使用橡膠輪胎顆粒改性砂漿性能研究

王金國(guó)，柳 峰，王 杰，王豪英

(寧夏交通投資集團(tuán)有限公司，寧夏 銀川 750000)

0 引 言

日益增多的廢舊輪胎處理成為一個(gè)很嚴(yán)重的環(huán)境問題，因?yàn)橄鹉z即使經(jīng)過很長(zhǎng)時(shí)間的處理也很難分解，現(xiàn)在很流行發(fā)展橡膠的處理，將橡膠顆粒放入水泥基材料中是一個(gè)很可行的方法，大多數(shù)研究表明使用未經(jīng)處理的輪胎橡膠在水泥基材料中的附著能力差，即橡膠水泥的交聯(lián)能力差，導(dǎo)致機(jī)械性能差。

目前正研究將10%粉狀輪胎顆粒(最大粒徑為35目)加入到普通波特蘭水泥中，這種橡膠是混合了SBR，天然橡膠，聚丁二烯、油、抗氧劑、炭黑及其他，并且未經(jīng)使用，用NaOH的飽和溶液進(jìn)行表面浸泡處理，這些橡膠粉會(huì)改善機(jī)械性能如彎曲強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度顯著低于書上的描述。通過SEM顯微電鏡的觀察發(fā)現(xiàn)通過NaOH飽和溶液處理的橡膠粉基本附著力得到改善，耐磨性和吸水率明顯好于沒有處理的橡膠粉。

擴(kuò)張這一工作，通過HATR紅外分析，電位滴定和接觸角的測(cè)量方法研究橡膠的表面處理，紅外分析處理過的橡膠粉吸水減少1 540，1 450，1 395 cm-1，這個(gè)降低是由于硬脂酸鋅被去除，目前輪胎的添加劑總是回到表面，導(dǎo)致橡膠和其他材料附著力差，用0.1 mNaCl電位滴定法的滴定橡膠顆粒顯示未被處理的橡膠粉消耗更多的NaCl，最可能的結(jié)果是鋅鹽和橡膠的相互作用，橡膠顆粒的接觸角直到在NaOH中浸泡24 h，橡膠表面硬脂酸鋅的減少可以解釋橡膠附著水泥能力的改進(jìn)。

這些總體的工作顯示將橡膠加入水泥可以用于工程中，自從巴西將不尋常的水泥用于不一般的工程，將用NaOH處理的橡膠分加入到礦渣中改善砂漿。

在我們先前的研究中將10%(水泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù))橡膠粉加入到水泥中會(huì)得到滿意的機(jī)械性能，在這個(gè)試驗(yàn)中10%(水泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù))用NaOH處理的橡膠粉加入到砂漿中，代替大約35%的水泥，這是用想要得到合理的機(jī)械性能的0.6的水灰比得到可工作性的最大的橡膠摻量，換句話說(shuō)，這些砂漿被認(rèn)為是終極橡膠摻量。

1 試 驗(yàn)

由巴西Borcol Industria de Borracha Ltda，Sorocaba-SP提供，最大粒徑為50目(300 μm)，用飽和氫氧化鈉水溶液在室溫下浸泡20～30 min，橡膠粉用清水清洗到中性后在室溫下干燥。

砂漿標(biāo)準(zhǔn)試件與巴西礦渣硅酸鹽水泥試件相比，用洗過的細(xì)度系數(shù)為2.6的砂，這個(gè)混合成分是水膠比=0.6、砂膠比=2，用10%(砂漿質(zhì)量的)NaOH處理的橡膠粉試驗(yàn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件在室溫(25 ℃)和100%的相對(duì)濕度的條件下養(yǎng)護(hù)28 d。

毛細(xì)吸水伴隨著重量的變化。將100 mm×60 mm的圓柱體試件在50 ℃的烤爐中干燥直到質(zhì)量穩(wěn)定，并且在室溫下放置在足夠水位的盤子中。水位應(yīng)剛好濕潤(rùn)待測(cè)試件的下表面不超過5 mm或者大致的這個(gè)高度，標(biāo)準(zhǔn)試件側(cè)面的下部分臨近的面應(yīng)用膠粘劑密封防止水吸入表面的氣孔。質(zhì)量恒定后一段時(shí)期一個(gè)試模的每個(gè)試件會(huì)得到大量數(shù)據(jù)。

