橡胶颗粒改性水泥砂浆的微观孔结构研究

2022-09-14周仙奕莫俊杰

广东公路交通 2022年4期

周仙奕，莫俊杰

(1. 大连国际机场股份有限公司，辽宁大连 116033；2. 佛山市三水区公路养护中心，广东佛山 528100)

0 引言

水泥是道路工程的重要材料之一，改性方式包括聚合物改性、橡胶改性、纤维改性等，其中掺入废弃橡胶颗粒的改性方式既可以降低原材料的成本，也能减少废弃橡胶对大自然的污染，是一种前途较广的水泥材料改进发展方向，目前橡胶颗粒改性水泥砂浆的研究多集中于水泥混凝土、水泥稳定碎石等方面。

掺入橡胶颗粒改性的水泥砂浆和原水泥材料性能差异较大。吕松涛[1]等的研究表明，橡胶颗粒的掺入会降低水泥稳定碎石的抗压强度，且掺量越大降低幅度越大。Sukma[2]等测试加入表面活性剂和天然橡胶的水泥浆体后，试验结果表明橡胶改性水泥基材料的抗折强度和韧性有所提高，而扫描电子显微镜观察到水泥浆体中存在橡胶薄膜和气泡。李淑媛[3]利用疲劳、干缩和温缩等试验，发现掺入橡胶粉后水泥稳定碎石的疲劳性能提高，干缩应变和温缩系数减小。傅强[4]等研究掺入橡胶集料的密实混凝土抗硫酸盐侵蚀性能，试验结果表明橡胶颗粒掺量为10%的水泥混凝土抗硫酸盐侵蚀能力较强。薛刚[5]等发现橡胶颗粒掺入使得水泥砂浆的韧度增强，但橡胶颗粒掺入水泥混凝土后其强度有所降低，而同时掺入塑钢纤维将有助于提高橡胶颗粒改性水泥混凝土的抗压强度。乔伟伟[6]等的研究表明，加入橡胶颗粒后水泥混凝土的韧性得到改善。张海波[7]等研究了橡胶颗粒掺入水泥砂浆后的孔隙结构变化情况，试验结果表明橡胶颗粒具有引气作用，增加了水泥砂浆的气孔含量，有利于改善水泥基材料的抗冻性。于勇[8]等通过压汞试验探究橡胶颗粒对水泥砂浆干燥收缩特性的影响，试验结果表明橡胶颗粒的掺入增加了水泥砂浆微小孔隙(<50nm)，因而提高了水泥砂浆的抗干燥收缩能力。

综上所述，已有的研究表明，橡胶颗粒改变了水泥基材料的孔隙结构，改善了其抗收缩性能及抗冻性能，使得橡胶颗粒改性的水泥基材料抗压强度等力学性能呈现一定程度的下降，但目前对橡胶颗粒掺入后水泥基材料的微观孔结构的研究较少。本文以此为切入点，采用压汞试验对掺入低掺量橡胶颗粒的水泥砂浆微观孔结构进行分析，并对橡胶颗粒掺量与水泥砂浆孔隙结构的关系进行分析，为橡胶颗粒改性的水泥基材料的实际应用提供参考。

1 试验方案

1.1 原材料

压汞试验采用硅酸盐水泥P.I 42.5R(海螺牌)，该型水泥为I类硅酸盐水泥，具有早期水化速度较快的特点。水泥砂浆所用的砂为细河砂；试验中掺加的水为标准蒸馏水；橡胶颗粒购自湖南省合得利橡胶有限公司，粒径为60目。由于橡胶颗粒中可能含有常温时不溶于水硬脂酸和石蜡，这些杂质会影响水泥和橡胶的粘结作用，因此需要对水泥砂浆加入的橡胶颗粒进行改性。本文试验中所使用的改性剂为偶联剂SCA-N-01，此改性剂同时还具有缓凝的效果。

1.2 配合比

本文试验中制备的试件的水泥砂浆设计水灰比均为0.55，掺入橡胶颗粒粒径为60目，橡胶颗粒的掺入方式为等体积替代砂。考虑到研究较小比例的橡胶颗粒的掺入作用，本次试验中橡胶颗粒的具体替换比例为2%、4%、6%，并单独设置不添加橡胶颗粒和改性剂的对照组和不加入橡胶颗粒但掺加1%水泥质量的SCA-N-01偶联剂的试验组。各试验组和对照组的具体配合比见表1。

