废旧橡胶粉对氯氧镁水泥力学性能的影响

孟玮 ，鞠峰 ，尹锦明 ，吉祖鹏 ，王杰

（1.南京理工大学泰州科技学院，江苏 泰州 225300；2.泰州市同一建设工程质量检测有限公司，江苏 泰州 225300）

0 引言

自北卡罗来纳州立大学的Shuaib Ahmad教授首先利用橡胶颗粒取代粗集料的方法制备橡胶改性水泥混凝土以来，橡胶胶粒与混凝土、砂浆的结合受到国内外研究者的关注，橡胶粉改性水泥基材料在实际工程中的应用逐渐广泛。氯氧镁水泥是由法国人索瑞尔于1867年发明的,它是用具有一定浓度的氯化镁水溶液与活性氧化镁粉调配后得到的镁水泥石。各国学者对其进行了颇多研究，取得了一定研究成果。氯氧镁水泥部分特性优于硅酸盐水泥，尤其在生产工艺方面具有比较突出的优势，符合我国绿色工业的要求。但氯氧镁水泥也存在返卤翘曲、耐水性差、返潮等问题，这些缺点阻碍了氯氧镁水泥的推广利用。试验针对废旧橡胶粉对镁质胶凝材料力学性能的影响展开了系列工作,将橡胶粉掺入氯氧镁水泥中，不但解决了废旧轮胎的处理问题，减轻环境污染，同时也能改善氯氧镁水泥的力学性能，符合“可持续发展”的理念。

1 试验准备

1.1 试验原材料

（1）氧化镁：粒度200目，兴化市华耐镁业有限公司生产。

（2）氯化镁溶液：常州中耀精细化工有限公司生产，氯化镁的含量≥99%。

（3）橡胶粉：粒度为 20 目、40 目、60 目、80 目、100目。

（4）水：自来水。

（5）外加剂：磷酸，兴化市华耐镁业有限公司提供。

1.2 试件的成型及养护

氯氧镁水泥的基本配合比为：氧化镁：氯化镁溶液=3.5:1，橡胶粉掺量取为混合溶液质量的2%、4%、6%、8%、10%。

依据《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》对试件进行搅拌、振实及成型、养护。将试件带模整体放入标准养护室中养护24 h后脱模，在（20±2）℃，相对湿度95%的条件下养护3 d、7 d和 28 d。试件抗折、抗压强度的测定依据《无机硬质绝热制品试验方法》进行。将养护至龄期的试件断开，烘干机烘干24 h，在扫描电镜下观察样品表面形貌。

2 试验结果及分析

2.1 橡胶粉掺量对氯氧镁水泥强度指标的影响

橡胶粉掺量对氯氧镁水泥的强度指标产生了影响，不同目数橡胶粉氯氧镁水泥的3 d、7 d和28 d抗折强度如图1所示，抗压强度如图2所示。不同目数橡胶粉在不同掺量下制作的氯氧镁水泥试件，表现出随着橡胶粉掺量的提高强度指标出现先提高后降低的趋势。橡胶粉掺量为6%的复合水泥在3～7 d龄期试件中强度为最高，28 d龄期时各橡胶粉掺量试件强度差异不大。试件的抗压强度随着橡胶粉掺量变化而改变的趋势与抗折强度表现出来的类似。随着龄期的增长，相同掺量橡胶粉水泥基的抗压强度差距逐渐缩小，且掺量越高此现象就越明显。60目的橡胶粉氯氧镁水泥在各个龄期内抗压强度均大于其他几组。

橡胶粉具有良好的变形性能，其本身的抗拉强度和抗压强度与氯氧镁水泥相比较而言要小，应力作用下橡胶粉改性水泥基材料的抗折强度相应减小。在压应力作用下，硬结的氯氧镁水泥浆体承受主要应力，随着橡胶粉掺量的增多，单位面积上的水泥体积分数显著减少，抗压强度显著下降。但橡胶粉和硬化的水泥基浆体之间有一定的粘结力，使得抗折强度下降速率小于抗压强度。橡胶粉与周围构成浆体的物质相比，胶粉硬度较小，弹性模量差异较大，在荷载作用下，橡胶颗粒的变形与氧化镁、氯化镁等不协调，造成实际承载面积缩小，承载能力下降；同时橡胶粉是有机高分子物质，而氧化镁和氯化镁属于无机材料，表面性能差异较大，结合困难，因而界面粘结强度较低，在连续载荷的作用下，界面处很容易产生微裂纹，受压时更易达到抗压极限值。

