使用橡胶轮胎颗粒改性砂浆性能研究

王金国，柳 峰，王 杰，王豪英

(宁夏交通投资集团有限公司，宁夏 银川 750000)

0 引 言

日益增多的废旧轮胎处理成为一个很严重的环境问题，因为橡胶即使经过很长时间的处理也很难分解，现在很流行发展橡胶的处理，将橡胶颗粒放入水泥基材料中是一个很可行的方法，大多数研究表明使用未经处理的轮胎橡胶在水泥基材料中的附着能力差，即橡胶水泥的交联能力差，导致机械性能差。

目前正研究将10%粉状轮胎颗粒(最大粒径为35目)加入到普通波特兰水泥中，这种橡胶是混合了SBR，天然橡胶，聚丁二烯、油、抗氧剂、炭黑及其他，并且未经使用，用NaOH的饱和溶液进行表面浸泡处理，这些橡胶粉会改善机械性能如弯曲强度和抗折强度，抗压强度显著低于书上的描述。通过SEM显微电镜的观察发现通过NaOH饱和溶液处理的橡胶粉基本附着力得到改善，耐磨性和吸水率明显好于没有处理的橡胶粉。

扩张这一工作，通过HATR红外分析，电位滴定和接触角的测量方法研究橡胶的表面处理，红外分析处理过的橡胶粉吸水减少1 540，1 450，1 395 cm-1，这个降低是由于硬脂酸锌被去除，目前轮胎的添加剂总是回到表面，导致橡胶和其他材料附着力差，用0.1 mNaCl电位滴定法的滴定橡胶颗粒显示未被处理的橡胶粉消耗更多的NaCl，最可能的结果是锌盐和橡胶的相互作用，橡胶颗粒的接触角直到在NaOH中浸泡24 h，橡胶表面硬脂酸锌的减少可以解释橡胶附着水泥能力的改进。

这些总体的工作显示将橡胶加入水泥可以用于工程中，自从巴西将不寻常的水泥用于不一般的工程，将用NaOH处理的橡胶分加入到矿渣中改善砂浆。

在我们先前的研究中将10%(水泥的质量分数)橡胶粉加入到水泥中会得到满意的机械性能，在这个试验中10%(水泥的质量分数)用NaOH处理的橡胶粉加入到砂浆中，代替大约35%的水泥，这是用想要得到合理的机械性能的0.6的水灰比得到可工作性的最大的橡胶掺量，换句话说，这些砂浆被认为是终极橡胶掺量。

1 试 验

由巴西Borcol Industria de Borracha Ltda，Sorocaba-SP提供，最大粒径为50目(300 μm)，用饱和氢氧化钠水溶液在室温下浸泡20～30 min，橡胶粉用清水清洗到中性后在室温下干燥。

砂浆标准试件与巴西矿渣硅酸盐水泥试件相比，用洗过的细度系数为2.6的砂，这个混合成分是水胶比=0.6、砂胶比=2，用10%(砂浆质量的)NaOH处理的橡胶粉试验，这个标准试件在室温(25 ℃)和100%的相对湿度的条件下养护28 d。

毛细吸水伴随着重量的变化。将100 mm×60 mm的圆柱体试件在50 ℃的烤炉中干燥直到质量稳定，并且在室温下放置在足够水位的盘子中。水位应刚好湿润待测试件的下表面不超过5 mm或者大致的这个高度，标准试件侧面的下部分临近的面应用胶粘剂密封防止水吸入表面的气孔。质量恒定后一段时期一个试模的每个试件会得到大量数据。

使用45 mm×30 mm的圆柱体试件通过浸泡来测试水吸附，将标准试样在50 ℃下干燥至恒重，然后浸泡在室温下的水里。质量恒定后一段时期一个试模的每个试件会得到大量数据。

对于抗酸性腐蚀，先将45×30 mm的圆柱体试件在50 ℃下干燥至恒重，然后放入5%的HCl中浸泡，HCl每天换一次，质量恒定后一段时期一个试模的每个试件会得到大量数据。

对于抗弯试验，试件尺寸为150×25×25 mm，采用三点弯曲，这些测试在一个MTS810型的测验机中，移动速度为每分钟10 mm，测试一套46控制样本和一套47掺有橡胶的试样。用扫描电镜来描述处理过的砂浆的大部分区域。

2 结果和讨论

胶凝材料的破坏取决于微裂纹，主要是水泥和骨料粒子表面连接的部分，这些内部裂纹能扩张，例如，工艺品中象气孔这样的缺陷，单轴压缩强度作为一种普遍公认的水泥材料强度指标，不过，这些弯曲测试首选用于质量受控制的道路，水泥材料在荷载作用下弯曲而不是轴向伸长。

