納米高嶺土對橡膠水泥砂漿性能影響試驗研究

潘 瑾，王鵬舉

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 安徽 淮南 232001；2.礦山地下工程教育部工程研究中心(安徽理工大學(xué)), 安徽 淮南 232001)

0 前 言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，每年有大量的廢棄橡膠產(chǎn)生，因為橡膠材料很難被生物降解[1]，人們對這些廢棄輪胎進(jìn)行不當(dāng)處理，例如燃燒和填埋對環(huán)境造成污染。如今，很多人把廢棄橡膠應(yīng)用到建筑行業(yè)，廢棄橡膠經(jīng)過加工處理成橡膠粉末，作為混凝土的摻合料，替代部分骨料[2-4]。大量的試驗證明，直接用橡膠顆粒替代部分骨料，混凝土的部分力學(xué)性能會下降[5-6]。一些研究人員使用硅粉等超細(xì)礦物摻合料使水泥與骨料的界面更加密實[8]。納米高嶺土(NK)是一種新型納米材料，價格便宜，在眾多領(lǐng)域取得了發(fā)展和應(yīng)用，由于NK的填充作用[9]、晶核作用[10]、火山灰效應(yīng)[11]，使用NK替代部分水泥可以提高水泥基材料的力學(xué)性能。本文將NK以水泥質(zhì)量的一定比例加入橡膠砂漿中，研究其對橡膠砂漿抗壓強度、收縮、抗氯離子滲透性能的影響。

1 原材料與配合比

本研究所需細(xì)骨料采用最大粒徑為4 mm、細(xì)度模數(shù)為1.39的天然河砂，水泥為淮南舜岳水泥有限責(zé)任公司出產(chǎn)的標(biāo)號為P·O42.5普通硅酸鹽水泥。橡膠選用粒徑為60～80目的廢棄橡膠輪胎顆粒。NK(6 000目)購于富華納米新材料有限公司。試驗所用水灰比為0.45，橡膠等體積替代砂子，體摻率為10%，橡膠混凝土中NK摻量分別為水泥質(zhì)量的1%、3%、5%、7%。

2 試驗內(nèi)容與方法

1)抗壓強度測試按照規(guī)范ASTM C348[12]進(jìn)行。將新拌橡膠砂漿澆筑于模具中，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下帶模養(yǎng)護(hù)24 h。試塊脫模后置于飽和氫氧化鈣溶液中分別養(yǎng)護(hù)至3、7、28d，測試其抗壓強度。

2)根據(jù)ASTM C1698[13]，采用波紋管法測量密封條件下橡膠水泥砂漿的線性收縮，按照配比將砂漿拌好后裝入波紋管中，裝滿后振動排氣封口。將試樣置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。每組3根試樣，測量值取平均值。

3)根據(jù)ASTM C596[14]對橡膠砂漿的干燥收縮性能進(jìn)行測試。做好樣品放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)24 h后拆模。然后置于飽和Ca(OH)2溶液再養(yǎng)護(hù)48 h。進(jìn)行長度和質(zhì)量的測量。

4)抗氯離子滲透性根據(jù)ASTM C1202[15]進(jìn)行測試，試件為Φ100×50 mm的圓餅。先將試塊在標(biāo)養(yǎng)條件下養(yǎng)護(hù)28 d，取出后將試塊表面擦干，使用環(huán)氧樹脂將試塊側(cè)面密封，環(huán)氧樹脂凝固后將試塊放入真空飽水機中進(jìn)行飽水處理。處理后將試塊表面水分擦去進(jìn)行氯離子電通量測試。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 抗壓強度

