高掺量橡胶集料水泥砂浆收缩性能研究

薛 刚，孙立所，邵建文，董 伟

(内蒙古科技大学土木工程学院，包头 014010)

0 引 言

将橡胶粉掺入水泥砂浆中制成橡胶集料砂浆，不仅能够提高砂浆的韧性、耐磨性能、抗裂性能及工作性能[1-3]，还可以利用废旧轮胎，改善废旧轮胎引起的环境问题。大量文献表明橡胶集料在收缩性能[4]、延性与韧性[5-6]、抗冻性能[7]、抗疲劳性能[8]、抗冲击性能[9]、耐磨性能[10]等方面均有独特优势。膨胀剂可减小干燥收缩，抑制早期收缩裂缝的出现，对防止结构承载能力过早下降，提高结构的耐久性具有重要作用[11-12]。橡胶集料和膨胀剂都对砂浆的收缩性能有影响，但目前有关橡胶集料对砂浆收缩性能的影响大多为低掺量的研究，将膨胀剂应用在橡胶集料砂浆中，二者复合效应对材料收缩性能的影响更是少有报道。

本文在水泥砂浆中分别单掺、复掺不同掺量的橡胶粉与膨胀剂，通过测定试件不同龄期的自由干燥收缩率来研究掺膨胀剂及橡胶粉的水泥砂浆的收缩开裂性能。为其在抹面砂浆、水泥公路、机场跑道、公共设施建设等工程上的应用提供依据，以期解决传统水泥砂浆工程耐久性差、寿命短、易开裂、维修难等问题。

1 实 验

1.1 原材料

(1)水泥：采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，其基本物理性能指标如表1所示。

表1 水泥的物理性能Table 1 Physical properties of cement

(2)砂：表观密度2 650 kg/m3，含泥量8.2%，细度模数2.87，属中砂。

(3)橡胶粉：选用20目(0.83 mm)、50(0.27 mm)目两种粒径的橡胶粉,表观密度分别为1 050 kg/m3、1 020 kg/m3，具体技术指标见表2。

表2 橡胶粉的技术指标Table 2 Technical indexes of rubber powder

(4)膨胀剂：选用UEA膨胀剂，总碱量0.3%，氯离子含量0.01%，含水率1.1%，28 d水中限制膨胀率0.05%，21 d空气中限制膨胀率-0.012%。

(5)减水剂：选用聚羧酸高效减水剂，减水率25%。

1.2 试验设计

单因素试验：采用基准水泥砂浆，掺10%、20%、30%的20目、50目橡胶粉的水泥砂浆(其中橡胶粉等体积取代砂,下同)，掺4%、7%、10%的UEA膨胀剂的水泥砂浆(其中UEA膨胀剂等质量取代水泥，下同)，灰砂比1∶3.65，水胶比0.54，减水剂用以调节砂浆流动度使其控制在130～190 mm。共设计10组配合比，其中CM为基准水泥砂浆，RM为单掺橡胶粉水泥砂浆(RM1为掺20目橡胶粉水泥砂浆，RM2为掺50目橡胶粉水泥砂浆)，EM为单掺膨胀剂水泥砂浆，具体配合比见表3。

表3 试验配合比Table 3 Test mix proportion

正交试验：在单因素试验结果的基础上，水胶比、灰砂比保持不变，采用15%、20%、25%的50目橡胶粉掺量的水泥砂浆(其中橡胶粉等体积取代砂)，2%、4%、6% UEA膨胀剂掺量的水泥砂浆(其中UEA膨胀剂等质量取代水泥)，减水剂按胶凝材料质量分数的1.5%、2.5%、3.5%掺入水泥砂浆，采用三因素三水平正交试验。试验具体方案见表4～表5。

表4 正交试验因素与水平分布Table 4 Orthogonal experimental factors and horizontal distribution /%

表5 正交试验设计方案Table 5 Orthogonal experiment design scheme

1.3 试验方法

(1)流动度试验：参照《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419—2005)，主要用来确定试验配合比，达到控制用水量的目的。

(2)强度试验：参照《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)，试件尺寸40 mm×40 mm×160 mm，在温度为(20±2) ℃，相对湿度为95%以上环境中养护至24 h拆模。拆模后置于标准养护箱中，保持相对湿度为98%以上，养护至规定龄期取出。

(3)自由收缩性能试验：参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009)进行试件制作及养护过程，采用电子数显游标卡尺测量试件长度，精确度为0.01 mm。养护3 d后拆模，测量其原始长度L0。将试件放入温度(20±2) ℃，相对湿度(50±5)%的测试室内,到第7 d、14 d、21 d、28 d、56 d、90 d分别测量试件长度，即为自然干燥后的长度。自然干燥收缩率按式(1)进行计算：

