橡胶颗粒品质对改性剂改性效果的影响研究

袁群，赵明，杜义超，冯凌云，李广辉

（1.河南省水利科学研究院，河南郑州 450003；2.郑州大学，河南郑州 450002；3.河南省水利工程安全技术重点试验室，河南郑州 450003；4.河南水利投资集团有限公司，河南郑州 450003）

橡胶颗粒品质对改性剂改性效果的影响研究

袁群1，3，赵明2，杜义超2，冯凌云1，3，李广辉4

（1.河南省水利科学研究院，河南郑州 450003；2.郑州大学，河南郑州 450002；3.河南省水利工程安全技术重点试验室，河南郑州 450003；4.河南水利投资集团有限公司，河南郑州 450003）

试验研究了废橡胶颗粒品质对橡胶混凝土抗压强度及对改性剂改性效果的影响。结果表明，未改性前，掺加外胎橡胶颗粒混凝土的抗压强度较低，而掺加内胎和杂制品橡胶颗粒混凝土的抗压强度较高；橡胶颗粒经NaOH溶液和KH570改性后，掺加外胎橡胶颗粒混凝土的抗压强度增幅较大，而掺加内胎和杂制品橡胶颗粒混凝土的抗压强度却大幅下降；对外胎橡胶颗粒而言，NaOH改性溶液的较优浓度为1%～20%，KH570的较优用量为0.5%～1.5%。

废橡胶颗粒品质；橡胶混凝土；抗压强度；改性效果

0　引言

橡胶混凝土是一种新型混凝土材料，与普通混凝土相比，具有较好的抗裂与耐久性能及较低的抗压强度[1]。为提高橡胶混凝土的抗压强度，需要对橡胶颗粒进行改性处理[2]，在橡胶颗粒的改性处理方式上，无机改性剂NaOH溶液和硅烷偶联剂KH550、KH560、KH570系列是研究者最常用的2种改性剂[3-6]。目前，生产橡胶颗粒的原材料来源比较复杂，有废旧汽车轮胎外胎、轮胎内胎及其它橡胶制品等。它们在组成成分、添加剂及生产工艺等各方面都有较大差别。在橡胶成分上，外胎的橡胶主要以天然橡胶、丁苯橡胶和顺丁橡胶为主要成分，内胎多由丁丙橡胶和丁基橡胶制成[7]。由于橡胶成分的不同，使得外胎橡胶颗粒具有很强的弹性、强度和良好的耐热、耐磨和绝缘性能；内胎橡胶颗粒的弹性、强度、粘着性较差，但其透气率低，气密性优异，其化学稳定性、电绝缘性也很好。杂制品橡胶颗粒，由于其原材料来源比较混杂，化学成分也较为复杂，使得它与轮胎橡胶颗粒在性能上有所差异。因而，用改性剂处理橡胶颗粒时，由于橡胶颗粒品质不同，其改性效果也会有所不同，对此问题需要深入研究。为此，针对废旧汽车轮胎外胎橡胶颗粒（以下简称外胎橡胶颗粒）、废旧汽车轮胎内胎橡胶颗粒（以下简称内胎橡胶颗粒）和杂制品橡胶颗粒，研究用这3种橡胶颗粒配制的橡胶混凝土和改性橡胶混凝土的抗压强度，以探明橡胶颗粒品质对混凝土性能及改性剂改性效果的影响。

1　试验

以C30普通混凝土为基准混凝土，用外胎橡胶颗粒、内胎橡胶颗粒及杂制品橡胶颗粒，单独分别以10%和15%掺量等体积取代砂配制橡胶混凝土，并用NaOH和KH570改性剂处理上述橡胶颗粒后，配制相应的改性橡胶混凝土，研究不同品质橡胶颗粒及不同品质改性橡胶颗粒对混凝土抗压强度的影响规律。

