(yīng)的氯氧鎂體系的力學(xué)指標(biāo)逐漸降低。氯氧鎂水泥的水化產(chǎn)物由凝膠狀晶體和針狀晶體組成，20目橡膠粉氯氧鎂水泥水化產(chǎn)物以塊狀晶體為主，僅有少量針狀晶體存在，而隨著粒度的增加，水化產(chǎn)物中針狀晶體占據(jù)了絕大多數(shù)。由此可知，28 d齡期時(shí)，隨著粒度的改變，水化產(chǎn)物的成分發(fā)生了改變，這直接影響了復(fù)合體系

力學(xué)指標(biāo)的變化。

圖5 2%摻量橡膠粉氯氧鎂水泥28 d微觀形態(tài)

3 結(jié)論

（1）隨著橡膠粉摻量的提高，氯氧鎂水泥強(qiáng)度指標(biāo)整體出現(xiàn)先提高后降低的趨勢(shì)，6%橡膠粉摻量的復(fù)合水泥早期強(qiáng)度指標(biāo)最高。

（2）伴隨橡膠粉目數(shù)的增加,氯氧鎂水泥強(qiáng)度指標(biāo)整體強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，6%橡膠粉摻量的復(fù)合水泥早期強(qiáng)度遠(yuǎn)高于其他摻量的水泥試件。

（3）28 d時(shí)不同目數(shù)橡膠粉在相同摻量下對(duì)氯氧鎂水泥微觀形態(tài)有較大不同，隨著粒度的改變，塊狀晶體和針狀晶體在水化產(chǎn)物中所占的比重產(chǎn)生了顯著變化，這直接影響了復(fù)合體系力學(xué)指標(biāo)的變化。