橡膠粉-環(huán)氧樹脂砂漿抗凍性能的試驗(yàn)研究

張璐，李海洲，王春光

（1.山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，山東 淄博 255049；2.山東理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 淄博 255049）

0 引言

中國北方寒冷地區(qū)幾乎100%的砂漿工程遭受凍融循環(huán)的影響，主要表現(xiàn)為侵蝕和開裂。凍融循環(huán)嚴(yán)重影響砂漿工程的耐久性[1]。近些年，考慮經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的雙重因素，廢舊輪胎的循環(huán)再利用得到廣泛的關(guān)注。有學(xué)者嘗試將廢舊輪胎制成橡膠粉摻入混凝土中，提高抗凍性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)橡膠廢棄物的循環(huán)再利用[2]。

張亞梅等[3]研究表明，適量摻加橡膠粉可以大幅提高混凝土在水和氯化鈉溶液中的抗凍性。王濤等[4]研究認(rèn)為，80目橡膠粉可以明顯改善混凝土的抗凍性，在90 kg/m3范圍內(nèi)，摻量越高改善效果越明顯。楊洪生等[5]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，橡膠粉可以改善再生骨料摻量為75%的混凝土的抗凍性。陳勝霞等[6]研究證明橡膠粉對混凝土抗凍性能的改善作用優(yōu)于橡膠顆粒，橡膠粉/顆粒均有利于改善混凝土凍融破壞后的脆性特性。許金余等[7]試驗(yàn)表明，相同凍融循環(huán)次數(shù)下橡膠粉的粒徑越小，混凝土表面抗凍性越好，抵抗內(nèi)部損傷的能力也越強(qiáng)。路沙沙等[8]試驗(yàn)表明，橡膠粉混凝土凍融循環(huán)作用下其強(qiáng)度和質(zhì)量損失率低于普通混凝土；橡膠顆粒摻量小于30 kg/m3時(shí)，混凝土的抗凍性隨橡膠顆粒摻量的增加而明顯改善。

本文采用40目和80目的細(xì)橡膠粉等質(zhì)量替代天然砂制備修補(bǔ)用砂漿，同時(shí)加入耐磨性、耐水性、耐化學(xué)腐蝕性能良好的改性環(huán)氧樹脂作為輔助粘結(jié)材料，采用正交試驗(yàn)研究橡膠-環(huán)氧樹脂砂漿的抗凍性能，并定量給出摻合料變化時(shí)砂漿抗凍性能的變化趨勢，分析橡膠粉和環(huán)氧樹脂對砂漿抗凍性能的影響機(jī)理。以期尋求廢棄物無害化循環(huán)利用的途徑，實(shí)現(xiàn)建筑與資源和諧發(fā)展的目標(biāo)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料及基礎(chǔ)配合比

1.1.1 原材料

水泥：P·O42.5水泥，密度3100kg/m3，淄博魯中水泥有限公司；河砂：粒徑 0.08～1.8mm，堆積密度 1570kg/m3；橡膠粉：廢棄輪胎制作的40目（直徑0.45 mm）和80目（直徑0.2 mm）橡膠粉；消泡劑：恒鑫牌THIX-568型，主體材料為聚硅氧烷，極易溶解于水；環(huán)氧樹脂：E-40型，環(huán)氧當(dāng)量為210～230g/mol，軟化點(diǎn)14～23℃，無機(jī)氯含量≤30×10-6，易皂化氯含量≤0.3%；固化劑：593型，無色至淡黃色透明黏性液體，相對分子質(zhì)量217.13，相對密度 0.985，黏度（25 ℃）90～150 mPa·s，總胺值 500～700 mg KOH/g，溶于乙醇、丙酮等極性溶劑，與水有一定程度的互溶性。

1.1.2 基礎(chǔ)配合比

按照J(rèn)GJ/T 98—2010《砌筑砂漿配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》確定試驗(yàn)砂漿的配比為：m（水泥）∶m（砂）∶m（水）=10∶25∶6，橡膠粉等質(zhì)量替代砂，環(huán)氧樹脂作為添加劑，水灰比為0.6。

1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用3因素4水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，因素水平見表1。

表1 正交試驗(yàn)因素水平

1.3 試驗(yàn)方法

凍融循環(huán)試驗(yàn)采用DR-BFS型混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，試件尺寸為40 cm×40 cm×160 cm，每25次循環(huán)記錄1組數(shù)據(jù)，凍結(jié)終點(diǎn)試件中心溫度為（-20±5）℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