1.1试验材料

水泥：河南孟电集团生产的P·O42.5水泥；砂：河砂，细度模数2.65，表观密度2500 kg/m3；石：石灰岩碎石，5～20 mm连续级配，表观密度2732 kg/m3；废橡胶颗粒：外胎橡胶颗粒、内胎橡胶颗粒及杂制品橡胶颗粒均由河南新乡某橡胶厂生产，粒径为1～3 mm；NaOH溶液：天津市北辰方正试剂厂生产；KH570：南京品宁牌；水：农村井水。

1.2橡胶颗粒改性处理方法

（1）无处理：橡胶颗粒不经过任何处理，直接使用。

（2）NaOH改性处理：分别以浓度为1%、5%、10%、15%、20%、25%的NaOH溶液浸泡橡胶颗粒24 h后，用清水冲洗，室外自然晾干备用。

（3）KH570改性处理：分别取橡胶颗粒质量0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%的KH570，用适量的乙醇溶液稀释后充分润湿橡胶颗粒，晾干30 min备用。

1.3混凝土配合比

C30基准混凝土、橡胶混凝土及改性橡胶混凝土的设计配合比见表1。

表1　混凝土的配合比

1.4试件成型与养护

试件采用上述不同的橡胶颗粒、改性处理方式和掺量，制作标准立方体（150 mm×150 mm×150 mm）试件，每组3个，共219个试件。按照DL/T 5150—2001《水工混凝土试验规程》中混凝土的成型和养护方法进行试验试件的制备，并在试件28 d龄期时进行抗压强度测试。

2　试验结果与分析

2.1橡胶颗粒品质对混凝土抗压强度的影响分析

基准混凝土和10%、15%掺量橡胶混凝土的抗压强度见表2。

表2　基准混凝土和橡胶混凝土的抗压强度

由表2可见，未掺橡胶颗粒的基准混凝土抗压强度为30.9 MPa；橡胶颗粒掺量为10%时，掺加外胎、内胎和杂制品橡胶颗粒的混凝土抗压强度较基准混凝土分别降低8.1%、7.8%、3.2%；橡胶颗粒掺量为15%时，掺加外胎、内胎和杂制品橡胶颗粒的混凝土抗压强度较基准混凝土分别降低17.2%、11.3%、13.6%。显然，掺加外胎橡胶颗粒的混凝土抗压强度下降幅度较大，而掺加内胎和杂制品橡胶颗粒的混凝土抗压强度下降幅度则较小。

分析认为，橡胶颗粒属有机材料，与无机水泥石的粘结性能较差，是导致橡胶混凝土抗压强度降低的一个重要原因，而橡胶颗粒中含有的硬脂酸锌可以改善橡胶的硬化度[8]，品质较好的外胎橡胶颗粒的硬脂酸锌含量较大，内胎和杂制品次之。硬脂酸锌含量高，不利于橡胶颗粒与水泥石的粘结[9]，硬脂酸锌含量低，情况正相反；另外，外胎橡胶颗粒表面光滑无明显孔隙（见图1），与水泥石粘结较差，而杂制品橡胶颗粒表面多孔隙，与水泥石粘结较好。

图1　外胎橡胶颗粒与杂制品橡胶颗粒表观BSE图像

2.2橡胶颗粒品质对改性效果的影响分析

2.2.1NaOH溶液改性

经不同浓度NaOH溶液改性后，掺加外胎、内胎橡胶颗粒的混凝土抗压强度和含气量分别见图2～图4。

图2　NaOH溶液浓度对橡胶颗粒掺量为10%的混凝土抗压强度的影响

图3　NaOH溶液浓度对橡胶颗粒掺量为15%的混凝土抗压强度的影响

图4　NaOH溶液浓度对橡胶颗粒掺量为10%的混凝土含气量的影响

由图2可见，橡胶颗粒掺量为10%时，经NaOH溶液改性后，掺加外胎、内胎橡胶颗粒的混凝土抗压强度有所提高，前者提高幅度较大，当NaOH浓度为1%时，混凝土抗压强度最高，较未改性混凝土提高了20%，随着NaOH浓度继续增大，改性效果变差；掺加杂制品橡胶颗粒的混凝土抗压强度不增反降，NaOH浓度越高，改性效果越差。