(1)

式中：ε表示试件相应天数时的自由收缩率；L0表示试件成型后3 d拆模的初始长度，mm；Lt表示试件相应td时的实测长度，mm；Lb表示试件的原始标距，本实验中为140 mm。

2 结果与讨论

2.1 单掺橡胶粉试验

自由收缩率是衡量材料收缩性能的一个重要指标。单掺20目、50目橡胶粉的砂浆试件各龄期自由收缩率的测量结果如表6所示。由表6可以看出，当橡胶粉掺量为0%、10%、20%、30%时的20目、50目橡胶粉28 d收缩率占90 d收缩率的百分比分别是67.5%、66.6%、70.4%、60.5%、67.5%、71.3%、64.8%、62.6%，56 d收缩率占90 d 的百分比分别为81.9%、82.0%、86.7%、90.0%、81.3%、89.4%、92.1%、82.1%，由此可看出，橡胶水泥砂浆的收缩在56 d后发展缓慢且基本趋于饱和。相同橡胶粉掺量，砂浆自由收缩率随着橡胶粉粒径减小而减少，可知在同掺量下，橡胶粉粒径越小抑制砂浆收缩性能越好。但在28 d和56 d龄期时10%掺量水泥砂浆出现了相反规律，可能是由于试验误差所致。当橡胶粉掺量相同时，不同目数的橡胶粉减少收缩作用程度不同，其中50目橡胶粉在掺量20%时可以显著降低砂浆收缩。掺入20%的50目橡胶粉和30%的20目橡胶粉时，二者对砂浆收缩率的影响基本相同。

表6 单掺橡胶粉的砂浆不同龄期的收缩率测定结果Table 6 Shrinkage rate test results of mortar with single mixed rubber powder at different ages

单掺20目、50目橡胶粉对砂浆各龄期自由收缩率影响规律如图1、图2所示。由图1、图2可以看出，与基准砂浆相比，掺入20目、50目橡胶粉均降低了砂浆的自由收缩率，改善了收缩性能。相同粒径，砂浆的自由收缩率均呈现随橡胶粉掺量增加而逐渐减小、随龄期增长而逐渐减缓的规律。可知高掺量橡胶粉抑制砂浆收缩性能较好。不同粒径的橡胶粉在不同龄期内呈现不同的规律。20目橡胶粉掺量为10%、20%时，其自由收缩率随龄期变化趋势与基准砂浆基本一致。掺橡胶与未掺橡胶的砂浆早期自由收缩率大小相当，甚至略有增大，早期收缩率增加较快，14 d龄期后，橡胶粉抑制收缩的作用增强。各掺量的50目橡胶粉在14 d前对收缩率的影响并无显著差别，14 d后掺量为10%的橡胶粉水泥砂浆试件的收缩率增加较快，但仍略低于基准砂浆；掺量为20%与30%的橡胶粉对收缩率的影响程度相当，其收缩率值均显著低于10%掺量的试件。

图1 20目橡胶粉对砂浆各龄期自由收缩率的影响Fig.1 Effect of 20 mesh rubber powder on free shrinkage rate of mortar at different ages

图2 50目橡胶粉对砂浆各龄期自由收缩率的影响Fig.2 Effect of 50 mesh rubber powder on free shrinkage rate of mortar at different ages

2.2 单掺膨胀剂试验

单掺UEA膨胀剂时，测得砂浆在干燥条件下各龄期自由收缩率如表7所示。从表中可以看出，UEA膨胀剂掺量为4%时，7 d、14 d、21 d、28 d、56 d、90 d水泥砂浆收缩率比基准砂浆收缩率分别降低了21.2%、27.0%、14.8%、12.5%、7.4%、10.8%。随着龄期的增加，UEA膨胀剂对试件收缩率的影响逐渐减弱。

表7 单掺UEA膨胀剂的砂浆不同龄期收缩率测定结果Table 7 Shrinkage rate test results of mortar with single mixed UEA expansion agent at different ages

单掺UEA膨胀剂水泥砂浆各龄期自由收缩率变化规律如图3所示。由图3可看出，不同掺量的膨胀剂对砂浆自由收缩率均随龄期增长而减缓。4%掺量的水泥砂浆收缩率明显低于基准砂浆收缩率，7%和10%掺量的水泥砂浆中后期收缩率不仅没有降低，反而增大。这表明，膨胀剂补偿收缩作用的发挥存在一个最佳的掺量(本实验为4%)且高于最佳掺量时会加大自由收缩率。

