橡胶粉、稻壳灰/硅灰改性 铁路工程用的水泥砂浆试验

王阳

摘 要：针对传统铁路工程用的水泥砂浆抗冻融性和抗渗透性差的问题，提出用稻壳灰替代一部分硅灰，用橡胶粉替代一部分水泥对砂浆进行改性。以水泥砂浆性能为指标，对水泥砂浆的配比进行设计。结果表明：当橡胶粉替代水泥量为8%，稻壳灰掺量为100%时，28 d水泥基体抗压抗折强度下降了34.5%，质量损失率降低了28.5%，相对动弹性模量降低了 21.8%。

关键词：水泥砂浆;稻壳灰;力学性能;耐久性能

中图分类号：TQ172 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2022）05-0051-05

Test of cement mortar for railway engineering modified by rubber powder， rice husk ash/silica fume

Abstract： In view of the poor freeze-thaw resistance and permeability of cement mortar used in traditional railway engineering， it is proposed to modify the mortar by replacing part of silica fume with rice husk ash and part of cement with rubber powder. Taking the performance of cement mortar as the index， the proportion of cement mortar is designed. The results show that when the amount of rubber powder replacing cement is 8% and the proportion of rice husk ash replacing silica fume is 100%， the compressive strength， and flexural strength， mass loss rate and relative dynamic elastic modulus of 28 d cement matrix are reduced by 34.5%， 28.5% and 21.8% respectively.

Key words： cement mortar;rice husk ash;mechanical properties;durability

水泥支柱作为铁路轨道的重要支撑物，为铁路运输的安全保驾护航。受环境的影响，铁路轨道材料长时间暴露在空气中，因此对水泥砂浆的抗冻融性能和抗渗透性能要求较高。但传统水泥砂浆受材料特性限制，满足不了铁路轨道所需要的抗冻融和抗渗透要求。在使用一段时间，易出现冻融开裂的现象，给铁路安全运输带来极大的安全隐患。因此对铁路工程用的水泥砂浆改性，受到众多学者的研究，如王小凡[1]用多壁羧基碳纳米管为增强物质，对水泥砂浆的抗压性能进行优化。结果表明，随着增强物质掺量从0.01%增加至0.10%，砂浆在7 d龄期的抗压强度从14.9%提升至44.8%;梁秋爽[2]则尝试以水性环氧树脂为主要原材料，对碱矿渣水泥砂浆进行改性。结果表明：掺入适量聚合物环氧树脂溶液可以有效地改善水泥砂浆的力学和耐SO42-腐蚀性能。但碱矿渣水泥砂浆还存在体积稳定性较差的问题，使其无法在铁路工程中得到应用。为增强水泥砂浆在铁路工程中的应用，本文首先将橡胶粉掺入水泥砂浆中，增强水泥砂浆的延性，但单掺橡胶粉可能对水泥砂浆的力学性能产生一些不利影响。稻壳的穹形结构中富含硅元素，其燃烧产物具备较为优良的火山灰活性和微集料填充效应，化学成分与硅灰较为类似，且价格低廉，在橡胶粉水泥砂浆中用稻壳灰替代一部分硅灰，不仅可以补偿橡胶粉对水泥砂浆力学性能的缺陷，还能与橡胶对水泥砂浆性能的改善起叠加作用，满足目前废弃资源回收利用的要求。借此研究，为橡胶和稻壳灰在水泥砂浆中的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

本试验主要材料：水泥（济宁嘉砼水泥制品有限公司，P.O42.5）、稻壳灰（自制，比表面积：62.1 m2/g）、硅灰（靈寿县石航建材有限公司，比表面积：25 m2/g）、河沙（灵寿县顺诚矿产品加工厂，粒径 0～4.75 mm ）、橡胶粉（灵寿县茂卓建材有限公司，40 目）、聚羧酸高效减水剂（济南源飞伟业化工有限公司，CP）。

本试验主要设备为：全自动水泥抗压抗折试验机（济南友创试验机有限公司，YAW-300E）、微机控制压力试验机（济南九望仪器有限公司，YAW-2000B）、自动数控低温冰箱（山东博华医疗科技有限公司，DW-40W128）、混凝土搅拌机（济宁市鼎诚工矿设备有限公司，MJZC-150）、混凝土电通量测定仪（邢台智冠机械科技有限公司，DTL-6）。

