高摻量橡膠集料水泥砂漿收縮性能研究

薛 剛，孫立所，邵建文，董 偉

(內(nèi)蒙古科技大學土木工程學院，包頭 014010)

0 引 言

將橡膠粉摻入水泥砂漿中制成橡膠集料砂漿，不僅能夠提高砂漿的韌性、耐磨性能、抗裂性能及工作性能[1-3]，還可以利用廢舊輪胎，改善廢舊輪胎引起的環(huán)境問題。大量文獻表明橡膠集料在收縮性能[4]、延性與韌性[5-6]、抗凍性能[7]、抗疲勞性能[8]、抗沖擊性能[9]、耐磨性能[10]等方面均有獨特優(yōu)勢。膨脹劑可減小干燥收縮，抑制早期收縮裂縫的出現(xiàn)，對防止結(jié)構(gòu)承載能力過早下降，提高結(jié)構(gòu)的耐久性具有重要作用[11-12]。橡膠集料和膨脹劑都對砂漿的收縮性能有影響，但目前有關(guān)橡膠集料對砂漿收縮性能的影響大多為低摻量的研究，將膨脹劑應(yīng)用在橡膠集料砂漿中，二者復合效應(yīng)對材料收縮性能的影響更是少有報道。

本文在水泥砂漿中分別單摻、復摻不同摻量的橡膠粉與膨脹劑，通過測定試件不同齡期的自由干燥收縮率來研究摻膨脹劑及橡膠粉的水泥砂漿的收縮開裂性能。為其在抹面砂漿、水泥公路、機場跑道、公共設(shè)施建設(shè)等工程上的應(yīng)用提供依據(jù)，以期解決傳統(tǒng)水泥砂漿工程耐久性差、壽命短、易開裂、維修難等問題。

1 實 驗

1.1 原材料

(1)水泥：采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其基本物理性能指標如表1所示。

表1 水泥的物理性能Table 1 Physical properties of cement

(2)砂：表觀密度2 650 kg/m3，含泥量8.2%，細度模數(shù)2.87，屬中砂。

(3)橡膠粉：選用20目(0.83 mm)、50(0.27 mm)目兩種粒徑的橡膠粉,表觀密度分別為1 050 kg/m3、1 020 kg/m3，具體技術(shù)指標見表2。

表2 橡膠粉的技術(shù)指標Table 2 Technical indexes of rubber powder

(4)膨脹劑：選用UEA膨脹劑，總堿量0.3%，氯離子含量0.01%，含水率1.1%，28 d水中限制膨脹率0.05%，21 d空氣中限制膨脹率-0.012%。

(5)減水劑：選用聚羧酸高效減水劑，減水率25%。

1.2 試驗設(shè)計

單因素試驗：采用基準水泥砂漿，摻10%、20%、30%的20目、50目橡膠粉的水泥砂漿(其中橡膠粉等體積取代砂,下同)，摻4%、7%、10%的UEA膨脹劑的水泥砂漿(其中UEA膨脹劑等質(zhì)量取代水泥，下同)，灰砂比1∶3.65，水膠比0.54，減水劑用以調(diào)節(jié)砂漿流動度使其控制在130～190 mm。共設(shè)計10組配合比，其中CM為基準水泥砂漿，RM為單摻橡膠粉水泥砂漿(RM1為摻20目橡膠粉水泥砂漿，RM2為摻50目橡膠粉水泥砂漿)，EM為單摻膨脹劑水泥砂漿，具體配合比見表3。

表3 試驗配合比Table 3 Test mix proportion

正交試驗：在單因素試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，水膠比、灰砂比保持不變，采用15%、20%、25%的50目橡膠粉摻量的水泥砂漿(其中橡膠粉等體積取代砂)，2%、4%、6% UEA膨脹劑摻量的水泥砂漿(其中UEA膨脹劑等質(zhì)量取代水泥)，減水劑按膠凝材料質(zhì)量分數(shù)的1.5%、2.5%、3.5%摻入水泥砂漿，采用三因素三水平正交試驗。試驗具體方案見表4～表5。

