掺橡胶颗粒的玻化微珠保温砂浆抗冻性能研究

蒋连接 朱方之 马 静 高 立 施 云

（宿迁学院建筑工程学院，宿迁223800）

0 引 言

我国每年产生大量的的废橡胶，并以5%～8%的速度增长。统计表明，2018 年我国产生废橡胶轮胎约3.8亿条，重达1 400多万吨，报废的摩托车胎、电动车胎、胶管、胶鞋和橡胶垫圈等废橡胶制品亦有几百万吨。废橡胶是可以再生利用的宝贵资源，将其破碎成橡胶颗粒应用于普通混凝土、沥青混凝土、砂浆、防水材料以及其他建筑材料中，既能处理大量废橡胶，又能改善材料性能，具有显著的社会效益和经济效益［1］。

玻化微珠保温砂浆是一种绿色节能的建筑材料，保温隔热性能、防火性能、抗裂性能和抗老化性能好，广泛应用于建筑物外墙和屋面保温系统中［2］。在我国北方严寒和寒冷地区，玻化微珠保温砂浆受冻融环境的影响较大，随着冻融循环次数的增加，其抗压强度、抗拉强度和拉伸粘结强度等逐渐降低，长期使用效果不断下降［2-4］。如何提高玻化微珠保温砂浆的抗冻性能吸引了学者和工程人员的高度关注。研究表明，橡胶颗粒可以提高普通砂浆、普通混凝土和再生混凝土的抗冻性能［5-7］，然而对玻化微珠保温砂浆抗冻性能的影响研究几无相关报道。鉴于此，本文将改性橡胶颗粒掺入玻化微珠保温砂浆中，制备了24 组保温砂浆试块，进行冻融循环试验，选取质量损失率和相对立方体抗压强度两个指标，研究了橡胶颗粒掺量和粒径对玻化微珠保温砂浆抗冻性能的影响规律，为其推广应用提供参考。

1 试 验

1.1 试验材料

玻化微珠保温砂浆：上海舜安建材有限公司生产的玻化微珠无机保温砂浆预拌干粉；橡胶颗粒：宿迁兴亚橡胶有限公司生产的0.55～2.36 mm、0.38～0.55 mm、2.36～4 mm 三种细度的橡胶粒粉；改性剂：硅烷偶联剂KH-550；拌合水：自来水。

1.2 橡胶颗粒改性方式

为减小橡胶颗粒对玻化微珠保温砂浆强度的不利影响，对橡胶颗粒表面进行改性处理。根据课题组研究结果，硅烷偶联剂KH-550改性效果较好［8］，故采用此种改性方式。具体步骤如下：称取1.5%橡胶颗粒质量的硅烷偶联剂KH-550，按KH-550∶乙醇∶水=20%∶72%∶8%的比例混合、配制偶联剂溶液，然后将橡胶颗粒与偶联剂溶液充分搅拌均匀润湿，最后放在阴凉处直至颗粒表面完全干燥［8］。

1.3 保温砂浆试块分组

配制玻化微珠无机保温砂浆时，取预拌干粉∶水=1∶0.8（质量比）；保持该比例不变，掺入不同掺量和粒径的橡胶颗粒，掺量分别为预拌干粉质量的0、10%、20%、30%，粒径范围分别为0.55～2.36 mm、0.38～0.55 mm、2.36～4 mm，分别用编号A、B、C 表示；试验过程中冻融循环次数N取 0、15、25、50次。设计24组70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm保温砂浆立方体试块，每组3个。试块分组详见表1。

表1 玻化微珠保温砂浆试块分组Table 1 Group of glazed hollow beads thermal insulation mortar samples

1.4 试验方法

称取各材料用量，向搅拌机中倒入预拌干粉和橡胶颗粒，干拌2 min，使橡胶颗粒在干粉中分散均匀，然后徐徐加入水，搅拌3 min，倒出均匀膏状料浆，装入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 试模中，振捣后用塑料薄膜覆盖并放入养护室中进行养护。养护28 天后取出试块放入（80±3）℃环境下烘干24 h，称量各组试块的初始质量，然后将冻融试块浸泡在（15～20）℃的水中，水面高出冻融试块20 mm 以上，2 天后取出冻融试块并将其表面水分擦干，利用英贝儿（天津）IMDR-16 型快速冻融试验机分别完成15 次、25 次、50 次的冻融循环试验，每次冻融循环（3～4）h。在冻结和融化过程中，试块的最低温度控制在（-16～-20）℃，最高温度控制在（3～7）℃。冻融试验结束后，将冻融试块放入（80±3）℃的条件下烘干24 h，然后进行称量，参照《建筑砂浆基本力学性能试验方法标准》（JGJ/T 70—2009）测定各组试块的立方体抗压强度。