1.2 试验方法

1.2.1 配合比设计

本试验在水泥取代率为8%的前提下，橡胶粉替代细骨料，稻壳灰逐步替代硅灰。具体配合比设计如表1所示。

1.2.2 试件制备

（1）将橡胶粉、硅灰和稻壳灰依次放入MJZC-150型混凝土搅拌机内干拌，干拌时间为2 min，然后将剩余材料放入搅拌机内，搅拌3 min。

（2）将搅拌均匀的材料倒入制作好的模具中。为避免橡胶粉在基体上出现上浮，制作试件时，振捣时间稍微延长，为10 s。养护1 d后，置于标准养护箱中养护至指定龄期。标准养护箱温度和相对湿度分别为（20±2） ℃和95%。

1.3 性能测定

1.3.1 力学性能测试

参照GB/T 50081─2002标准，测定水泥砂浆抗压强度[3]。

抗压强度表达式为：

式中：fcc为抗压强度;A为实际承压面积;F为破坏荷载。

参照GB/T 17671─1999标准，测定水泥砂浆抗折强度[4-5]。

抗折强度表达式为：

式中：Rf为抗折强度;b为试件截面边长;L为支撑间距;Ff为中部荷载。

1.3.2 耐久性能测试

参照GB/T 50082─2009的标准，测定水泥砂浆抗冻性能[6]。

相对动弹性模量表达式为：

式中：fni为横向基频;Pi为相对动弹量模量;foi为横向基频初始值。

质量损失率表达式为：

式中：Wni为质量损失率;Woi、Wni分别为冻融循环前、后试件质量。

参照GB/T 50082─2009测定水泥砂浆抗氯离子渗透性能[7]。测试参数如表2所示。

6 h总电通量表达式：

式中：Q为总电通量;I0为初始电流量;It为t时刻通过试件电流值。

2 结果与讨论

2.1 力学性能测试结果

2.1.1 抗压强度结果分析

图1和图2分别为橡胶粉、稻壳灰掺量对抗压强度影响。

由图1可知，掺入橡胶粉后，抗压强度降低。此原因为橡胶粉并不具备承载能力，在水泥基体内部不起承压作用，抗压面积有所减小，再加上橡胶粉疏水特性，无法与水泥基体粘结，连接界面易形成微型气泡群，在水泥砂浆基体中分布均匀。因此橡胶粉与砂浆接触界面属于缺陷区域，受荷载时，易出现应力集中产生裂缝，造成水泥基体的破坏[8]。

由图2知，随稻壳取代硅灰比例的增加，水泥基体的抗压强度略微增加，但增长趋势不明显。这是因为稻壳灰本身表面积较大，在水泥基体内部能提高自由水吸收程度，降低水灰。养护时间缓慢增加，基体内部自由水慢慢释放，继续水化反应，进而起到内养护作用[9-10]。同时，稻壳灰自身粒径较小，能填充水泥基体内部孔隙，在这两种性能的共同作用下，水泥基体抗压强度增加。

2.1.2 抗折强度分析

图3、图4分别为水泥砂浆抗折强度随橡胶粉和稻壳灰掺量的变化。

由图3、图4可知，随橡胶粉、稻壳灰掺量变化，水泥砂浆抗折强度变化与抗压强度变化类似，但相同掺量下，抗折强度优于抗压强度。这是因为橡胶本身抗拉能力较好，因此对水泥基体的延性有一定提升作用。

2.2 耐久性能测试结果

2.2.1 抗冻性能测试结果

图5、图6为不同橡胶粉掺量水泥砂浆质量损失率和动弹性模量的影响。

由图5可知，掺入橡胶粉后，水泥基体质量损失率降低，说明橡胶粉提升了试件的抗冻性能。这是橡胶粉疏水特性导致的，当橡胶粉基体内部均匀分布，橡胶粉表面封闭的微小气泡缓解内部冰胀压力和毛细水渗透压。同时，橡胶粉弹性作用下，基体内部孔隙被填充，阻断了毛细水的渗透，削弱了冻胀过程的应力，进而增加水泥基体的抗冻性能。

