橡胶粉-环氧树脂砂浆抗冻性能的试验研究

2018-11-23张璐李海洲王春光

新型建筑材料 2018年11期

张璐，李海洲，王春光

（1.山东理工大学建筑工程学院，山东淄博 255049；2.山东理工大学资源与环境工程学院，山东淄博 255049）

0 引言

中国北方寒冷地区几乎100%的砂浆工程遭受冻融循环的影响，主要表现为侵蚀和开裂。冻融循环严重影响砂浆工程的耐久性[1]。近些年，考虑经济和环境的双重因素，废旧轮胎的循环再利用得到广泛的关注。有学者尝试将废旧轮胎制成橡胶粉掺入混凝土中，提高抗冻性的同时实现橡胶废弃物的循环再利用[2]。

张亚梅等[3]研究表明，适量掺加橡胶粉可以大幅提高混凝土在水和氯化钠溶液中的抗冻性。王涛等[4]研究认为，80目橡胶粉可以明显改善混凝土的抗冻性，在90 kg/m3范围内，掺量越高改善效果越明显。杨洪生等[5]试验发现，橡胶粉可以改善再生骨料掺量为75%的混凝土的抗冻性。陈胜霞等[6]研究证明橡胶粉对混凝土抗冻性能的改善作用优于橡胶颗粒，橡胶粉/颗粒均有利于改善混凝土冻融破坏后的脆性特性。许金余等[7]试验表明，相同冻融循环次数下橡胶粉的粒径越小，混凝土表面抗冻性越好，抵抗内部损伤的能力也越强。路沙沙等[8]试验表明，橡胶粉混凝土冻融循环作用下其强度和质量损失率低于普通混凝土；橡胶颗粒掺量小于30 kg/m3时，混凝土的抗冻性随橡胶颗粒掺量的增加而明显改善。

本文采用40目和80目的细橡胶粉等质量替代天然砂制备修补用砂浆，同时加入耐磨性、耐水性、耐化学腐蚀性能良好的改性环氧树脂作为辅助粘结材料，采用正交试验研究橡胶-环氧树脂砂浆的抗冻性能，并定量给出掺合料变化时砂浆抗冻性能的变化趋势，分析橡胶粉和环氧树脂对砂浆抗冻性能的影响机理。以期寻求废弃物无害化循环利用的途径，实现建筑与资源和谐发展的目标。

1 试验

1.1 原材料及基础配合比

1.1.1 原材料

水泥：P·O42.5水泥，密度3100kg/m3，淄博鲁中水泥有限公司；河砂：粒径 0.08～1.8mm，堆积密度 1570kg/m3；橡胶粉：废弃轮胎制作的40目（直径0.45 mm）和80目（直径0.2 mm）橡胶粉；消泡剂：恒鑫牌THIX-568型，主体材料为聚硅氧烷，极易溶解于水；环氧树脂：E-40型，环氧当量为210～230g/mol，软化点14～23℃，无机氯含量≤30×10-6，易皂化氯含量≤0.3%；固化剂：593型，无色至淡黄色透明黏性液体，相对分子质量217.13，相对密度 0.985，黏度（25 ℃）90～150 mPa·s，总胺值 500～700 mg KOH/g，溶于乙醇、丙酮等极性溶剂，与水有一定程度的互溶性。

1.1.2 基础配合比

按照JGJ/T 98—2010《砌筑砂浆配合比设计规程》确定试验砂浆的配比为：m（水泥）∶m（砂）∶m（水）=10∶25∶6，橡胶粉等质量替代砂，环氧树脂作为添加剂，水灰比为0.6。

1.2 正交试验设计

采用3因素4水平正交试验设计，因素水平见表1。

表1 正交试验因素水平

1.3 试验方法

冻融循环试验采用DR-BFS型混凝土快速冻融试验机，依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，试件尺寸为40 cm×40 cm×160 cm，每25次循环记录1组数据，冻结终点试件中心温度为（-20±5）℃。

2 试验结果及分析

采用形态定性分析和数据定量处理相结合的方法，运用SPSS软件对试验数据进行极差和方差分析橡胶粉和环氧树脂对砂浆抗冻性能的增强效果，从本质上探究影响机理。

2.1 表观状态

试验表观状态显示，普通砂浆试件在50次冻融循环后出现棱角缺失，表面砂浆脱落，质地变脆；只添加橡胶粉的砂浆试件在相同次数冻融循环后试件完整，表面有明显粗糙但平滑度优于普通砂浆试件；同时添加橡胶粉和环氧树脂的试件仅在个别区域出现粗糙面，表观平滑度优于其他2类试件。100次冻融循环后，只添加橡胶粉的试件出现棱角缺失，表面粗糙程度加重，细骨料明显附着与表面，脱浆严重，质地变脆；橡胶粉-环氧树脂砂浆试件形状完整，表面粗糙但平滑度优于橡胶粉砂浆，试件完整未出现明显棱角缺失。