使用45 mm×30 mm的圓柱體試件通過浸泡來(lái)測(cè)試水吸附，將標(biāo)準(zhǔn)試樣在50 ℃下干燥至恒重，然后浸泡在室溫下的水里。質(zhì)量恒定后一段時(shí)期一個(gè)試模的每個(gè)試件會(huì)得到大量數(shù)據(jù)。

對(duì)于抗酸性腐蝕，先將45×30 mm的圓柱體試件在50 ℃下干燥至恒重，然后放入5%的HCl中浸泡，HCl每天換一次，質(zhì)量恒定后一段時(shí)期一個(gè)試模的每個(gè)試件會(huì)得到大量數(shù)據(jù)。

對(duì)于抗彎試驗(yàn)，試件尺寸為150×25×25 mm，采用三點(diǎn)彎曲，這些測(cè)試在一個(gè)MTS810型的測(cè)驗(yàn)機(jī)中，移動(dòng)速度為每分鐘10 mm，測(cè)試一套46控制樣本和一套47摻有橡膠的試樣。用掃描電鏡來(lái)描述處理過的砂漿的大部分區(qū)域。

2 結(jié)果和討論

膠凝材料的破壞取決于微裂紋，主要是水泥和骨料粒子表面連接的部分，這些內(nèi)部裂紋能擴(kuò)張，例如，工藝品中象氣孔這樣的缺陷，單軸壓縮強(qiáng)度作為一種普遍公認(rèn)的水泥材料強(qiáng)度指標(biāo)，不過，這些彎曲測(cè)試首選用于質(zhì)量受控制的道路，水泥材料在荷載作用下彎曲而不是軸向伸長(zhǎng)。

圖1顯示用NaOH處理的橡膠粉試件和普通試件的抗折試驗(yàn)結(jié)果，至少46個(gè)試件為一組來(lái)計(jì)算威布爾分布，在均勻張拉期間試件不合格的累積幾率，橡膠試件的抗折強(qiáng)度降低了45%。

圖1 為砂漿試樣的抗折試驗(yàn)檢測(cè)，橙色的控制標(biāo)本，綠色為用10%NaOH處理的橡膠粉的試件，短劃線表示平均值

強(qiáng)度大幅度變化的原因可能是裂紋的分布和其他缺陷，在拉伸測(cè)試中試件整個(gè)都處于外加壓力下，然而在拉伸試驗(yàn)中試件只有小部分靠近底部的部分處于高壓力下，圖2表示斷裂后在拉伸下標(biāo)本的表面裂紋，有趣的是不同體積(a和b)顯示出相同的強(qiáng)度值(505 MPa)，對(duì)于橡膠試件，當(dāng)和更勻質(zhì)強(qiáng)度為3.5 MPa的試件相比4.1 MPa的試件更不合格(d)。

圖2 表示在控制試件彎曲應(yīng)力作用下斷裂面(a和b)，用NaOH處理的試件為c和d

在水泥的研究中，強(qiáng)度是一項(xiàng)指定的性能，然而，水泥的強(qiáng)度不是唯一的重要指標(biāo)，像彈性、彈性模量、抗?jié)B、抗風(fēng)化、抗侵蝕性水等性能都和耐久性直接相關(guān)。

水的吸收主要是和待測(cè)試件的空隙率有關(guān)并且可以給出內(nèi)部空隙的圖片，混凝土和砂漿中水分的傳輸對(duì)于評(píng)價(jià)一種建筑材料和改進(jìn)他們的性能都是很重要的，主要的傳輸物質(zhì)進(jìn)入水泥后被擴(kuò)散或發(fā)生毛細(xì)管作用，但是毛細(xì)管運(yùn)輸是主要入口方式。從這個(gè)意義上說(shuō)，毛細(xì)作用越小，耐久性越好。圖3所示，加上橡膠顆粒從根本上降低水的量吸收。

