納米SiO2對橡膠砂漿力學(xué)及收縮特性影響的研究

馬海彬，馬晴晴，吳 帆，胡 凡

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，淮南 安徽 232001)

汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展使得廢棄橡膠輪胎的處理成為環(huán)境治理的一大難題，我國橡膠產(chǎn)量以及相應(yīng)的廢棄橡膠輪胎產(chǎn)量以每年8%～10%的速度增長，位居世界第一。妥善處理廢棄橡膠成為亟待解決的問題，橡膠混凝土是回收和再利用廢舊橡膠的有效途徑[1-2]。

有研究表明[3-5]，與普通混凝土相比，橡膠混凝土抗裂性能、抗沖擊性能、減震性能、抗?jié)B性能、抗凍性能、隔熱和隔聲性能都有顯著提高，但其抗壓強度明顯降低，且隨著橡膠摻量的增加力學(xué)強度降低幅度增大。為推進橡膠混凝土在實際工程中的應(yīng)用，學(xué)者們在改進橡膠顆粒的表觀物理性能以及改善水泥砂漿性能進而提高橡膠混凝土的力學(xué)性能方面作了大量研究。文獻[6]分別運用濃度為3%的NaOH溶液與硅烷偶聯(lián)劑KH-550溶液對橡膠顆粒進行改性，在橡膠等量替代30%砂時，NaOH改性橡膠混凝土強度提高6.5%，而KH-550改性橡膠混凝土強度僅提高3.9%。文獻[7]以馬來酸酐為原料，引入不同引發(fā)劑對其接枝改性廢舊橡膠粉，用分析純過氧化二異丙苯作為引發(fā)劑時抗壓強度結(jié)果最好，在水灰比為0.4橡膠等體積替代15%砂時強度最大值為45.1MPa。已有的研究表明，采用改變橡膠表觀性能的方法改性橡膠混凝土，雖能提高橡膠混凝土的力學(xué)強度，但提高幅度并不明顯。文獻[8]研究了納米SiO2的摻入對混凝土性能的影響，混凝土的抗壓強度提高10%～30%，抗折強度亦提高20%以上，表明納米SiO2能有效吸收Ca(OH)2晶體，且更有效細化Ca(OH)2晶體，顯著提高混凝土的抗壓強度與抗折強度。

綜合以上研究結(jié)果，相比改性橡膠的方法，加入納米SiO2能夠改善混凝土內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)，明顯提高混凝土力學(xué)強度，所以本文以外摻納米SiO2作為強度補償方法，研究不同納米SiO2摻量對橡膠砂漿力學(xué)及收縮性能的影響，綜合評價納米SiO2對橡膠砂漿性能的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗原材料

水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥， BET比表面積為1.447m2/g。砂為淮河黃砂，細度模數(shù)為2.6，密度為2 520kg/m3。橡膠顆粒為20～40目，密度為1 030kg/m3。納米SiO2含量≥99.5%，粒徑為30±5nm。減水劑為聚羧酸液態(tài)減水劑。

1) 試驗配合比

本試驗采用水膠比為0.3，砂率為50%的基準(zhǔn)配合比，橡膠等體積替代30%砂。研究不同納米SiO2摻量對橡膠砂漿性能的影響，分別按照水泥質(zhì)量的0%、1%、3%、5%外摻納米SiO2，試驗配合比見表1。試驗編號M0為未添加納米SiO2對照組，M1、M3、M5分別為按水泥質(zhì)量的1%、3%、5%外摻納米SiO2的試驗組。

表1 100g基準(zhǔn)配合比

2)孔隙率及密度測試

根據(jù)ASTM C20[9]，測試試塊的孔隙率、真實密度、表觀密度，3個試塊為一組，測量結(jié)果取平均值。具體方法為將試塊置于烘箱在105℃條件下烘干至恒重，測其重量即為試塊干重Q1；之后將試塊煮沸2h并在水中浸泡12h，使用細線懸于水中測其懸掛重量Q2，并測其飽和重量Q3。孔隙率、吸水率、真實密度以及表觀密度按以下公式進行換算

① 孔隙率

n=(Q3-Q1)/(Q3-Q2)×100%

(1)

② 真實密度

ρt=Q1/(Q1-Q2)

(2)

③ 表觀密度

ρb=Q1/(Q3-Q2)

(3)

3)力學(xué)強度測試

根據(jù)ASTM C349[10]，制備40mm×40mm×160mm棱柱體試塊，在溫度為23℃，相對濕度>95%的條件下分別養(yǎng)護至3d、7d、28d。測試過程中，使用抗壓和抗折模具分別測試其抗壓強度與抗折強度，抗壓強度6個試塊為一組，抗折強度3個試塊為一組，測試結(jié)果取平均值。

4)自收縮測試

根據(jù) ASTM C1698[11]，采用波紋管法測試每一組配合比線性自收縮。3個試件為一組，測量結(jié)果取平均值。以終凝時刻試件長度為初始值，自收縮微應(yīng)變值按下式計算

με=(LT-L0)×106/L0

(5)