2 试验结果与分析

2.1 质量损失率

冻融循环后保温砂浆试块的质量损失率按式（1）计算：

式中：Δmm为N次冻融循环后保温砂浆试块的质量损失率；m0为冻融循环前保温砂浆试块的质量；mn为N次冻融循环后保温砂浆试块的质量。

各组保温砂浆试块的平均质量损失率计算结果如图1所示。

图1 保温砂浆试块质量损失率Fig.1 Mass loss rate of thermal insulation mortar samples

从图1 可以看出，各组保温砂浆试块的质量损失率均随着冻融循环次数的增加而增大。以未掺橡胶颗粒的试块W 为例，经历15 次、25 次冻融循环后，试块表面开始变得粗糙，少许砂浆脱落，质量损失率分别为5.24%、6.89%，经历50 次冻融循环后，试块表面非常酥松，极易剥落，破损严重，质量损失率快速增加到14.28%。

试验发现，掺入橡胶颗粒后，各保温砂浆试块的完整性均好于未掺橡胶颗粒的保温砂浆试块W，质量损失率也有不同程度的降低。图1（a）反映了橡胶颗粒掺量与保温砂浆试块质量损失率的变化关系。由图1（a）可知，经历相同次数的冻融循环作用后，保温砂浆试块A10、A20、A30 的质量损失率均小于试块W，且橡胶粒掺量越多，质量损失率越小。在15 次冻融循环时，试块A10、A20、A30 的质量损失率相较于试块W 分别降低了9.9%、15.1%和17.3%；在25 次冻融循环时，试块 A10、A20、A30 的质量损失率比试块 W 分别降低了11.6%、15.4%和24.5%；经历50 次冻融循环后，试块A10、A20、A30 的质量损失率的降低幅度更大，分别达到了20.7%、24.5%和53.8%。同时发现，试块A30 的质量损失率随冻融循环次数的增加而增大的速度明显慢于其余试块，仅由15 次冻融循环时的4.33%增至50 次冻融循环时6.6%。这说明橡胶颗粒可以降低冻融循环作用下保温砂浆试块的质量损失率，橡胶颗粒掺量越多，试块的质量损失越小，抗冻性越好；当掺量较大（≥30%）时，橡胶颗粒能够显著削弱试块的质量损失率峰值，降低试块的质量损失率增幅，对提高试块的抗冻性更加有利。

图1（b）反映了橡胶颗粒粒径与保温砂浆试块质量损失率的变化关系。结果显示，在相同次数的冻融循环作用后，随着橡胶颗粒粒径的增加，保温砂浆试块B20、A20和C20的质量损失率总体上表现出增大的趋势，试块的抗冻性逐渐降低。经过 15 次冻融循环时，试块 B20、A20 和 C20 的质量损失率相差很小，橡胶颗粒粒径对质量损失率的影响差异并不显著；经过25 次冻融循环时，掺入粗橡胶颗粒的试块C20 的质量损失率增加较多，约为试块 A20 和 B20 的 1.4 倍；经过 50 次冻融循环后，掺入细橡胶颗粒的试块B20 的质量损失率最小，仅为7.44%，而试块A20、C20 的质量损失率分别为10.78%、11.2%，分别增大1.45 倍、1.51倍。整个冻融循环过程中，试块B20 的完整性始终最好，质量损失率最小，增长速度也最为缓慢，说明细颗粒橡胶更有助于提高试块的抗冻性。

2.2 相对立方体抗压强度

经过 0、15 次、25 次、50 次冻融循环作用后各组保温砂浆试块的立方体抗压强度平均值fcu见表2。

试验结果表明，随着冻融循环次数的增加，各组保温砂浆试块的立方体抗压强度均逐渐降低。例如试块 W，经过 15 次、25 次、50 次冻融循环作用后，试块的立方体抗压强度分别降低了6.3%、14.61%、15.22%。为描述冻融后各组试块立方体抗压强度的衰减程度，定义不同次数冻融循环作用下试块的立方体抗压强度与未冻融试块的立方体抗压强度之比为相对立方体抗压强度Δfcu，该值越大，冻融后试块的立方体抗压强度衰减越小，抗冻性越好。不同橡胶颗粒掺量、不同橡胶颗粒粒径的保温砂浆试块的相对立方体抗压强度随冻融循环次数的变化分别如图2、图3所示。

表2 冻融循环作用下各组保温砂浆的立方体抗压强度Table 2 cubic compressive strength of thermal insulation mortar samples under freeze-thaw cycle

