改性劑對(duì)橡膠改性混凝土力學(xué)性能的影響

劉小村，譚旭翔

山東交通學(xué)院交通土建工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250357

0 引言

混凝土是世界上使用最廣泛的建筑材料，原料豐富，價(jià)格低廉，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，但容易污染和破壞自然環(huán)境。對(duì)混凝土材料摻雜改性，可減少混凝土的用量，改善混凝土材料的使用性能[1-4]。20世紀(jì)90年代，Eldin等[5]將橡膠顆粒摻入混凝土，制備的橡膠改性混凝土的韌性大幅提高，為廢舊橡膠的再利用提供了新思路，有利于改善混凝土材料的性能。與普通混凝土相比，橡膠改性混凝土密度低，韌性高，抗沖擊，抗凍融、降噪、隔熱等性能良好[6-11]。橡膠材料的彈性模量較低，橡膠與混凝土界面結(jié)合強(qiáng)度較弱，因此橡膠改性混凝土的抗壓強(qiáng)度比普通混凝土低[12-17]。采用紫外線對(duì)橡膠顆粒進(jìn)行預(yù)處理可改善橡膠與混凝土間界面的黏結(jié)性[18]。采用NaOH溶液浸泡的方式對(duì)橡膠進(jìn)行預(yù)處理，所制備的橡膠改性混凝土的力學(xué)性能相對(duì)較好[19-22]。Rivas-Vázqvez等[23]采用乙醇、甲醇、丙酮預(yù)處理橡膠表面，改善了界面膠粉與混凝土膏體的黏結(jié)強(qiáng)度。對(duì)橡膠顆粒的改性有利于改善混凝土與橡膠的結(jié)合界面，提高混凝土與橡膠顆粒的結(jié)合能力。本文采用NaOH、CaCl2、KH-550 3種改性劑分別改性廢舊橡膠，并通過試驗(yàn)分析采用不同改性劑對(duì)橡膠顆粒表面狀態(tài)的影響，測(cè)試橡膠改性混凝土的力學(xué)性能，分析不同改性劑對(duì)橡膠改性混凝土力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

采用P·O 42.5型普通硅酸鹽水泥；水為普通自來水；細(xì)骨料為普通河砂，細(xì)度模數(shù)為2.82，最大粒徑為5 mm，級(jí)配合格，表觀密度為2531 kg/m3；粗骨料為普通碎石，粒徑為5～25 mm，連續(xù)級(jí)配，表觀密度為2701 kg/m3，堆積密度為1516 kg/m3；廢舊橡膠選用顆粒粒徑為1～3 mm的車用輪胎膠粉；NaOH、CaCl2均為分析純化學(xué)試劑；KH-550為硅烷偶聯(lián)劑。

1.2 橡膠顆粒處理

選取堿處理、鹽處理及硅烷偶聯(lián)劑處理3種方式對(duì)橡膠顆粒進(jìn)行改性，采用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的改性劑NaOH、CaCl2、KH-550溶液對(duì)橡膠顆粒進(jìn)行處理。

1)將NaOH溶于水，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%、20%、30%的NaOH溶液，將橡膠顆粒浸泡在2倍自身體積的NaOH溶液中24 h后，用清水沖洗橡膠顆粒，直至清洗后的殘留液pH值約為7，將橡膠顆粒自然晾干，所制備樣品分別標(biāo)記為NA-1、NA-2、NA-3。

2) 將CaCl2溶于水，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、10%、15%的CaCl2溶液，將橡膠顆粒浸泡在2倍自身體積的CaCl2溶液中24 h后，濾出橡膠顆粒自然晾干，所制備樣品分別標(biāo)記為CA-1、CA-2、CA-3。

3)將KH-550溶于工業(yè)乙醇(體積分?jǐn)?shù)為95%)，配制體積分?jǐn)?shù)為1.0%、1.5%、2.0%的KH-550硅烷偶聯(lián)劑乙醇溶液，將橡膠顆粒浸泡在2倍自身體積的KH-550溶液中24 h后，濾出橡膠顆粒自然晾干，所制備樣品分別標(biāo)記為KH-1、KH-2、KH-3。

1.3 配合比設(shè)計(jì)

采用強(qiáng)度等級(jí)為C35的基準(zhǔn)混凝土進(jìn)行改性橡膠混凝土的配合比設(shè)計(jì)，基準(zhǔn)混凝土配合比中硅酸鹽水泥、自來水、河砂、碎石的質(zhì)量比為0.45∶1.00∶1.13∶2.45。保持水泥、水和碎石的質(zhì)量不變，將3種改性劑處理后的橡膠顆粒等體積取代10%的河砂，制備橡膠改性混凝土。

