談硅烷偶聯(lián)劑對橡膠透水混凝土強(qiáng)度提升效果★

陳永鋒 袁松年 任雋豐 耿德華 陸志紅 沈亞芳

(1.江蘇先達(dá)建設(shè)集團(tuán)有限公司，江蘇 常州 213016；2.常州市市政工程管理中心，江蘇 常州 213016； 3.東南大學(xué)，江蘇 南京 210096)

1 研究背景

目前廢舊橡膠的處理成為了全世界的一大難題，較低的廢舊輪胎橡膠回收利用率也導(dǎo)致了巨大的資源浪費(fèi)[1]。因而橡膠混凝土這一材料一直是研究的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)，廢舊輪胎通過粉碎可以制成橡膠顆粒，然后將其摻入水泥混凝土中，這樣可以提高水泥混凝土的耐久性能和使用性能。另一方面，使用透水混凝土具有不錯的環(huán)境效益，可以一定程度上緩解城市的熱島效應(yīng)、水侵蝕與水質(zhì)惡化等環(huán)境問題。橡膠透水混凝土(Rubberized Pervious Concrete,RPC)材料兼具了橡膠混凝土和透水混凝土的優(yōu)點(diǎn)，一方面能夠滿足透水、透氣的使用要求，另一方面通過回收利用廢舊橡膠，減少了橡膠產(chǎn)生的污染，并且通過橡膠對水泥混凝土進(jìn)行改性，提高了材料的韌性，使其變成一種半柔性材料，因此橡膠透水混凝土是一種具有較大發(fā)展?jié)摿Φ沫h(huán)境友好型材料。

橡膠透水混凝土的最大缺陷在于其強(qiáng)度不足，原因有以下幾點(diǎn)：

1)透水混凝土采用單一級配設(shè)計，形成骨架孔隙結(jié)構(gòu)，本身強(qiáng)度相對較低，需要通過加入一定量的硅灰、乳膠或玄武巖纖維等增強(qiáng)劑提高材料整體強(qiáng)度。

2)在加入了柔性較強(qiáng)，強(qiáng)度較低的廢舊輪胎橡膠顆粒后，材料的強(qiáng)度大大下降，Mehmet Gesoglu和Erhan Gueneyisi等[2]的研究表明，橡膠的使用可以明顯降低透水混凝土的抗壓強(qiáng)度，強(qiáng)度的降低率與橡膠摻量有關(guān)，在摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的橡膠顆粒時，強(qiáng)度僅有6.45 MPa，相應(yīng)的劈裂抗拉強(qiáng)度也僅有0.7 MPa，降幅均超過了60%。

基于上述研究現(xiàn)狀，本課題主要進(jìn)行了硅烷偶聯(lián)劑對橡膠透水混凝土強(qiáng)度的提升效果研究，通過使用不同劑量的、不同型號的硅烷偶聯(lián)劑對廢舊橡膠顆粒進(jìn)行改性處理，對橡膠透水混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度和立方體劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測試。

2 硅烷偶聯(lián)劑改性效果理論分析

硅烷偶聯(lián)劑是目前品種最多、應(yīng)用最廣的一種偶聯(lián)劑[3]。其化學(xué)式通式為Y-R-SiX3，其中,Y是能夠和有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)的非水解有機(jī)基團(tuán)，主要包括乙烯基和環(huán)氧基等；X是結(jié)合在硅原子上的特性基團(tuán)，通過水解作用，Si-X結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為Si-OH結(jié)構(gòu)，從而與無機(jī)物結(jié)合起來。R結(jié)構(gòu)為脂肪族碳鏈。由于其結(jié)構(gòu)中同時具有能與無機(jī)質(zhì)材料和有機(jī)質(zhì)材料反應(yīng)的基團(tuán)，因此硅烷偶聯(lián)劑被廣泛應(yīng)用于表面處理，圖1展示了硅烷偶聯(lián)劑的作用機(jī)理。

本文根據(jù)以上研究結(jié)果，選擇使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%,1.5%,2%的硅烷偶聯(lián)劑KH550和KH560進(jìn)行試驗(yàn)，硅烷偶聯(lián)劑對橡膠透水混凝土的改性效果。

3 試驗(yàn)

3.1 原材料

1)水泥：本實(shí)驗(yàn)采用的是P.Ⅱ42.5硅酸鹽水泥(上海舜安牌)，水泥的強(qiáng)度不小于42.5 MPa(28 d)。

2)水源：實(shí)驗(yàn)室一般自來水。

3)粗集料：本次實(shí)驗(yàn)選用單一級配碎石，其篩孔直徑范圍是5 mm～10 mm(南京產(chǎn))。

4)廢舊輪胎橡膠顆粒：本實(shí)驗(yàn)采用粒徑范圍是3 mm～6 mm的廢舊橡膠顆粒(廢舊輪胎破碎機(jī)破碎制成)。

5)硅灰(硅粉)：本實(shí)驗(yàn)選用常用的普通硅灰，其化學(xué)成分主要是非晶態(tài)的無定型氧化硅，具有的抗?jié)B性能可提高橡膠透水混凝土的強(qiáng)度。

6)乳膠：本實(shí)驗(yàn)選用常用的普通乳膠，與透水混凝土結(jié)合使用可提高其粘結(jié)強(qiáng)度及柔韌性。

7)玄武巖纖維：本實(shí)驗(yàn)選用的這種無機(jī)纖維材料，以純天然火山巖作為原料，在1 450 ℃～1 500 ℃高溫熔融條件下，結(jié)合鉑銠合金經(jīng)快速拉制形成纖維。此種材料因其具有較高的彈性模量和較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度而能有效地提升橡膠透水混凝土的力學(xué)性能。