表4 正交試驗因素與水平分布Table 4 Orthogonal experimental factors and horizontal distribution /%

表5 正交試驗設(shè)計方案Table 5 Orthogonal experiment design scheme

1.3 試驗方法

(1)流動度試驗：參照《水泥膠砂流動度測定方法》(GB/T 2419—2005)，主要用來確定試驗配合比，達到控制用水量的目的。

(2)強度試驗：參照《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)，試件尺寸40 mm×40 mm×160 mm，在溫度為(20±2) ℃，相對濕度為95%以上環(huán)境中養(yǎng)護至24 h拆模。拆模后置于標準養(yǎng)護箱中，保持相對濕度為98%以上，養(yǎng)護至規(guī)定齡期取出。

(3)自由收縮性能試驗：參照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T 70—2009)進行試件制作及養(yǎng)護過程，采用電子數(shù)顯游標卡尺測量試件長度，精確度為0.01 mm。養(yǎng)護3 d后拆模，測量其原始長度L0。將試件放入溫度(20±2) ℃，相對濕度(50±5)%的測試室內(nèi),到第7 d、14 d、21 d、28 d、56 d、90 d分別測量試件長度，即為自然干燥后的長度。自然干燥收縮率按式(1)進行計算：

(1)

式中：ε表示試件相應(yīng)天數(shù)時的自由收縮率；L0表示試件成型后3 d拆模的初始長度，mm；Lt表示試件相應(yīng)td時的實測長度，mm；Lb表示試件的原始標距，本實驗中為140 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 單摻橡膠粉試驗

自由收縮率是衡量材料收縮性能的一個重要指標。單摻20目、50目橡膠粉的砂漿試件各齡期自由收縮率的測量結(jié)果如表6所示。由表6可以看出，當橡膠粉摻量為0%、10%、20%、30%時的20目、50目橡膠粉28 d收縮率占90 d收縮率的百分比分別是67.5%、66.6%、70.4%、60.5%、67.5%、71.3%、64.8%、62.6%，56 d收縮率占90 d 的百分比分別為81.9%、82.0%、86.7%、90.0%、81.3%、89.4%、92.1%、82.1%，由此可看出，橡膠水泥砂漿的收縮在56 d后發(fā)展緩慢且基本趨于飽和。相同橡膠粉摻量，砂漿自由收縮率隨著橡膠粉粒徑減小而減少，可知在同摻量下，橡膠粉粒徑越小抑制砂漿收縮性能越好。但在28 d和56 d齡期時10%摻量水泥砂漿出現(xiàn)了相反規(guī)律，可能是由于試驗誤差所致。當橡膠粉摻量相同時，不同目數(shù)的橡膠粉減少收縮作用程度不同，其中50目橡膠粉在摻量20%時可以顯著降低砂漿收縮。摻入20%的50目橡膠粉和30%的20目橡膠粉時，二者對砂漿收縮率的影響基本相同。

表6 單摻橡膠粉的砂漿不同齡期的收縮率測定結(jié)果Table 6 Shrinkage rate test results of mortar with single mixed rubber powder at different ages

單摻20目、50目橡膠粉對砂漿各齡期自由收縮率影響規(guī)律如圖1、圖2所示。由圖1、圖2可以看出，與基準砂漿相比，摻入20目、50目橡膠粉均降低了砂漿的自由收縮率，改善了收縮性能。相同粒徑，砂漿的自由收縮率均呈現(xiàn)隨橡膠粉摻量增加而逐漸減小、隨齡期增長而逐漸減緩的規(guī)律?？芍邠搅肯鹉z粉抑制砂漿收縮性能較好。不同粒徑的橡膠粉在不同齡期內(nèi)呈現(xiàn)不同的規(guī)律。20目橡膠粉摻量為10%、20%時，其自由收縮率隨齡期變化趨勢與基準砂漿基本一致。摻橡膠與未摻橡膠的砂漿早期自由收縮率大小相當，甚至略有增大，早期收縮率增加較快，14 d齡期后，橡膠粉抑制收縮的作用增強。各摻量的50目橡膠粉在14 d前對收縮率的影響并無顯著差別，14 d后摻量為10%的橡膠粉水泥砂漿試件的收縮率增加較快，但仍略低于基準砂漿；摻量為20%與30%的橡膠粉對收縮率的影響程度相當，其收縮率值均顯著低于10%摻量的試件。