图1显示用NaOH处理的橡胶粉试件和普通试件的抗折试验结果，至少46个试件为一组来计算威布尔分布，在均匀张拉期间试件不合格的累积几率，橡胶试件的抗折强度降低了45%。

图1 为砂浆试样的抗折试验检测，橙色的控制标本，绿色为用10%NaOH处理的橡胶粉的试件，短划线表示平均值

强度大幅度变化的原因可能是裂纹的分布和其他缺陷，在拉伸测试中试件整个都处于外加压力下，然而在拉伸试验中试件只有小部分靠近底部的部分处于高压力下，图2表示断裂后在拉伸下标本的表面裂纹，有趣的是不同体积(a和b)显示出相同的强度值(505 MPa)，对于橡胶试件，当和更匀质强度为3.5 MPa的试件相比4.1 MPa的试件更不合格(d)。

图2 表示在控制试件弯曲应力作用下断裂面(a和b)，用NaOH处理的试件为c和d

在水泥的研究中，强度是一项指定的性能，然而，水泥的强度不是唯一的重要指标，像弹性、弹性模量、抗渗、抗风化、抗侵蚀性水等性能都和耐久性直接相关。

水的吸收主要是和待测试件的空隙率有关并且可以给出内部空隙的图片，混凝土和砂浆中水分的传输对于评价一种建筑材料和改进他们的性能都是很重要的，主要的传输物质进入水泥后被扩散或发生毛细管作用，但是毛细管运输是主要入口方式。从这个意义上说，毛细作用越小，耐久性越好。图3所示，加上橡胶颗粒从根本上降低水的量吸收。

图3 为根据时间画出的毛细现象

在室温下通过大量的用10%的NaOH处理的橡胶粉的砂浆试样和仅砂浆，sorptivity系数(S)描述多空材料吸水和通过毛细现象携带水，通过式(1)可以得到，其中Δw是增加的重量，A是横截面积，ρ水的密度，t是时间，截面面积上有效的拦截为b，这是填充孔隙表面的开放流入面和相邻的面的原因。

(1)

图4表示单位面积的表面水的吸附随时间平方根的变化，从图3中得到，对于受控试件，sorptivity系数按0.29 mm/min1/2计算，而掺有橡胶的试件按0.06 mm/min1/2计算。

图4 显示单位面积上水的吸附随时间的变化，测试试件为用10%NaOH处理的橡胶粉试样和普通式样

这种现象主要是因为橡胶粉的疏水性，在水的通道上疏水性粒子可能阻止毛细作用，导致水和通道表面的界面张力增大，这可能会导致大致相同的粒子形成一层通道。

图5显示的是被水浸泡的毛细现象，这和试件的开放性空隙有关，然而，吸附总是高于毛细作用，毛细作用只发生在相对直径较小的开孔处，在含有橡胶的试件里发现吸水率减少了17%，这意味有少量的空隙或者这些空隙可以接触到水(关闭的空隙或狭窄的毛细管)。自从在这个试验中疏水性没有达到预期的效果，从显微结构来看，不管是有橡胶还是没有，砂浆都在界面处分离，产生这个现象的原因可能是毛孔的堵塞。

图5 显示在室温下吸水率随时间的变化，砂浆试件为含10%NaOH处理的橡胶试件，和仅是砂浆的试件

图6显示普通试件(a)和含有橡胶(b、c)的试件的典型断裂面的显微结构。显微裂纹出现在橡胶和砂混合的区域(过渡区域)。在水化的前期，这个过度区域是很弱的并且会由于水泥和骨料之间干缩和热缩，外部荷载等不同的拉紧而分裂，在橡胶试件中观察到关闭的空隙。

水泥基材料的耐久性和材料所处的环境有关。水化水泥浆是碱性的，酸性水对这些材料是非常有害的。酸会攻击析出的氢氧化钙。酸性液体也会增加气孔，导致材料更容易受攻击，在这样的条件下，不透性成了决定耐久性的关键因素。

图6 为用扫描电镜观察水泥砂浆试样的断口

(a)为空白砂浆试件，(b)和(c)为含10%(砂浆质量)用NaOH处理的橡胶的试件，A沙粒，B为橡胶粒子，箭头为分离的或者关闭的气孔。

对橡胶的耐酸性进行研究，结果在图7中显示，橡胶颗粒有较强的耐酸性。更快的表面过滤显示试样表面没有橡胶粉。砂浆中橡胶颗粒被疲敝防止酸的进入。

图7 耐酸性随时间的变化，试件为用10%的NaOH处理的橡胶试样和仅是砂浆的试样

3 结 论

很少有论文描述含有小颗粒橡胶的砂浆的性质。在每个研究中，机械性能都会被研究，我们研究了将用10%NaOH处理的橡胶粉颗粒加入到砂浆中，导致sorptivity系数大幅度降低，并且加强了抗酸性，改善了运输性，尽管在抗折强度上有所降低。