由图6可知，橡胶粉掺量对水泥基体相对动弹性模量关系为正相关。220次冻融循环后，8%橡胶粉掺量试件具有较高的抗冻，这说明橡胶粉可抑制水泥基体内部缺陷的开展，减轻水泥基体内部劣化程度，增加了水泥基体的抗冻性能。

图7、图8分别冻融循环后，水泥砂浆质量损失率、相对动弹性模量变化。

由图7可知，掺入稻壳灰后，质量损失率降低。由图8可知，经冻融后，水泥基体的动弹性模量与稻壳灰掺量为正相关，当稻壳灰替代率超过50%时，相对动弹性模量趋于稳定;当替代率为100%时，相对动弹性模量比基准混凝土降低21.8%。这也是因为稻壳灰比表面积和活性较高，对水泥基体内部起养护作用导致。

2.2.2 抗氯离子渗透率测试结果

图9为水泥基体6 h电通量与橡胶粉掺量关系。

由图9可知，试件6 h电通量随橡胶粉掺量增加而降低。说明掺入橡胶粉后，水泥基体抗氯离子渗透性能增加，这也得力与橡胶疏水性产生的微型气泡群，对毛细孔的连续性产生影响，出现离散的现象，水分渗透通道减小，阻碍了氯离子的扩散。同时，受橡胶粉粒径的影响，对水泥基体内部孔隙有填充和分割作用，使之成为无数独立空间，阻碍水分渗透，降低水泥基体抗氯离子渗透性。

图10为混凝土6 h电通量对稻壳灰掺量变化。

由图10可知，试件6 h电通量随稻壳灰掺量变化表现出波浪形变化。当稻壳灰取代率为25%和100%时，抗氯离子渗透性能较优，说明稻壳灰增强了水泥基体抗氯离子渗透性能。这也是受稻壳灰表面积和活性较高和“内养护作用”影响。

3 结语

（1）橡胶粉对水泥基体抗压抗折强度产生不良影响，可增加水泥基体的延性。而稻壳灰水泥基体抗压抗折强度有积极影响;

（2）橡胶粉和稻壳粉皆对水泥基体抗冻性能和抗氯离子渗透性能有积极的影响。稻壳灰最佳取代量为100%。

【参考文献】

[1]王小凡，余天琦，陈正，等.一种多壁羧基化碳纳米管改性水泥砂浆的抗压强度研究[J].混凝土，2021（8）：110-112，121.

[2]梁秋爽.水性环氧树脂改性碱矿渣水泥砂浆的性能增强研究[J].贵阳学院学报（自然科学版），2021，16（1）：100-103.

[3]魏靖，刘杰胜，付弯弯，等.预处理磷石膏水泥砂浆基本物理性能研究[J].武汉轻工大学学报，2021，40（2）：45-50，86.

[4]许亮，陈嘉健，夏勇，等.硅溶胶改性海工水泥性能及水化机理研究[J].佛山科学技术学院学报（自然科学版），2021，39（3）：68-74，80.

[5]徐春一，王凯乐，阎磊.蒸压加气混凝土薄灰缝砌体新型专用粘结剂性能研究[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版），2021，37（3）：462-469.

[6]魏致强，王远贵，齐孟，等.没食子酸协同聚羧酸减水剂分散氧化石墨烯及其对水泥砂浆性能的影响[J].材料导报，2021，35（10）：10 042-10 047.

[7]李洋，刘杨.聚乙烯醇掺量对桥面铺装混凝土性能的影响[J].山东交通学院学报，2021，29（2）：38-42.

[8]唐家云，黎红兵，薛伶俐，等.磷酸镁水泥基材料的改性研究[J].新型建筑材料，2021，48（5）：74-77.

[9]朱德舉，彭卓，任京华，等.玄武岩织物增强碱激发砂浆高温后抗弯力学性能[J].湖南大学学报（自然科学版），2021，48（6）：1-7.

[10]冯玉洁，朱建平，王立，等.氧化石墨烯对矿渣水泥抗压强度及微观结构的影响[J].河南理工大学学报（自然科学版），2021，40（6）：169-175.

收稿日期：2019-11-09;修回日期：2022-04-24

作者简介：王    阳（1988-），男，本科，工程师，研究方向：铁路工程试验检测。