圖1 20目橡膠粉對砂漿各齡期自由收縮率的影響Fig.1 Effect of 20 mesh rubber powder on free shrinkage rate of mortar at different ages

圖2 50目橡膠粉對砂漿各齡期自由收縮率的影響Fig.2 Effect of 50 mesh rubber powder on free shrinkage rate of mortar at different ages

2.2 單摻膨脹劑試驗

單摻UEA膨脹劑時，測得砂漿在干燥條件下各齡期自由收縮率如表7所示。從表中可以看出，UEA膨脹劑摻量為4%時，7 d、14 d、21 d、28 d、56 d、90 d水泥砂漿收縮率比基準砂漿收縮率分別降低了21.2%、27.0%、14.8%、12.5%、7.4%、10.8%。隨著齡期的增加，UEA膨脹劑對試件收縮率的影響逐漸減弱。

表7 單摻UEA膨脹劑的砂漿不同齡期收縮率測定結(jié)果Table 7 Shrinkage rate test results of mortar with single mixed UEA expansion agent at different ages

單摻UEA膨脹劑水泥砂漿各齡期自由收縮率變化規(guī)律如圖3所示。由圖3可看出，不同摻量的膨脹劑對砂漿自由收縮率均隨齡期增長而減緩。4%摻量的水泥砂漿收縮率明顯低于基準砂漿收縮率，7%和10%摻量的水泥砂漿中后期收縮率不僅沒有降低，反而增大。這表明，膨脹劑補償收縮作用的發(fā)揮存在一個最佳的摻量(本實驗為4%)且高于最佳摻量時會加大自由收縮率。

圖3 不同摻量的膨脹劑對砂漿各齡期自由收縮率的影響Fig.3 Effect of expansion agent with different dosages on free shrinkage rate of mortar at different ages

圖4 橡膠粉摻量對砂漿各齡期自由收縮率影響Fig.4 Effect of rubber powder content on free shrinkage rate of mortar at different ages

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因有兩個：一方面是受膨脹劑摻量對孔隙率的影響，膨脹劑摻量在0%～10%變化時，孔隙率先降低后增大，6%摻量時孔隙率最小，膨脹效能最佳[13]。另一方面在于，試件未經(jīng)水養(yǎng)且置于干燥環(huán)境。膨脹劑參與水化反應(yīng)生成的鈣礬石分子中含有32個結(jié)晶水。4%摻量的試件水化所需的水分可以得到充分補充，其膨脹性能得以發(fā)揮，產(chǎn)生的膨脹可抵消干燥環(huán)境下的部分收縮；而7%和10%的膨脹劑水化前期水分補充不足，置于干燥環(huán)境后，主要吸收毛細孔的水分進行水化反應(yīng)，膨脹劑效用不能有效發(fā)揮導致材料內(nèi)部孔隙無法被有效填充，毛細孔內(nèi)水分蒸發(fā)加快，干燥收縮加大。

2.3 正交試驗

正交試驗各指標試驗結(jié)果見表8。由表8可以看出，水膠比一定時，新拌砂漿的流動度隨橡膠粉摻量的增加而減小。膨脹劑摻量在2%～6%之間時，4%摻量的砂漿流動性最佳，2%摻量次之。