2.2 砂浆质量损失正交试验结果（见表2）

表2 砂浆质量损失正交试验结果

2.3 极差分析（见表3）

由表3可见：

（1）3个因素对25次冻融循环质量损失影响排序为A＞B＞C，环氧树脂显著降低砂浆25次冻融循环质量损失，橡胶粉对25次冻融循环质量损失没有作用，优选配合比为A3B1C1。

（2）3个因素对50次冻融循环质量损失影响排序为A＞C＞B，50次冻融循环橡胶粉对砂浆抗冻性的增强效果开始显现，80目橡胶粉作用大于40目，优选配合比为A2B2C2。

（3）3个因素对75次冻融循环质量损失影响排序为A＞C=B，环氧树脂影响最大。优选配合比为A2B2C2。

（4）3个因素对100次冻融循环质量损失影响排序为A＞C＞B，环氧树脂影响最大，80目橡胶粉作用大于40目，优选配合比为A2B3C3。

表3 砂浆质量损失正交试验极差分析

2.4 方差分析

极差分析简单直观，缺点是无法把试验条件改变引起的数据波动与试验误差引起的数据波动区分开，分析仅是定性层面。为定量分析掺合料的效果，利用SPSS Statistics 19.0进行单因变量多因素方差分析，为考查和判断各因素影响的显著性提供标准。砂浆抗冻性能的方差分析结果见表4。

表4 砂浆质量损失方差分析

图1显示以第1水平（掺加量为0）为基准，各水平冻融循环条件下质量损失相对差异的参数估计结果。图1中的负号表示质量损失递减，正号表示质量损失增大，数字表示质量损失参数估计结果的差异。

图1 各个水平质量损失差异的参数估计

由表4和图1可见：

（1）依据冻融循环后砂浆试件质量损失的方差分析，25次冻融循环后环氧树脂Sig值=0.005＜0.05，即在a=0.05水平下F检验显著，表明低循环次数下环氧树脂对砂浆抗冻性能影响显著。50、75、100次冻融循环下Sig值＞0.05表明高循环次数下环氧树脂对砂浆抗冻性能影响不显著。橡胶粉在冻融循环作用下Sig值＞0.05，表明橡胶粉对砂浆抗冻性能的影响不显著。

（2）根据图1（a）可知：冻融循环25次，掺5%环氧树脂比未掺时的砂浆质量损失明显下降，掺量大于5%时质量损失趋于平稳略回升；随橡胶粉掺的增加，砂浆质量损失线性增大，橡胶粉粒径与质量损失无明显相关性。

（3）根据图 1（b）、（c）可知：冻融循环 50 次和 75 次砂浆质量损失趋势相同，掺5%环氧树脂比未掺加时砂浆的质量损失明显减小，掺量大于5%时质量损失趋于平稳；掺加3%橡胶粉的砂浆比未掺加时的质量损失明显下降；随掺量继续增大，砂浆质量损失小于未掺加时，但比掺量为5%时的质量损失线性增大；80目橡胶粉的作用优于40目橡胶粉。

（4）根据图1（d）可知：冻融循环100次，掺加5%环氧树脂比未掺加时砂浆质量损失明显下降，掺量高于5%后质量损失线性增大；掺3%橡胶粉的砂浆比未掺加时的砂浆质量损失明显减小，掺量大于3%时砂浆的质量损失线性增大，但掺加橡胶粉后的砂浆质量损失始终小于未掺加时的，且掺80目橡胶粉的作用优于40目橡胶粉。

综合方差分析和极差分析结果显示：（1）环氧树脂和橡胶粉的掺入均有利于提高砂浆抗冻性；（2）掺环氧树脂的抗冻效果随冻融次数的增加而下降；掺橡胶粉的作用随冻融循环次数的增加而增强；（3）掺80目橡胶粉对砂浆抗冻性能的提高作用优于40目橡胶粉；（4）综合考虑抗冻性能和经济性，橡胶粉和环氧树脂的最佳掺量为：40、80目橡胶粉均3%，环氧树脂5%。

2.5 环氧树脂和橡胶粉对砂浆抗冻性影响机理分析

（1）橡胶粉对砂浆抗冻性能的提高机理在于：①废旧轮胎破碎的橡胶粉颗粒表面粗糙，便于携带空气，作为砂浆组分起到引气剂的作用；②橡胶粉为有机高分子物质，其弹性特质为砂浆内部结冰时的体积膨胀提供可压缩空间，有效抑制膨胀应力产生的裂隙。③橡胶粉粒径越小，相同体积分数的橡胶粉在搅拌制备砂浆时引入空气量越多，引气效果越好，因此80目橡胶粉的作用优于40目橡胶粉。

（2）环氧树脂对砂浆抗冻性能提高作用机理在于：①改性环氧树脂具有粘结能力，能有效提高砂浆的密实度，减少孔隙率；②环氧树脂可以增加砂浆韧性，提高砂浆的变形能力，有效防止砂浆冻胀；③环氧树脂的高弹性模量有利于改善砂浆的物理性能从而间接提高环氧树脂抗冻性。