圖3 為根據(jù)時(shí)間畫出的毛細(xì)現(xiàn)象

在室溫下通過大量的用10%的NaOH處理的橡膠粉的砂漿試樣和僅砂漿，sorptivity系數(shù)(S)描述多空材料吸水和通過毛細(xì)現(xiàn)象攜帶水，通過式(1)可以得到，其中Δw是增加的重量，A是橫截面積，ρ水的密度，t是時(shí)間，截面面積上有效的攔截為b，這是填充孔隙表面的開放流入面和相鄰的面的原因。

(1)

圖4表示單位面積的表面水的吸附隨時(shí)間平方根的變化，從圖3中得到，對(duì)于受控試件，sorptivity系數(shù)按0.29 mm/min1/2計(jì)算，而摻有橡膠的試件按0.06 mm/min1/2計(jì)算。

圖4 顯示單位面積上水的吸附隨時(shí)間的變化，測(cè)試試件為用10%NaOH處理的橡膠粉試樣和普通式樣

這種現(xiàn)象主要是因?yàn)橄鹉z粉的疏水性，在水的通道上疏水性粒子可能阻止毛細(xì)作用，導(dǎo)致水和通道表面的界面張力增大，這可能會(huì)導(dǎo)致大致相同的粒子形成一層通道。

圖5顯示的是被水浸泡的毛細(xì)現(xiàn)象，這和試件的開放性空隙有關(guān)，然而，吸附總是高于毛細(xì)作用，毛細(xì)作用只發(fā)生在相對(duì)直徑較小的開孔處，在含有橡膠的試件里發(fā)現(xiàn)吸水率減少了17%，這意味有少量的空隙或者這些空隙可以接觸到水(關(guān)閉的空隙或狹窄的毛細(xì)管)。自從在這個(gè)試驗(yàn)中疏水性沒有達(dá)到預(yù)期的效果，從顯微結(jié)構(gòu)來(lái)看，不管是有橡膠還是沒有，砂漿都在界面處分離，產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象的原因可能是毛孔的堵塞。

圖5 顯示在室溫下吸水率隨時(shí)間的變化，砂漿試件為含10%NaOH處理的橡膠試件，和僅是砂漿的試件

圖6顯示普通試件(a)和含有橡膠(b、c)的試件的典型斷裂面的顯微結(jié)構(gòu)。顯微裂紋出現(xiàn)在橡膠和砂混合的區(qū)域(過渡區(qū)域)。在水化的前期，這個(gè)過度區(qū)域是很弱的并且會(huì)由于水泥和骨料之間干縮和熱縮，外部荷載等不同的拉緊而分裂，在橡膠試件中觀察到關(guān)閉的空隙。

水泥基材料的耐久性和材料所處的環(huán)境有關(guān)。水化水泥漿是堿性的，酸性水對(duì)這些材料是非常有害的。酸會(huì)攻擊析出的氫氧化鈣。酸性液體也會(huì)增加氣孔，導(dǎo)致材料更容易受攻擊，在這樣的條件下，不透性成了決定耐久性的關(guān)鍵因素。

圖6 為用掃描電鏡觀察水泥砂漿試樣的斷口

(a)為空白砂漿試件，(b)和(c)為含10%(砂漿質(zhì)量)用NaOH處理的橡膠的試件，A沙粒，B為橡膠粒子，箭頭為分離的或者關(guān)閉的氣孔。

對(duì)橡膠的耐酸性進(jìn)行研究，結(jié)果在圖7中顯示，橡膠顆粒有較強(qiáng)的耐酸性。更快的表面過濾顯示試樣表面沒有橡膠粉。砂漿中橡膠顆粒被疲敝防止酸的進(jìn)入。

圖7 耐酸性隨時(shí)間的變化，試件為用10%的NaOH處理的橡膠試樣和僅是砂漿的試樣

3 結(jié) 論

很少有論文描述含有小顆粒橡膠的砂漿的性質(zhì)。在每個(gè)研究中，機(jī)械性能都會(huì)被研究，我們研究了將用10%NaOH處理的橡膠粉顆粒加入到砂漿中，導(dǎo)致sorptivity系數(shù)大幅度降低，并且加強(qiáng)了抗酸性，改善了運(yùn)輸性，盡管在抗折強(qiáng)度上有所降低。