表8 正交試驗測定結(jié)果Table 8 Results of orthogonal test

根據(jù)試驗結(jié)果，用極差法進行計算分析，得到各因素對其影響程度與優(yōu)化組合，其中Kij表示第j列對應(yīng)水平i的試驗指標測定結(jié)果之和；Sij表示各列平均指標，即Sij=Kij/3；Rj表示平均指標極差，即Rj=Sij(max)-Sij(min)。強度、壓折比、流動度、極差分析結(jié)果見表9，收縮率的極差分析見表10。由表9分析可知，各因素對28 d抗壓強度影響的主次關(guān)系為A>C>B，即橡膠粉摻量影響最大，減水劑摻量次之，膨脹劑摻量影響最??；優(yōu)化組合為A1-C3-B3，即橡膠粉摻量為15%、減水劑摻量為3.5%、膨脹劑摻量為6%時可獲得最佳28 d抗壓強度。各因素對28 d抗折強度影響的主次關(guān)系為A>B>C，即橡膠粉摻量影響最大，膨脹劑摻量次之，減水劑摻量影響最?。粌?yōu)化組合為A1-B1-C2，即橡膠粉摻量為15%、膨脹劑摻量為2%、減水劑摻量為2.5%時，砂漿抗折性能最佳。

表9 正交試驗極差分析Table 9 Range analysis of orthogonal test

壓折比是反應(yīng)砂漿韌性的一個重要指標，壓折比越小表征砂漿韌性越好，發(fā)生脆斷的可能性越小。由表8可看出，隨橡膠粉和膨脹劑摻量的增加，壓折比有所增加，但其值均在1.69～1.99范圍內(nèi)浮動。出現(xiàn)這種現(xiàn)象原因可能是膨脹劑提高了部分抗壓強度，而抗折強度并未增長。各因素對28 d壓折比影響無顯著差別，且壓折比均小于3，表明摻入50目橡膠粉的砂漿滿足抗裂要求，橡膠粉的摻入提高了砂漿韌性。

由表10可知，在整個收縮齡期內(nèi)，橡膠粉摻量對砂漿自由收縮性能的影響最為顯著。14 d、21 d、28 d中，影響砂漿自由收縮的主次關(guān)系是：橡膠粉摻量>UEA摻量>減水劑摻量，在7 d及56～90 d齡期，主次關(guān)系為：橡膠粉摻量>減水劑摻量>UEA摻量。在28 d齡期前，橡膠粉摻量對自由收縮率影響逐漸減弱而膨脹劑摻量對自由收縮率影響卻逐漸增強，說明橡膠粉和膨脹劑復摻時能夠形成互補作用，膨脹劑補償橡膠砂漿收縮作用的發(fā)揮有一定促進作用。

表10 正交試驗砂漿各齡期收縮率的極差R值Table 10 Range R value of shrinkage rate of orthogonal test mortar at different ages

表11～表13分別為不同橡膠粉摻量、UEA摻量、減水劑摻量下，不同齡期砂漿試樣的自由收縮率均值。圖4～圖6分別為不同橡膠粉摻量、UEA摻量、減水劑摻量自由收縮率均值的影響規(guī)律。由表11、圖4可看出，自由收縮率在7～14 d齡期前增加較快，14 d齡期后增幅減緩，各水平摻量自由收縮率大小順序為15%橡膠粉摻量>20%橡膠粉摻量>25%橡膠粉摻量。自由收縮率隨橡膠粉摻量增加而減小，隨齡期的增長而減緩；15%與20%橡膠粉摻量對自由收縮率影響基本相同，25%摻量的橡膠粉在減小砂漿自由收縮的作用優(yōu)于其他摻量。

圖5 UEA摻量對砂漿各齡期自由收縮率影響Fig.5 Effect of UEA content on free shrinkage rate of mortar at different ages

圖6 減水劑摻量對砂漿各齡期自由收縮率影響Fig.6 Effect of water reducing agent content on free shrinkage rate of mortar at different ages

表11 橡膠粉摻量因素下不同齡期砂漿試樣的收縮率均值Table 11 Mean values of shrinkage rate of mortar samples at different ages under the factor of rubber powder content