图2 不同橡胶颗粒掺量的试块相对立方体抗压强度Fig.2 Relative compressive strength of thermal insulation

图3 不同橡胶颗粒粒径的试块相对立方体强度Fig.3 Relative compressive strength of thermal

分析图2 可得，掺加橡胶颗粒后，在相同次数的冻融循环作用下，保温砂浆试块A10、A20、A30的相对立方体抗压强度均大于试块W，且随着橡胶颗粒掺量的增加，试块的相对立方体抗压强度呈现增大的趋势，抗冻性不断提高。在冻融循环15 次、25 次时，试块W 的相对立方体抗压强度分别为0.937、0.854，冻融后抗压强度衰减较快，而试块A10、A20、A30 的相对立方体抗压强度均在0.98以上，冻融后抗压强度几乎无损伤，说明橡胶颗粒大大减缓了冻融后试块的抗压强度的下降幅度，但掺量影响的差异较小；在冻融循环50 次时，橡胶颗粒掺量越大，试块的相对立方体抗压强度也越大，但试块A10、A20 的相对立方体抗压强度已与试块 W 相差不大，在 0.85～0.87 之间，冻融后试块的抗压强度下降较多，而试块A30 的相对立方体抗压强度仍在0.9以上，冻融后试块的抗压强度损伤不超过10%，依然保持良好的抗冻性能。总体来看，橡胶颗粒掺量越大，试块的相对立方体抗压强度越大，折线变化越平缓，冻融后试块的抗压强度衰减越缓慢，抗冻性越好。

图3 反映了橡胶颗粒粒径对保温砂浆试块相对立方体抗压强度的影响。在相同次数的冻融循环作用下，随着橡胶颗粒粒径的增加，试块B20、A20 和C20 的相对立方体抗压强度随之下降，抗冻性能逐渐劣化。在冻融循环15 次、25 次时，试块B20 的相对立方体抗压强度分别为0.996、0.986，冻融后抗压强度几乎无下降，试块A20、C20 的相对立方体抗压强度略有下降，但仍在0.96 以上，抗压强度降低不多；在冻融循环50 次时，试块B20的相对立方体抗压强度为0.911，而试块A20、C20 的相对立方体抗压强度分别下降到0.871、0.862，抗压强度损伤接近15%，抗冻性能退化较多。因此，细橡胶颗粒更有利于减缓试块的立方体抗压强度降低幅度，提高试块的抗冻性能。

综上所述，橡胶颗粒能够改善保温砂浆试块的抗冻性能，橡胶颗粒掺量越高、橡胶颗粒粒径越小，经历相同次数的冻融循环后，试块的质量损失率和立方体抗压强度损伤越小，随着冻融循环次数的增加，试块的质量损失率和立方体抗压强度的下降幅度越平缓，试块的抗冻性越好。在橡胶颗粒掺量为10%～30%、橡胶颗粒粒径为0.38～4 mm 的范围内，掺量为30%、粒径范围为0.38～0.55 mm的玻化微珠保温砂浆的抗冻性能最好。

2.3 机理分析

玻化微珠保温砂浆的抗冻性主要与砂浆内部的孔隙结构有关。橡胶颗粒容易包裹空气，将其掺入到砂浆中，会在砂浆内部引入封闭气孔，增大砂浆的含气量；橡胶颗粒掺量越大，砂浆的含气量越大，硬化后孔隙率越高，可以缓冲冻融循环时对砂浆的膨胀压力作用，减缓冻融裂缝的扩展，保持砂浆的完整性，降低砂浆的质量损失和抗压强度衰减，从而提高砂浆的抗冻性。再者，橡胶颗粒具有良好的弹性特征，也可在一定程度上缓冲冻融时的膨胀压力作用，提高砂浆的抗冻性。

当掺入相同质量的橡胶颗粒时，橡胶颗粒粒径越小，比表面积越大，在砂浆内部引入的微小封闭孔隙越多，从而越有利于改善砂浆的抗冻性。

3 结 论

（1）随着冻融循环次数的增加，玻化微珠保温砂浆的质量损失率逐渐增大、立方体抗压强度逐渐降低，冻融损伤不断加剧。

（2）橡胶颗粒可以在玻化微珠保温砂浆内部引入微小封闭气孔，增大砂浆的含气量，缓冲冻融循环对砂浆的膨胀压力作用，提高砂浆的抗冻性；橡胶颗粒掺量越高、橡胶颗粒粒径越小，保温砂浆的抗冻性越好。

（3）在橡胶颗粒掺量为10%～30%、橡胶颗粒粒径为 0.38～4 mm 的范围内，掺加 30%、0.38～0.55 mm 的橡胶颗粒时，经历相同次数的冻融循环后，玻化微珠保温砂浆的质量损失率和抗压强度衰减最小，随着冻融循环次数的增加，玻化微珠保温砂浆的质量损失率和抗压强度的下降幅度最平缓，抗冻性能最好。