图3 不同掺量的膨胀剂对砂浆各龄期自由收缩率的影响Fig.3 Effect of expansion agent with different dosages on free shrinkage rate of mortar at different ages

图4 橡胶粉掺量对砂浆各龄期自由收缩率影响Fig.4 Effect of rubber powder content on free shrinkage rate of mortar at different ages

出现这种现象的原因有两个：一方面是受膨胀剂掺量对孔隙率的影响，膨胀剂掺量在0%～10%变化时，孔隙率先降低后增大，6%掺量时孔隙率最小，膨胀效能最佳[13]。另一方面在于，试件未经水养且置于干燥环境。膨胀剂参与水化反应生成的钙矾石分子中含有32个结晶水。4%掺量的试件水化所需的水分可以得到充分补充，其膨胀性能得以发挥，产生的膨胀可抵消干燥环境下的部分收缩；而7%和10%的膨胀剂水化前期水分补充不足，置于干燥环境后，主要吸收毛细孔的水分进行水化反应，膨胀剂效用不能有效发挥导致材料内部孔隙无法被有效填充，毛细孔内水分蒸发加快，干燥收缩加大。

2.3 正交试验

正交试验各指标试验结果见表8。由表8可以看出，水胶比一定时，新拌砂浆的流动度随橡胶粉掺量的增加而减小。膨胀剂掺量在2%～6%之间时，4%掺量的砂浆流动性最佳，2%掺量次之。

表8 正交试验测定结果Table 8 Results of orthogonal test

根据试验结果，用极差法进行计算分析，得到各因素对其影响程度与优化组合，其中Kij表示第j列对应水平i的试验指标测定结果之和；Sij表示各列平均指标，即Sij=Kij/3；Rj表示平均指标极差，即Rj=Sij(max)-Sij(min)。强度、压折比、流动度、极差分析结果见表9，收缩率的极差分析见表10。由表9分析可知，各因素对28 d抗压强度影响的主次关系为A>C>B，即橡胶粉掺量影响最大，减水剂掺量次之，膨胀剂掺量影响最小；优化组合为A1-C3-B3，即橡胶粉掺量为15%、减水剂掺量为3.5%、膨胀剂掺量为6%时可获得最佳28 d抗压强度。各因素对28 d抗折强度影响的主次关系为A>B>C，即橡胶粉掺量影响最大，膨胀剂掺量次之，减水剂掺量影响最小；优化组合为A1-B1-C2，即橡胶粉掺量为15%、膨胀剂掺量为2%、减水剂掺量为2.5%时，砂浆抗折性能最佳。

表9 正交试验极差分析Table 9 Range analysis of orthogonal test

压折比是反应砂浆韧性的一个重要指标，压折比越小表征砂浆韧性越好，发生脆断的可能性越小。由表8可看出，随橡胶粉和膨胀剂掺量的增加，压折比有所增加，但其值均在1.69～1.99范围内浮动。出现这种现象原因可能是膨胀剂提高了部分抗压强度，而抗折强度并未增长。各因素对28 d压折比影响无显著差别，且压折比均小于3，表明掺入50目橡胶粉的砂浆满足抗裂要求，橡胶粉的掺入提高了砂浆韧性。

由表10可知，在整个收缩龄期内，橡胶粉掺量对砂浆自由收缩性能的影响最为显著。14 d、21 d、28 d中，影响砂浆自由收缩的主次关系是：橡胶粉掺量>UEA掺量>减水剂掺量，在7 d及56～90 d龄期，主次关系为：橡胶粉掺量>减水剂掺量>UEA掺量。在28 d龄期前，橡胶粉掺量对自由收缩率影响逐渐减弱而膨胀剂掺量对自由收缩率影响却逐渐增强，说明橡胶粉和膨胀剂复掺时能够形成互补作用，膨胀剂补偿橡胶砂浆收缩作用的发挥有一定促进作用。

表10 正交试验砂浆各龄期收缩率的极差R值Table 10 Range R value of shrinkage rate of orthogonal test mortar at different ages