采用形態(tài)定性分析和數(shù)據(jù)定量處理相結(jié)合的方法，運(yùn)用SPSS軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差和方差分析橡膠粉和環(huán)氧樹脂對砂漿抗凍性能的增強(qiáng)效果，從本質(zhì)上探究影響機(jī)理。

2.1 表觀狀態(tài)

試驗(yàn)表觀狀態(tài)顯示，普通砂漿試件在50次凍融循環(huán)后出現(xiàn)棱角缺失，表面砂漿脫落，質(zhì)地變脆；只添加橡膠粉的砂漿試件在相同次數(shù)凍融循環(huán)后試件完整，表面有明顯粗糙但平滑度優(yōu)于普通砂漿試件；同時(shí)添加橡膠粉和環(huán)氧樹脂的試件僅在個(gè)別區(qū)域出現(xiàn)粗糙面，表觀平滑度優(yōu)于其他2類試件。100次凍融循環(huán)后，只添加橡膠粉的試件出現(xiàn)棱角缺失，表面粗糙程度加重，細(xì)骨料明顯附著與表面，脫漿嚴(yán)重，質(zhì)地變脆；橡膠粉-環(huán)氧樹脂砂漿試件形狀完整，表面粗糙但平滑度優(yōu)于橡膠粉砂漿，試件完整未出現(xiàn)明顯棱角缺失。

2.2 砂漿質(zhì)量損失正交試驗(yàn)結(jié)果（見表2）

表2 砂漿質(zhì)量損失正交試驗(yàn)結(jié)果

2.3 極差分析（見表3）

由表3可見：

（1）3個(gè)因素對25次凍融循環(huán)質(zhì)量損失影響排序?yàn)锳＞B＞C，環(huán)氧樹脂顯著降低砂漿25次凍融循環(huán)質(zhì)量損失，橡膠粉對25次凍融循環(huán)質(zhì)量損失沒有作用，優(yōu)選配合比為A3B1C1。

（2）3個(gè)因素對50次凍融循環(huán)質(zhì)量損失影響排序?yàn)锳＞C＞B，50次凍融循環(huán)橡膠粉對砂漿抗凍性的增強(qiáng)效果開始顯現(xiàn)，80目橡膠粉作用大于40目，優(yōu)選配合比為A2B2C2。

（3）3個(gè)因素對75次凍融循環(huán)質(zhì)量損失影響排序?yàn)锳＞C=B，環(huán)氧樹脂影響最大。優(yōu)選配合比為A2B2C2。

（4）3個(gè)因素對100次凍融循環(huán)質(zhì)量損失影響排序?yàn)锳＞C＞B，環(huán)氧樹脂影響最大，80目橡膠粉作用大于40目，優(yōu)選配合比為A2B3C3。

表3 砂漿質(zhì)量損失正交試驗(yàn)極差分析

2.4 方差分析

極差分析簡單直觀，缺點(diǎn)是無法把試驗(yàn)條件改變引起的數(shù)據(jù)波動與試驗(yàn)誤差引起的數(shù)據(jù)波動區(qū)分開，分析僅是定性層面。為定量分析摻合料的效果，利用SPSS Statistics 19.0進(jìn)行單因變量多因素方差分析，為考查和判斷各因素影響的顯著性提供標(biāo)準(zhǔn)。砂漿抗凍性能的方差分析結(jié)果見表4。

表4 砂漿質(zhì)量損失方差分析

圖1顯示以第1水平（摻加量為0）為基準(zhǔn)，各水平凍融循環(huán)條件下質(zhì)量損失相對差異的參數(shù)估計(jì)結(jié)果。圖1中的負(fù)號表示質(zhì)量損失遞減，正號表示質(zhì)量損失增大，數(shù)字表示質(zhì)量損失參數(shù)估計(jì)結(jié)果的差異。

圖1 各個(gè)水平質(zhì)量損失差異的參數(shù)估計(jì)

由表4和圖1可見：

（1）依據(jù)凍融循環(huán)后砂漿試件質(zhì)量損失的方差分析，25次凍融循環(huán)后環(huán)氧樹脂Sig值=0.005＜0.05，即在a=0.05水平下F檢驗(yàn)顯著，表明低循環(huán)次數(shù)下環(huán)氧樹脂對砂漿抗凍性能影響顯著。50、75、100次凍融循環(huán)下Sig值＞0.05表明高循環(huán)次數(shù)下環(huán)氧樹脂對砂漿抗凍性能影響不顯著。橡膠粉在凍融循環(huán)作用下Sig值＞0.05，表明橡膠粉對砂漿抗凍性能的影響不顯著。