由图3可见，与橡胶颗粒掺量为10%掺量时相似，15%掺量的橡胶颗粒经NaOH溶液改性后，掺加外胎橡胶颗粒混凝土的抗压强度有所提高，当NaOH浓度为1%时，混凝土抗压强度最高，较未改性混凝土提高了12%；随着NaOH浓度继续增大，改性效果变差；掺加内胎、杂制品橡胶颗粒混凝土的抗压强度有所降低，NaOH浓度增大，改性效果变差，其中杂制品橡胶颗粒的改性效果最差。

宏观上，不同品质橡胶颗粒的改性效果与其含气量变化有关，由图4可见，掺加外胎和内胎橡胶颗粒的混凝土拌合物的含气量增幅较小，掺加杂制品橡胶颗粒的混凝土拌合物的含气量增幅较大。本质上，不同品质橡胶颗粒的改性效果与橡胶颗粒性能（弹性、强度等）有关：由于轮胎对不同部位的橡胶性能要求不同，外胎橡胶颗粒性能较好，在混凝土中能吸收更多的能量，成分上含有较高的硬脂酸锌，内胎和杂制品橡胶颗粒性能较差，硬脂酸锌含量相对较低。因此，经NaOH溶液改性后，NaOH溶液可以从外胎橡胶颗粒表面中溶解析出更多的硬脂酸锌，增大橡胶颗粒表面的粗糙度[9]，有利于橡胶颗粒与水泥石的粘结，提高橡胶混凝土的强度。但同时橡胶颗粒表面粗糙度的增加，又会增强橡胶颗粒的引气作用，降低橡胶混凝土的强度。然而，最终改性橡胶混凝土强度是提高还是降低取决于上述2种作用的博弈，图2、图3中改性外胎橡胶混凝土强度提高较多，说明NaOH溶液对外胎橡胶颗改性的正面作用较大。

2.2.2KH570改性

经KH570改性后，掺加外胎、内胎橡胶颗粒的混凝土抗压强度和含气量分别见图5～图7。

图5　KH570用量对橡胶颗粒掺量为10%的混凝土抗压强度的影响

图6　KH570用量对橡胶颗粒掺量为15%的混凝土抗压强度的影响

图7　KH570用量对橡胶颗粒掺量为15%的混凝土含气量的影响

由图5可见，10%掺量的橡胶颗粒经KH570改性后，掺加外胎、内胎橡胶颗粒混凝土的抗压强度均有所提高，二者相差不大，KH570用量为橡胶颗粒质量的0.5%时，混凝土的抗压强度最高，前者较未改性混凝土提高了17%，后者较未改性混凝土提高了16%；掺加杂制品橡胶颗粒混凝土的抗压强度有所下降，但随KH570用量的变化不明显。

由图6可见，15%掺量的橡胶颗粒经KH570改性后，掺加外胎、内胎橡胶颗粒混凝土的抗压强度有所提高，KH570用量为0.5%时，混凝土的抗压强度最高，前者较未改性混凝土提高了15%，后者较未改性混凝土提高了5%；掺加杂制品橡胶颗粒混凝土的抗压强度有所降低，KH570用量越大，改性效果越差。

KH570一方面能够在橡胶颗粒与水泥石之间形成稳定的化学键[10]，增强二者的粘结强度，提高橡胶混凝土的强度；另一方面也会增大橡胶混凝土的含气量（见图7），降低其强度。同样，对外胎橡胶混凝土来讲，KH570改性的正面作用较大，这也是KH570改性外胎橡胶混凝土强度提高的原因。