NK的加入提高了橡膠砂漿抗壓強度，NK是一種納米顆粒，有著很小的顆粒尺寸，在橡膠砂漿中具有很好的填充效應(yīng)，從而使橡膠和水泥基體之間有著良好的粘附性。同時NK的加入降低了孔隙率，使砂漿試塊更加的密實，從而強度得到提升。Fan等[16]研究發(fā)現(xiàn)，NK替代部分水泥的混凝土拌合物，在水化過程中Ca(OH)2晶體的X射線衍射峰強度有所下降，而C-S-H凝膠的峰值強度明顯增加，說明了NK促進(jìn)了水化反應(yīng)，生成更多的C-S-H，從而提升了強度。

3.2 自收縮

橡膠砂漿試樣在前3 d自收縮較小甚至出現(xiàn)了微膨脹，這是膠凝材料與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)放熱膨脹導(dǎo)致的。3 d齡期過后試樣自收縮開始增大，與CON組相比，32d齡期NK0組自收縮有所緩解降低了56.7%，因為低彈性模量的材料已被證明可以減少熱應(yīng)力和收縮應(yīng)力而橡膠的加入會降低彈性模量[17]，從而降低收縮應(yīng)力。32d齡期NK1、NK3、NK5、NK7自收縮與NK0相比分別增加了180.1%、145.9%、150.1%、99.8%。這是由于NK具有活性，能促進(jìn)水化作用，導(dǎo)致了砂漿自收縮變大。

3.3 干縮與質(zhì)量損失

在10 d之前，各組的干縮曲線大致相同，各組的干縮值相差不大；10d之后，CON組的收縮曲線趨于穩(wěn)定，其余各組收縮曲線仍有繼續(xù)下降的趨勢，NK7的干縮量相對于其他幾組增加的幅度要小，這也與前面的抗壓強度規(guī)律相吻合。首先由于加入NK的橡膠水泥砂漿自收縮的增大導(dǎo)致了干縮的增大。其次由于NK的填充作用和較大的比表面積并且表面含有大量的親水基團(tuán)[18]，從而吸收橡膠水泥砂漿內(nèi)部的大量水分，導(dǎo)致基體內(nèi)部水分減少，加大了干燥收縮。橡膠砂漿試樣相比普通砂漿質(zhì)量損失會加大，28d齡期時NK的加入能減小橡膠砂漿質(zhì)量損失，這是因為NK的加入，使結(jié)構(gòu)更加密實，毛細(xì)應(yīng)力增大，持水能力增加，從而減少了水分的蒸發(fā)。同時NK的加入促進(jìn)了水化反應(yīng)，生成C-S-H，減少了水分

3.4 滲透性

NK的加入，減小了橡膠砂漿氯離子電通量。這由于NK有著超細(xì)的尺寸，充分填充了橡膠顆粒與水泥膠體之間的孔隙，增加了橡膠顆粒與水泥膠體之間的粘結(jié)力，降低了孔隙率。另外NK促進(jìn)了水化反應(yīng)，也與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化生成更多的C-S-H填充內(nèi)部毛細(xì)孔，使結(jié)構(gòu)更加密實，從而阻礙了氯離子的滲透，增強了橡膠砂漿的耐久性。

4 結(jié)論

本文通過NK摻量對橡膠水泥砂漿力學(xué)、收縮性能和耐久性影響的試驗研究，得出以下結(jié)論：

1)外摻NK可以大幅度提高橡膠水泥砂漿的抗壓強度，且抗壓強度隨著NK摻量的增加而增加；

2)外摻NK會增大橡膠砂漿的自收縮，但隨著NK摻量的增加，收縮作用逐漸減弱；

3)NK可減小橡膠水泥砂漿的干燥收縮，且橡膠水泥砂漿的干縮隨著納米高嶺土摻量的增加而減小。從而減小了橡膠混凝土產(chǎn)生的裂縫，使橡膠混凝土可以更廣泛的用于工程中；

4)NK的摻入，可以提高橡膠砂漿抗氯離子滲透的能力，且橡膠砂漿的耐久性隨著納米高嶺土摻量的增加而提高。有利于保護(hù)鋼筋不受腐蝕，增加了建筑物的使用年限。

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