式中：L0和LT分別為終凝時刻和測量時刻試件長度值。

5)干縮測試

根據(jù)ASTM 596[12]，制備尺寸為25mm×25mm×285mm的干縮試件。試驗方法為將澆筑完畢的新拌砂漿連同模具放置在溫度為23℃， 相對濕度>95%的環(huán)境中養(yǎng)護24h，拆模后，浸泡在飽和Ca-(OH)2溶液中繼續(xù)養(yǎng)護48h，齡期為72h時將試塊取出擦干首次測量試塊的初始長度，之后將試件放入相對濕度為50%±3%的環(huán)境中，每天測試一次，連續(xù)測至7d，測量結(jié)果取平均值。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 孔隙率及密度

表2 孔隙率及密度

表2為試塊的孔隙率及密度數(shù)據(jù)，由表2可知，納米SiO2的加入對試塊的孔隙率、真實密度與表觀密度有顯著影響，試塊孔隙率減小、真實密度與表觀密度增大。隨著納米SiO2摻量的增加，試塊的孔隙率的降低幅度呈先增大后減小的趨勢，真實密度與表觀密度的提高幅度亦呈先增大后減小的趨勢。在納米SiO2摻量為3%時影響效果最顯著，孔隙率達到最低值7.48%，與對照組M0相比降低32%；真實密度與表觀密度亦達到最大值，分別為2.41g/cm3、1.88g/cm3，與對照組相比分別增大26.8%、14.6%。納米SiO2的加入明顯提高砂漿的密實度，這是由于砂漿內(nèi)部納米SiO2與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)生成硅酸鈣凝膠，有效填補了橡膠顆粒與砂漿之間的孔隙，降低了砂漿的孔隙率，使其更加密實[13]。在納米SiO2摻量為3%的條件下，納米SiO2與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)最充分，生成的結(jié)構(gòu)最為致密，而在摻量為5%時摻入納米SiO2過量阻止了凝膠形成長鏈[14]，孔隙率的降低幅度以及真實密度和表觀密度的提高幅度降低。

2.2 抗壓強度

試驗分別測試了橡膠砂漿各齡期抗壓強度，如表3所示：

表3 4組配合比各齡期橡膠砂漿抗壓強度

圖1 4組配合比各齡期橡膠砂漿抗壓強度

圖1將4組配合比橡膠砂漿各齡期抗壓強度進行了對比，通過對比可知，在橡膠砂漿中摻入納米SiO2，可有效提高橡膠砂漿的抗壓強度，且抗壓強度提高幅度隨其摻量的增加呈先增大后減小的趨勢。與M0相比，3d時，M1、M3的抗壓強度分別提高3.28%、9.08%，而M5的抗壓強度降低了6%；7d時， M1、M3、M5的抗壓強度分別提高15.57%、35.93%、13.25%；28d時， M1、M3、M5的抗壓強度分別提高17.32%、35.20%、12.87%。這是由于納米SiO2粒徑小，比表面積大，表面效應(yīng)更顯著，與水泥水化產(chǎn)物大量鍵合，吸收水泥硬化漿體中富集的Ca(OH)2，在其顆粒表面形成更多的C-S-H凝膠，形成致密的微結(jié)構(gòu)，增強砂漿的強度[13]。

在整個齡期內(nèi)，M3組試塊的抗壓強度提高幅度明顯高于M1、M5，且在7d與28d時抗壓強度均提高30%以上。說明在摻量3%時納米SiO2與水泥水化產(chǎn)物充分反應(yīng)，而納米SiO2摻量為5%時，砂漿內(nèi)部生成過量的硅酸鹽，阻止凝膠形成過長的鏈，降低了試塊強度的提高幅度[14]。

2.3 抗折強度

圖2為4組不同配合比在不同齡期的抗折強度，在橡膠砂漿中摻入納米SiO2亦有效提高了試塊的抗折強度，且抗折強度的變化規(guī)律與抗壓強度的變化規(guī)律大致相符。與M0相比，M1、M3、M5的抗折強度均有顯著提高，3d時，M1、M3、M5組抗折強度分別提高20.34%、26.78%、8.13%；7d時，M1、M3、M5組抗折強度分別提高4.34%、28.90%、4.04%；28d時，M1、M3、M5組抗折強度分別提高3.55%、17.97%、3.78%，試塊抗折強度提高幅度隨納米SiO2摻量的增加呈先增大后減小的規(guī)律。這也歸因于納米SiO2促進了水泥水化，提高結(jié)構(gòu)致密性，增強了砂漿的抗折強度，且在3%摻量時納米SiO2與水泥水化產(chǎn)物的反應(yīng)最充分，抗折強度提高幅度最顯著。

圖2 4組配合比各齡期橡膠砂漿抗折強度

2.4 自收縮

試驗采用波紋管法測試每一組配合比的線性自收縮情況，3個試件為一組，測量結(jié)果取平均值。圖3為4組不同配合比的橡膠砂漿28d齡期內(nèi)自收縮變化曲線。