1.4 性能測(cè)定

以未改性橡膠混凝土的力學(xué)性能為參考，按文獻(xiàn)[24]的要求測(cè)試計(jì)算采用不同改性劑時(shí)橡膠改性混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。

橡膠顆粒表面對(duì)氣體具有一定的吸附性，采用氣體比表面積測(cè)試法(又稱為BET測(cè)試)[25]，根據(jù)多分子層吸附公式，即BET方程，測(cè)量顆粒表面的吸附性能，根據(jù)氣體吸脫附量差異，分析不同改性劑對(duì)橡膠顆粒表面狀態(tài)的影響。為客觀評(píng)價(jià)不同改性方式對(duì)橡膠改性混凝土氣體體積分?jǐn)?shù)的影響，要求摻入混凝土的橡膠顆粒質(zhì)量相同，顆粒粒徑相同，采用同一測(cè)量設(shè)備測(cè)試，每次測(cè)量前進(jìn)行氣體體積分?jǐn)?shù)為0的標(biāo)定及氣體體積分?jǐn)?shù)為1%～10%的標(biāo)定。混凝土拌和物氣體體積分?jǐn)?shù)為2次氣體體積分?jǐn)?shù)測(cè)定的平均值與骨料氣體體積分?jǐn)?shù)之差。本文中橡膠顆粒對(duì)混凝土氣體體積分?jǐn)?shù)的影響僅考慮橡膠顆粒對(duì)氣體的吸附與脫附因素。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 不同改性橡膠顆粒的微觀表征及分析

觀察前，對(duì)NA-1、CA-1、KH-1樣品進(jìn)行噴金處理，減少電荷積聚。采用蔡司Sigma 500掃描電子顯微鏡觀察3種樣品，結(jié)果如圖1所示。

a)NA-1 b)CA-1 c)KH-1圖1 3種樣品的掃描電子顯微鏡照片

由圖1可知，不同的改性劑對(duì)橡膠表面形貌有較大影響。由圖1a)可知：NaOH溶液腐蝕了部分橡膠顆粒，橡膠表面開始出現(xiàn)一定的孔洞。由圖1b)可知：CaCl2溶液處理的橡膠顆粒表面較為平坦，基本沒有腐蝕跡象。由圖1c)可知：KH-550溶液處理的橡膠顆粒表面出現(xiàn)部分包裹層。不同改性劑處理得到的橡膠顆粒形貌存在差異，必然影響橡膠顆粒的氣體吸附性能和橡膠改性混凝土的力學(xué)性能。

2.2 BET測(cè)試及氣體體積分?jǐn)?shù)分析

橡膠顆粒的改性方式不同，橡膠顆粒表面吸附氣體的作用機(jī)制必然不同。通過BET測(cè)試試驗(yàn)分析不同改性劑處理后的橡膠顆粒吸附氣體的體積分?jǐn)?shù)，結(jié)果如圖2所示，圖中橫坐標(biāo)P/P0為相對(duì)壓力，P為氮?dú)夥謮?，P0為氮?dú)怙柡驼羝麎骸?/p>

a) NaOH b) CaCl2 c) KH-550圖2 不同改性方式后的橡膠顆粒表面的氣體吸附性能曲線

由圖2可知：KH-550溶液處理后橡膠顆粒表面吸附氣體的體積分?jǐn)?shù)最大，NaOH溶液處理后橡膠顆粒表面吸附氣體的體積分?jǐn)?shù)較小，CaCl2溶液處理后橡膠顆粒表面吸附氣體的體積分?jǐn)?shù)最小。橡膠顆粒吸附氣體的體積分?jǐn)?shù)與橡膠表面積有關(guān)：NaOH溶液處理后的橡膠顆粒表面發(fā)生腐蝕，大量橡膠顆粒裸露，增大了氣體吸附體積分?jǐn)?shù)；KH-550溶液處理的橡膠顆粒表面覆蓋了少量的硅烷偶聯(lián)劑，增大了表面極性基團(tuán)數(shù)量，橡膠材料的氣體吸附性較高；CaCl2溶液處理后的樣品表面既沒有增大表面積，也沒有表面非極性基數(shù)量的變化，其吸附氣體的體積分?jǐn)?shù)最小。圖2結(jié)果與圖1橡膠顆粒表面形貌基本一致。圖2b)中，隨CaCl2溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，結(jié)晶體析出增多，橡膠顆粒表面吸附氣體的體積分?jǐn)?shù)隨CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而逐漸降低。

2.3 橡膠改性混凝土力學(xué)性能分析

與未添加橡膠的混凝土相比，采用不同改性劑后的橡膠改性混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度均有所變化，強(qiáng)度變化率