8)減水劑：JM-A高效減水劑。

3.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果，選定試驗(yàn)變量為硅烷偶聯(lián)劑用量(1.0%,1.5%和2.0%)和硅烷偶聯(lián)劑種類(KH550和KH560)。各組采用相同的配合比，橡膠顆粒摻量占集料總質(zhì)量的20%，配合比中各項組分的用量如表1所示。

表1 設(shè)計配合比

硅烷偶聯(lián)劑是一種無色無味液體，溶于水，因此采用水溶液的方式對各組橡膠顆粒進(jìn)行處理，處理方式如下：將橡膠顆粒攤鋪于金屬盤中，先加入少量水使其表面濕潤，隨后加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為橡膠顆粒的1%～2%的硅烷偶聯(lián)劑，加入適量水分使其充分溶解，保證橡膠顆粒與溶液充分接觸，靜置直到水分完全蒸發(fā)，各組的處理方式和硅烷偶聯(lián)劑用量見表2。

表2 各組的處理方式和硅烷偶聯(lián)劑用量

3.3 試驗(yàn)方法

試件規(guī)格采用以100 mm為邊長的立方體，采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)的齡期以進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，其中抗壓強(qiáng)度以7 d和28 d為齡期，立方體劈裂抗拉強(qiáng)度以28 d為齡期。其制作、成型及養(yǎng)護(hù)依JTG E30—2005公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程[5]進(jìn)行。每組采用3個試件進(jìn)行測試，以均值為測定值。若存在一個測值與中值的差超其15%，則以中值為測定值；若兩個測值與中值的差均超其15%，則結(jié)果作廢。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

拆模后的試件養(yǎng)護(hù)達(dá)7 d或28 d齡期時取出進(jìn)行相應(yīng)強(qiáng)度試驗(yàn)，7 d的立方體抗壓強(qiáng)度、28 d的立方體抗壓強(qiáng)度以及28 d的立方體劈裂強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 各組的抗壓強(qiáng)度列表

4.2 硅烷偶聯(lián)劑改性效果分析

KH560，KH550測試結(jié)果見圖2，圖3。

由圖2可知，在其他條件不變的情況下，KH560的使用顯著的提升了橡膠透水混凝土的28 d立方體抗壓強(qiáng)度，最大值出現(xiàn)在第3組，即摻量為1.5%的組，強(qiáng)度增幅超過了50%；KH560的摻入對7 d立方體抗壓強(qiáng)度有一定提升效果，但幅度不大，而且摻量變化對提升幅度影響較?。欢鳮H560對立方體劈裂抗折強(qiáng)度的提升效果較不明顯，提升幅度不大；由圖3可知，KH550對橡膠顆粒也有一定的改性效果，各項測試結(jié)果最高值均出現(xiàn)在第7組，即摻量為2%的組，28 d立方體抗壓強(qiáng)度提升幅度接近40%，對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也有較好的改善效果，與KH560類似，KH550對橡膠透水混凝土的7 d立方體抗壓強(qiáng)度和28 d立方體劈裂抗拉強(qiáng)度提升不大。

對以上試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析如下：

1)KH550的分子式為H2NCH2CH2CH2Si(OC2H5)3，中文名為3-氨基丙基三乙氧基硅烷，是一種氨基官能團(tuán)硅烷；KH560的分子式為CH2CHCH2O(CH2)3Si(OCH3)3，中文名為γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，是一種環(huán)氧官能團(tuán)硅烷。環(huán)氧官能團(tuán)與橡膠顆粒的結(jié)合能力更強(qiáng)，因此KH560的改性效果優(yōu)于KH550。

2)隨著水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，硅烷偶聯(lián)劑在橡膠透水混凝土中形成了更多連接鍵，即橡膠顆粒與水泥漿體的結(jié)合能力是逐步提升的，因此7 d的立方體抗壓強(qiáng)度提升幅度較小，而在28 d時，隨著兩者的粘結(jié)基本完成，材料的強(qiáng)度有了較大幅度的提升。

3)硅烷偶聯(lián)劑對橡膠透水混凝土的28 d立方體劈裂抗拉強(qiáng)度的提升效果較小，原因分析如下[5]：橡膠顆粒因其具有一定的彈塑性性質(zhì)，其模量遠(yuǎn)小于水泥砂漿和集料，因此在劈裂荷載作用下，橡膠顆粒的形變量與周圍的水化產(chǎn)物不一致，在連接界面產(chǎn)生了較大的應(yīng)力，產(chǎn)生了大量的微裂縫，導(dǎo)致立方體劈裂抗拉強(qiáng)度提升幅度不大。

4)對比各組結(jié)果，試驗(yàn)組3，即采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的KH560硅烷偶聯(lián)劑有最好的改性效果，抗壓強(qiáng)度達(dá)到15 MPa，同時經(jīng)過試驗(yàn)測試，該組材料也滿足透水性要求，因此該組具有較好的路用價值，建議用在人行道、路肩、停車場等輕交通地區(qū)。

5 結(jié)語

硅烷偶聯(lián)劑作為一種能夠同時與有機(jī)物和無機(jī)物形成連接鍵的化合物，能夠有效的提高橡膠透水混凝土結(jié)構(gòu)中橡膠與水泥砂漿的粘結(jié)效果，試驗(yàn)中28 d立方體抗壓強(qiáng)度最多提升了接近60%，極大地改善了橡膠透水混凝土的強(qiáng)度性能，而由于硅烷偶聯(lián)劑對材料的透水性影響不大，使橡膠透水水泥混凝土的使用成為了可能，最終建議在橡膠透水混凝土中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的硅烷偶聯(lián)劑KH560對其進(jìn)行改性處理，推薦使用在人行道等輕交通地區(qū)。