表12 UEA摻量因素下不同齡期砂漿試樣的收縮率均值Table 12 Mean values of shrinkage rate of mortar samples at different ages under the factor of UEA content

表13 減水劑摻量因素下不同齡期砂漿試樣的收縮率均值Table 13 Mean values of shrinkage rate of mortar samples at different ages under the factor of water reducing agent content

由表12、圖5可看出，7～14 d收縮齡期內(nèi)，各UEA摻量對自由收縮率影響程度基本相同且增幅較大；14～28 d收縮齡期內(nèi)，4%UEA摻量對降低自由收縮率效果較好且21 d齡期達到最佳；28 d齡期后，自由收縮率在UEA摻量為2%時最低，發(fā)展較其他摻量下緩慢，說明橡膠粉與UEA膨脹劑復摻時，橡膠粉的摻入對膨脹劑的膨脹效能有促進作用，在本實驗中，可把單摻UEA膨脹劑的最佳摻量由4%降低到復摻時2%，使較低摻量時的UEA膨脹劑在與橡膠粉的相互作用下得到單摻較高摻量時的效果。

由表13、圖6可看出，減水劑在1.5%～3.5%范圍內(nèi)變動時，各摻量下自由收縮率增幅逐漸減緩且收縮率均值之間差值很小，表明減水劑摻量對自由收縮率影響無顯著差別。

橡膠粉達到一定摻量后，可吸附大量水分填充在毛細孔中，最大量地保留毛細孔中的水分以滿足膨脹劑參與水泥水化反應(yīng)所需水分，延長自然干燥條件下膨脹劑的膨脹效能，使其適度緩慢發(fā)展，膠粉和膨脹劑復摻提高了膨脹劑膨脹效能發(fā)揮的能力，使小摻量的膨脹劑獲得最佳膨脹效能點，可使膨脹劑在補償自然干燥條件下的后期收縮中有一定促進作用。

3 結(jié) 論

(1)與基準砂漿相比，單摻橡膠集料時，橡膠集料水泥砂漿自由收縮率隨橡膠粉粒徑減小而降低，隨摻量增加而減小。單摻UEA膨脹劑時，膨脹劑補償收縮作用的發(fā)揮存在一個最佳摻量，高于這個摻量甚至會加大砂漿的自由收縮率。30%摻量50目橡膠粉水泥砂漿、4%UEA膨脹劑摻量水泥砂漿的自由收縮率均顯著低于其他摻量的水泥砂漿。

(2)采用高摻量橡膠粉與UEA膨脹劑復摻時，復摻膠粉和膨脹劑組成水泥砂漿時，不同齡期各材料組分對復合水泥砂漿自由收縮率的影響程度不同。28 d齡期后膨脹劑摻量為2%的試件自由收縮率最低，且摻量在2%～6%范圍內(nèi)變化時，隨摻量的增加自由收縮率有所增長。

(3)橡膠粉是導致水泥砂漿強度降低的主導因素。復摻50目橡膠粉和UEA膨脹劑時，壓折比均小于3且在1.66～1.99小范圍內(nèi)浮動變化，說明高摻量橡膠集料水泥砂漿的韌性較好。但隨橡膠粉摻量增加，其流動度降低。

(4)橡膠粉和UEA膨脹劑復摻時能夠形成互補作用，橡膠粉能夠使膨脹劑在補償砂漿后期收縮中有一定促進作用，高摻量的橡膠粉摻入能夠提高膨脹劑的最佳膨脹性能點，使較低摻量膨脹劑在橡膠粉作用下獲得較高摻量時的膨脹效能，能夠減少膨脹劑的用量和造價，這對我國西北干旱地區(qū)道面及公共設(shè)施等工程中小摻量膨脹劑的應(yīng)用具有借鑒意義，為橡膠粉和膨脹劑的復摻使用提供理論依據(jù)。