圖3 4組配合比28天齡期內(nèi)橡膠砂漿自收縮

4組配合比橡膠砂漿的自收縮在7d測試齡期內(nèi)都呈線性增長的趨勢，在10d齡期前后試塊的自收縮趨于平緩。加入納米SiO2在有效提高試塊力學(xué)性能的同時增強橡膠砂漿微結(jié)構(gòu)的密實性，對砂漿的收縮性能產(chǎn)生重要影響。納米SiO2的加入增大了砂漿的自收縮，且隨著納米SiO2摻量的增加自收縮呈先增大后減小的變化趨勢，M1、M3、M5的自收縮均大于M0組，M3組的自收縮最大，最大值為477με。自收縮主要是水泥基材料在密閉環(huán)境中，由于水泥持續(xù)水化，水分損失引發(fā)自干燥現(xiàn)象，在毛細孔毛細應(yīng)力作用下引發(fā)的變形。加入納米SiO2促進水泥早期水化，提高微結(jié)構(gòu)的致密性，減小毛細孔毛細壓力，產(chǎn)生較大自收縮。納米SiO2摻量在3%時，砂漿的微結(jié)構(gòu)密實性最高，孔隙率最小，試塊的自收縮最為顯著，增加砂漿開裂風(fēng)險。但在納米SiO2摻量為5%的條件下砂漿內(nèi)部形成過量硅酸鹽組織了長鏈形成，砂漿的收縮降低，砂漿開裂風(fēng)險減小。

2.5 干燥收縮

圖4圖5為4組不同配合比28天齡期內(nèi)橡膠砂漿干燥收縮與質(zhì)量損失的變化曲線。

圖4 4組不同配合比28天齡期內(nèi)橡膠砂漿干燥收縮

圖5 4組不同配合比28天齡期內(nèi)橡膠砂漿質(zhì)量損失

如圖所示，7d測試齡期內(nèi)，各組橡膠砂漿干燥收縮與質(zhì)量損失都呈線性增大的趨勢，之后增長速度減緩，在20天齡期時曲線趨于平緩。納米SiO2的加入對橡膠砂漿的干燥收縮和質(zhì)量損失也產(chǎn)生重要影響。由圖4可以看出干燥收縮與自收縮發(fā)展規(guī)律基本一致，加入納米SiO2明顯提高橡膠砂漿的干燥收縮，且收縮量隨著納米SiO2的增加呈先增大后減小的趨勢，在摻量3%條件下提高幅度最大，最大收縮量達到1 394με。干燥收縮是指混凝土試塊停止養(yǎng)護后，不飽和條件下混凝土內(nèi)部毛細孔和凝膠孔的吸附水散失至外部引起的收縮，反應(yīng)水泥基材正常工作時的收縮性能，是一種不可逆的收縮[15]。事實上，加入納米SiO2可有效提高砂漿微結(jié)構(gòu)密實性，降低孔隙率，減小試塊在干燥環(huán)境中的水分散失，降低試塊干燥收縮。然而，干縮測試數(shù)據(jù)發(fā)展規(guī)律卻與此相反，這說明，干縮試件不僅發(fā)生著干燥收縮變化，因其結(jié)構(gòu)較為密實，在試件內(nèi)部尚發(fā)生著一定的自收縮。

試塊的質(zhì)量損失是由于試塊內(nèi)部自由水散失到干燥的空氣中引起的，從圖5可看出，隨著SiO2摻量的增加橡膠砂漿的質(zhì)量損失呈逐漸減小的趨勢，M0組質(zhì)量損失大于M1、M3、M5，且M5組干燥收縮質(zhì)量損失最小，僅為3.68%。這說明納米SiO2與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)生成水合物，降低砂漿中游離水的含量，且加入的納米SiO2越多，砂漿中游離水的含量越低，反應(yīng)生成的凝膠亦填補了砂漿內(nèi)部孔隙，減少水分的散失，降低砂漿質(zhì)量損失。

3 結(jié)論

本文研究了不同納米SiO2摻量對橡膠砂漿物理性質(zhì)、力學(xué)性能以及收縮性能的影響，得出以下結(jié)論：

(1)納米SiO2與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)生成C-S-H凝膠，形成致密微結(jié)構(gòu)，降低橡膠砂漿孔隙率，提高砂漿的真實密度與表觀密度；

(2)納米SiO2的加入，使橡膠砂漿內(nèi)部微結(jié)構(gòu)更加密實，改善橡膠砂漿的力學(xué)性能，橡膠砂漿的抗壓強度和抗折強度均顯著提高；

(3)橡膠等體積替代30%砂的條件下，試塊力學(xué)性能的提升幅度隨著納米SiO2的摻量增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，納米SiO2摻量為3%時抗壓強度與抗折強度提高最大，納米SiO2加入過多生成過量的硅酸鹽會阻止凝膠生成長鏈，降低試塊強度的提高幅度，從力學(xué)性能的角度看，在水膠比為0.3砂率為50%的情況下，試驗最佳的納米SiO2摻量為水泥質(zhì)量的3%；

(4)納米SiO2的加入在提高試塊的抗壓強度的同時也增大了試塊的收縮，納米SiO2摻量為3%的橡膠砂漿的干燥收縮以及自收縮幅度大于另外兩個摻量，增大了砂漿的開裂風(fēng)險，故在今后的研究中仍需進一步綜合考量。