表11～表13分别为不同橡胶粉掺量、UEA掺量、减水剂掺量下，不同龄期砂浆试样的自由收缩率均值。图4～图6分别为不同橡胶粉掺量、UEA掺量、减水剂掺量自由收缩率均值的影响规律。由表11、图4可看出，自由收缩率在7～14 d龄期前增加较快，14 d龄期后增幅减缓，各水平掺量自由收缩率大小顺序为15%橡胶粉掺量>20%橡胶粉掺量>25%橡胶粉掺量。自由收缩率随橡胶粉掺量增加而减小，随龄期的增长而减缓；15%与20%橡胶粉掺量对自由收缩率影响基本相同，25%掺量的橡胶粉在减小砂浆自由收缩的作用优于其他掺量。

图5 UEA掺量对砂浆各龄期自由收缩率影响Fig.5 Effect of UEA content on free shrinkage rate of mortar at different ages

图6 减水剂掺量对砂浆各龄期自由收缩率影响Fig.6 Effect of water reducing agent content on free shrinkage rate of mortar at different ages

表11 橡胶粉掺量因素下不同龄期砂浆试样的收缩率均值Table 11 Mean values of shrinkage rate of mortar samples at different ages under the factor of rubber powder content

表12 UEA掺量因素下不同龄期砂浆试样的收缩率均值Table 12 Mean values of shrinkage rate of mortar samples at different ages under the factor of UEA content

表13 减水剂掺量因素下不同龄期砂浆试样的收缩率均值Table 13 Mean values of shrinkage rate of mortar samples at different ages under the factor of water reducing agent content

由表12、图5可看出，7～14 d收缩龄期内，各UEA掺量对自由收缩率影响程度基本相同且增幅较大；14～28 d收缩龄期内，4%UEA掺量对降低自由收缩率效果较好且21 d龄期达到最佳；28 d龄期后，自由收缩率在UEA掺量为2%时最低，发展较其他掺量下缓慢，说明橡胶粉与UEA膨胀剂复掺时，橡胶粉的掺入对膨胀剂的膨胀效能有促进作用，在本实验中，可把单掺UEA膨胀剂的最佳掺量由4%降低到复掺时2%，使较低掺量时的UEA膨胀剂在与橡胶粉的相互作用下得到单掺较高掺量时的效果。

由表13、图6可看出，减水剂在1.5%～3.5%范围内变动时，各掺量下自由收缩率增幅逐渐减缓且收缩率均值之间差值很小，表明减水剂掺量对自由收缩率影响无显著差别。

橡胶粉达到一定掺量后，可吸附大量水分填充在毛细孔中，最大量地保留毛细孔中的水分以满足膨胀剂参与水泥水化反应所需水分，延长自然干燥条件下膨胀剂的膨胀效能，使其适度缓慢发展，胶粉和膨胀剂复掺提高了膨胀剂膨胀效能发挥的能力，使小掺量的膨胀剂获得最佳膨胀效能点，可使膨胀剂在补偿自然干燥条件下的后期收缩中有一定促进作用。

3 结 论

(1)与基准砂浆相比，单掺橡胶集料时，橡胶集料水泥砂浆自由收缩率随橡胶粉粒径减小而降低，随掺量增加而减小。单掺UEA膨胀剂时，膨胀剂补偿收缩作用的发挥存在一个最佳掺量，高于这个掺量甚至会加大砂浆的自由收缩率。30%掺量50目橡胶粉水泥砂浆、4%UEA膨胀剂掺量水泥砂浆的自由收缩率均显著低于其他掺量的水泥砂浆。

(2)采用高掺量橡胶粉与UEA膨胀剂复掺时，复掺胶粉和膨胀剂组成水泥砂浆时，不同龄期各材料组分对复合水泥砂浆自由收缩率的影响程度不同。28 d龄期后膨胀剂掺量为2%的试件自由收缩率最低，且掺量在2%～6%范围内变化时，随掺量的增加自由收缩率有所增长。

(3)橡胶粉是导致水泥砂浆强度降低的主导因素。复掺50目橡胶粉和UEA膨胀剂时，压折比均小于3且在1.66～1.99小范围内浮动变化，说明高掺量橡胶集料水泥砂浆的韧性较好。但随橡胶粉掺量增加，其流动度降低。

(4)橡胶粉和UEA膨胀剂复掺时能够形成互补作用，橡胶粉能够使膨胀剂在补偿砂浆后期收缩中有一定促进作用，高掺量的橡胶粉掺入能够提高膨胀剂的最佳膨胀性能点，使较低掺量膨胀剂在橡胶粉作用下获得较高掺量时的膨胀效能，能够减少膨胀剂的用量和造价，这对我国西北干旱地区道面及公共设施等工程中小掺量膨胀剂的应用具有借鉴意义，为橡胶粉和膨胀剂的复掺使用提供理论依据。