图1 橡胶粉掺量对氯氧镁水泥抗折强度的影响

图2 橡胶粉掺量对氯氧镁水泥抗压强度的影响

2.2 橡胶粉粒度对氯氧镁水泥强度指标的影响

橡胶粉的粒度对氯氧镁水泥的强度指标产生影响如图3所示。不同橡胶粉掺量的氯氧镁水泥抗折强度的变化规律大致相同，即随着目数的增加整体强度呈下降趋势。相同掺量下，掺100目橡胶粉的复合水泥在7 d龄期时的抗折强度均为最小，不同粒度的橡胶粉7～28 d龄期抗折强度的增长速率高于3～7 d龄期时的抗折强度。橡胶粉掺量为6%的复合水泥在3～7 d龄期试件中强度远高于其他掺量的水泥试件。

橡胶粉为惰性物质，不和氯氧镁水泥发生化学反应，且橡胶粉与浆体颗粒粘结不紧密，掺量越高，吸附在橡胶粉表面的水分越多，则参与氯氧镁水泥水化作用的水分减少，抗折强度降低；粒径较小的橡胶粉表面积会较大，吸附的水分会增多，这样既削弱水化作用，又增多了基体中的薄弱面，导致氯氧镁水泥抗折强度较低。

图3 橡胶粉粒度对氯氧镁水泥抗折强度的影响

研究了橡胶粉的粒度对氯氧镁水泥抗压强度的影响，图4数据显示，随着粒度的增加，氯氧镁水泥的抗压强度整体呈下降趋势。在各组水泥的抗压强度中，橡胶粉掺量为6%的复合水泥强度表现为最高，在早期强度指标中更为明显。这是由于橡胶粉颗粒越细，总表面积越大，与浆体形成的不稳定界面越多，相当于在氯氧镁水泥中形成的孔隙增多，水泥基材料的密实性降低，造成抗压强度的下降越多。

图4 橡胶粉粒度对氯氧镁水泥抗压强度的影响

2.3 微观分析

图5给出了龄期为28 d时不同目数橡胶粉在2%掺量下对氯氧镁水泥微观形态的影响。图像显示，相同掺量下，橡胶粉的目数对于氯氧镁水泥的微观形貌有较大的影响，粒度越高的橡胶粉内部针状形态的晶体分布的范围越大，越均匀，针状晶体之间交联的程度也越低，对应的氯氧镁体系的力学指标逐渐降低。氯氧镁水泥的水化产物由凝胶状晶体和针状晶体组成，20目橡胶粉氯氧镁水泥水化产物以块状晶体为主，仅有少量针状晶体存在，而随着粒度的增加，水化产物中针状晶体占据了绝大多数。由此可知，28 d龄期时，随着粒度的改变，水化产物的成分发生了改变，这直接影响了复合体系

力学指标的变化。

图5 2%掺量橡胶粉氯氧镁水泥28 d微观形态

3 结论

（1）随着橡胶粉掺量的提高，氯氧镁水泥强度指标整体出现先提高后降低的趋势，6%橡胶粉掺量的复合水泥早期强度指标最高。

（2）伴随橡胶粉目数的增加,氯氧镁水泥强度指标整体强度呈下降趋势，6%橡胶粉掺量的复合水泥早期强度远高于其他掺量的水泥试件。

（3）28 d时不同目数橡胶粉在相同掺量下对氯氧镁水泥微观形态有较大不同，随着粒度的改变，块状晶体和针状晶体在水化产物中所占的比重产生了显著变化，这直接影响了复合体系力学指标的变化。