Eσ=(σi-σ0)/σ0×100%，

式中：σ0為未添加橡膠的混凝土的28 d抗壓或抗彎強(qiáng)度，σi為采用不同改性劑后橡膠改性混凝土28 d抗壓或抗彎強(qiáng)度。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 采用不同改性劑后橡膠改性混凝土的28 d抗壓和抗彎強(qiáng)度變化率%

由表1可知，不同改性劑處理后橡膠改性混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度變化較大。NaOH改性橡膠制備的樣品中，NA-2改性混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度增大，但NA-1和NA-3改性混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度略下降，說明堿性改性劑在一定范圍內(nèi)可較好地改善橡膠混凝土的抗壓性能，但超出此范圍，改性橡膠的抗壓性能略有下降。原因是OH-物質(zhì)的量濃度較低時(shí)，堿性改性劑不足以清除足夠多的硬脂酸鋅，橡膠與無機(jī)物間的結(jié)合空間不足，28 d抗壓強(qiáng)度降低；OH-物質(zhì)的量濃度過高時(shí)，橡膠顆粒表面腐蝕嚴(yán)重，橡膠顆粒表面積增大，表面能增大，混凝土氣體體積分?jǐn)?shù)增多，抗壓性能略微降低。CA-1與CA-3兩種鹽改性橡膠混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度均有所下降，CA-2改性混凝土后的28 d抗壓強(qiáng)度提升幅度不大，說明鹽改性橡膠對(duì)橡膠改性混凝土的抗壓性能影響不大，且容易出現(xiàn)消極影響。原因是鹽改性橡膠后，橡膠顆粒表面光滑且存在鹽結(jié)晶體，CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，鹽改性劑的早強(qiáng)作用將部分氣體封閉于結(jié)晶體內(nèi)，橡膠改性混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度下降；CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高時(shí)，鹽晶體覆蓋在橡膠顆粒表面，橡膠與混凝土接觸面積減小，橡膠改性混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度降低。經(jīng)過KH-550處理的橡膠改性混凝土28 d抗壓強(qiáng)度均有所增強(qiáng)，KH-2改性混凝土的抗壓性能最佳?？梢?，經(jīng)過KH-550處理的橡膠表面極性基團(tuán)與水泥等無機(jī)材料結(jié)合較好，抗壓性能提升。

由表1可知：橡膠改性混凝土材料的抗彎強(qiáng)度均有所提升。KH-550改性橡膠制備的橡膠改性混凝土抗彎性能較好，遠(yuǎn)優(yōu)于其他處理方式，原因是KH-550溶液處理后未改變橡膠本身的性質(zhì)，橡膠與混凝土材料間的結(jié)合力增強(qiáng)。NaOH改性橡膠制備的改性混凝土中，堿腐蝕不嚴(yán)重時(shí)，橡膠顆粒的彈性保持不變；當(dāng)堿腐蝕過強(qiáng)時(shí)，較多氣體被封閉在橡膠改性混凝土內(nèi)部，形成氣墊效應(yīng)，提高了混凝土的抗彎性能。CaCl2改性橡膠制備的改性混凝土抗彎強(qiáng)度有所提升，主要源于CaCl2的早強(qiáng)作用促進(jìn)了橡膠顆粒表面較早地生成了晶體，提高了橡膠顆粒的分散性。

3 結(jié)論

1)NaOH、CaCl2、KH-550溶液處理后的廢舊橡膠顆粒表面形貌存在較大差異。NaOH溶液處理后的橡膠顆粒表面存在一定腐蝕且表面積增大，而CaCl2溶液處理的橡膠顆粒表面平整，KH-550溶液處理后的橡膠顆料表面覆蓋了大量極性基團(tuán)。

2)不同改性劑處理的橡膠顆粒表面氣體吸附能力不同。NaOH溶液處理的橡膠顆粒吸附氣體的體積分?jǐn)?shù)主要取決于橡膠顆粒表面暴露程度，KH-550溶液處理的橡膠吸附能力與KH-550體積分?jǐn)?shù)有關(guān)。與KH-550溶液處理的橡膠相比，NaOH溶液處理的橡膠顆粒氣體吸附量相對(duì)較小。

3)不同橡膠改性混凝土的力學(xué)性能受改性橡膠顆粒表面吸附氣體的體積分?jǐn)?shù)、橡膠改性劑等綜合影響。改性橡膠顆粒的表面形態(tài)對(duì)橡膠改性混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生一定影響，尤其是NaOH或KH-550等與橡膠能夠結(jié)合的改性劑。KH-550改性橡膠制備的改性混凝土具有較好的抗壓和抗彎性能，而一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaOH溶液改性橡膠制備的改性混凝土的力學(xué)性能也有一定提升。