3　结语

（1）橡胶颗粒改性前，掺加外胎橡胶颗粒混凝土的抗压强度较小，而掺加杂制品橡胶颗粒混凝土的抗压强度较大；橡胶颗粒改性后，掺加外胎橡胶颗粒混凝土的抗压强度明显提高，而掺加杂制品橡胶颗粒混凝土的抗压强度明显下降；掺加内胎橡胶颗粒混凝土的抗压强度介于二者之间。

（2）3种橡胶颗粒相比，外胎橡胶颗粒的改性效果最好：与未改性相比，橡胶颗粒掺量为10%时，橡胶混凝土的抗压强度最大增幅分别为20%（对应NaOH浓度1%）和17%（对应KH570用量0.5%）；橡胶颗粒掺量为15%时，橡胶混凝土的抗压强度最大增幅分别为12%（对应NaOH浓度1%）和15%（对应KH570用量0.5%）。

（3）橡胶颗粒的改性效果与改性剂的浓度或用量有关，对外胎橡胶颗粒而言，NaOH改性溶液的较优浓度为1%～20%，KH570的较优用量为0.5%～1.5%。

[1]曹宏亮，史长城，王大辉.橡胶混凝土配制方法试验研究[J].新型建筑材料，2011（1）：13-18.

[2]张昊，张小亮，乐金朝.废旧轮胎橡胶改性混凝土材料性能试验研究[J].浙江水利水电专科学校学报，2008（3）：39-41.

[3]Segre N，Joekes L.Use of tire rubber particles as addition to cement paste[J].Cement and Concrete Research，2000，30（9）：1421-1425.

[4]韩兆兴.橡胶集料混凝土物理力学性能研究[D].北京：北京工业大学，2009.

[5]代灿灿，李宗坤，冯凌云，等.橡胶混凝土改性剂的配制研究[J].混凝土，2014（9）：68-71.

[6]刘日鑫，徐开胜，高炜斌，等.胶粉对混凝土韧塑性的影响研究[J].新型建筑材料，2009（1）：24-26.

[7]赵姜维.我国汽车轮胎用合成橡胶生产现状及发展趋势[J].北京汽车，2012（2）：5-8.

[8]张玉龙，孙敏.橡胶品种与性能手册[M].北京：化学工业出版社，2012.

[9]Segre N，Paulo J，Monteiro M，et al.Surface characterization of recycled tire rubber to be used in cement paste matrix[J]. Colloid and Interface Science，2002，248：521-523.

[10]张国岑，徐宏殷.改性剂对橡胶混凝土的作用机理研究[J].水利与建筑工程学报，2015，13（4）：115-120.

Study on the influence of rubber particles quality to modification effect of modifier

YUAN Qun1，3，ZHAO Ming2，DU Yichao2，FENG Lingyun1，3，LI Guanghui4
（1.Henan Water Conservancy Science Academy，Zhengzhou 450003，China；2.Zhengzhou University，Zhengzhou 450002，China；3.Henan Key Laboratory of Hydraulic Engineering Security Technology，Zhengzhou 450003，China；4.Henan Water Conservancy Investment Group Co.Ltd.，Zhengzhou 450003，China）

The experiment studied the quality of the rubber particles on the influence of rubber concrete compressive strength and modifier modification effect.The results showed that compressive strength of concrete mixed with rubber tire particles was smaller than rubber concrete mixed with tube and miscellaneous products of rubber particles before modification.After rubber particles was modified by NaOH solution and KH570 solution，compressive strength of concrete added tire rubber particles increased larger，while compressive strength of concrete added tube and miscellaneous products of rubber particles had dropped significantly. For the tire rubber particles，the better concentration of NaOH modified solution is 1%～20%，and the better mass fraction of KH570 modified solution was 0.5%～1.5%.

quality of the rubber particles，rubber concrete，compressive strength，modification effect

TU528.2

A

1001-702X（2016）10-0049-04

水利部公益性行业科研专项项目（201301027）

2016-01-22；

2016-03-25

袁群，男，1966年生，湖南洞口人，教授级高级工程师，博士，研究方向：混凝土结构新材料的开发与应用。