（2）根據(jù)圖1（a）可知：凍融循環(huán)25次，摻5%環(huán)氧樹脂比未摻時(shí)的砂漿質(zhì)量損失明顯下降，摻量大于5%時(shí)質(zhì)量損失趨于平穩(wěn)略回升；隨橡膠粉摻的增加，砂漿質(zhì)量損失線性增大，橡膠粉粒徑與質(zhì)量損失無明顯相關(guān)性。

（3）根據(jù)圖 1（b）、（c）可知：凍融循環(huán) 50 次和 75 次砂漿質(zhì)量損失趨勢相同，摻5%環(huán)氧樹脂比未摻加時(shí)砂漿的質(zhì)量損失明顯減小，摻量大于5%時(shí)質(zhì)量損失趨于平穩(wěn)；摻加3%橡膠粉的砂漿比未摻加時(shí)的質(zhì)量損失明顯下降；隨摻量繼續(xù)增大，砂漿質(zhì)量損失小于未摻加時(shí)，但比摻量為5%時(shí)的質(zhì)量損失線性增大；80目橡膠粉的作用優(yōu)于40目橡膠粉。

（4）根據(jù)圖1（d）可知：凍融循環(huán)100次，摻加5%環(huán)氧樹脂比未摻加時(shí)砂漿質(zhì)量損失明顯下降，摻量高于5%后質(zhì)量損失線性增大；摻3%橡膠粉的砂漿比未摻加時(shí)的砂漿質(zhì)量損失明顯減小，摻量大于3%時(shí)砂漿的質(zhì)量損失線性增大，但摻加橡膠粉后的砂漿質(zhì)量損失始終小于未摻加時(shí)的，且摻80目橡膠粉的作用優(yōu)于40目橡膠粉。

綜合方差分析和極差分析結(jié)果顯示：（1）環(huán)氧樹脂和橡膠粉的摻入均有利于提高砂漿抗凍性；（2）摻環(huán)氧樹脂的抗凍效果隨凍融次數(shù)的增加而下降；摻橡膠粉的作用隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增強(qiáng)；（3）摻80目橡膠粉對砂漿抗凍性能的提高作用優(yōu)于40目橡膠粉；（4）綜合考慮抗凍性能和經(jīng)濟(jì)性，橡膠粉和環(huán)氧樹脂的最佳摻量為：40、80目橡膠粉均3%，環(huán)氧樹脂5%。

2.5 環(huán)氧樹脂和橡膠粉對砂漿抗凍性影響機(jī)理分析

（1）橡膠粉對砂漿抗凍性能的提高機(jī)理在于：①廢舊輪胎破碎的橡膠粉顆粒表面粗糙，便于攜帶空氣，作為砂漿組分起到引氣劑的作用；②橡膠粉為有機(jī)高分子物質(zhì)，其彈性特質(zhì)為砂漿內(nèi)部結(jié)冰時(shí)的體積膨脹提供可壓縮空間，有效抑制膨脹應(yīng)力產(chǎn)生的裂隙。③橡膠粉粒徑越小，相同體積分?jǐn)?shù)的橡膠粉在攪拌制備砂漿時(shí)引入空氣量越多，引氣效果越好，因此80目橡膠粉的作用優(yōu)于40目橡膠粉。

（2）環(huán)氧樹脂對砂漿抗凍性能提高作用機(jī)理在于：①改性環(huán)氧樹脂具有粘結(jié)能力，能有效提高砂漿的密實(shí)度，減少孔隙率；②環(huán)氧樹脂可以增加砂漿韌性，提高砂漿的變形能力，有效防止砂漿凍脹；③環(huán)氧樹脂的高彈性模量有利于改善砂漿的物理性能從而間接提高環(huán)氧樹脂抗凍性。

3 結(jié)論

（1）凍融循環(huán)次數(shù)較少時(shí)橡膠粉對砂漿抗凍性起反作用；凍融循環(huán)次數(shù)大于50次后，抗凍能力隨凍融次數(shù)增多而增大；80目橡膠粉提高砂漿抗凍性的效果優(yōu)于40目橡膠粉。

（2）環(huán)氧樹脂的摻入有利于提高砂漿抗凍性；低凍融循環(huán)次數(shù)下環(huán)氧樹脂對砂漿抗凍性能增強(qiáng)效果顯著；隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，環(huán)氧樹脂的抗凍效果降低。

（3）復(fù)摻橡膠粉-環(huán)氧樹脂有利于提高砂漿的抗凍性能，其最佳摻量組合為40、80目橡膠粉各3%，環(huán)氧樹脂5%。