表1 试验材料配合比

1.3 试件制备及试验仪器

橡胶颗粒改性水泥砂浆试件模具为自制的圆柱体模具，尺寸为内径30mm、高度50mm。具体的操作流程：称量材料配合比，清洁搅拌仪器；将水和水泥倒入搅拌锅，低速搅拌，随后加入改性剂以及橡胶颗粒与砂的混合物，继续搅拌；将橡胶颗粒改性水泥砂浆分两层浇筑入模具，并振动与抹平；试件制备结束后放入标准养护室中等待24h后脱模。在20℃、相对湿度95%的环境下分别养护两组试件7d和14d,养护后从水泥砂浆试件中部切割出边长为10mm的立方体小块,将切割后的水泥砂浆立方体试件浸泡在无水乙醇中48h终止水泥砂浆的水化过程。

本次试验采用美国Micromeritics公司生产的全自动压汞仪Autopore IV9510进行压汞试验，压汞仪包括1个高压站和2个低压站，其中高压站的最大压力可达60 000psi(414MPa)，可测孔径范围为3.6nm～400um。

2 压汞试验结果分析

2.1 孔隙参数

2.1.1 孔隙率和比孔容

孔隙率为水泥砂浆孔隙总体积与水泥砂浆固体总体积的比例，比孔容是单位重量的水泥砂浆内部真实孔体积之和。孔隙率和比孔容都能表现水泥砂浆内部孔隙的占比，图1为本文制备的水泥砂浆试验组和对照组中各试件的孔隙率和比孔容对比图。

图1 橡胶改性水泥砂浆孔隙率与比孔容

由图1的试验结果可知：

(1)不添加橡胶颗粒仅添加改性剂的水泥砂浆试验组SNS7C、SNS14C与未添加改性剂和橡胶颗粒的对照组SNS7、SNS14相比，7d和14d的孔隙率均大幅度增加，但比孔容变化不大。

(2)对于7d和14d水泥砂浆试验组中，掺加橡胶颗粒与改性剂的试验组与仅添加改性剂的对照组相比，掺入橡胶的试验组的孔隙率下降，其中7d和14d试件孔隙率最多分别减少42.0%和55.7%，而7d和14d水泥砂浆试验组试件的比孔容则有所增加，最高增加34.3%和50.0%。

(3)橡胶颗粒掺量的变化会导致水泥砂浆孔隙率和比孔容变化，在掺量为2%～6%范围内养护7d的水泥砂浆试验组孔隙率随橡胶掺量增加呈现先增加后减少的趋势，养护14d的水泥砂浆孔隙率则表现为先减少后增加的趋势；另一方面，随着橡胶颗粒掺量的增加，7d、14d水泥砂浆试验组的比孔容分别呈现先增加后减少和先减少后增加的趋势。

(4)孔结构与水泥砂浆的宏观性能密切相关，在一定程度上孔隙越少水泥砂浆的抗压强度性能越高[6-7]，因此在各试验组中，橡胶颗粒掺量为4%的14d水泥砂浆试验组表现更优秀，其孔隙率和比孔容均较低。

2.1.2 分形维数

不同于孔隙率和比孔容，分形维数则是另一种分析微观孔隙变化的方式。分形维数是用于描述物体的复杂性与不规则性的分形理论的量化表现[9]，而水泥材料的微观结构特征具有明显的分形特征，可以采用分形维数来表征其孔隙均匀性[10-11]。本文采用应用普遍、可靠性较高的Menger海绵模型来计算分形维数[12]，并绘制水泥砂浆试件的分形维数比较图，如图2所示。

图2中与仅加入改性剂的SNS7C试验组相比，试验组中7d水泥砂浆试件在加入橡胶颗粒后分形维数略有提升，但随着橡胶颗粒含量的增加，分形维数小幅度下降甚至低于SNS7C试验组。试验组中14d水泥砂浆试件在加入橡胶颗粒后分形维数却略有下降，并且橡胶颗粒掺入量的增加会导致分形维数进一步下降。由于分形维数越大、材料孔隙结构分布越不均匀，可以判断橡胶颗粒可调节水泥砂浆的孔径分布，并且养护时间的延长和橡胶颗粒含量的增加都会导致水泥砂浆的孔隙结构变得更加均匀，这与压汞试验中孔隙数据结果一致。

2.2 孔径分布

总孔隙率、总孔容等方式难以具体表现橡胶颗粒掺入后水泥砂浆的孔结构变化，而进行孔径划分则能更好地观察水泥材料的微观孔隙结构，从而预测其宏观性能的变化。本试验着重观察橡胶颗粒的影响过程和结果，采用按孔隙生成类型划分的Powers划分法[13]，对压汞试验中收集到的孔结构数据进行孔隙划分。

表2 孔结构分类(Powers划分法[13])

图3和图4所示的Powers划分法从孔结构生成角度展现了水泥砂浆在橡胶颗粒作用下各孔径孔结构比例的变化：

图3 凝胶孔和毛细孔划分

图4 引气孔划分

(1)对于7d水泥砂浆试件，未添加橡胶颗粒时改性剂会导致水泥砂浆凝胶孔、毛细孔和引气孔总量减少。掺入橡胶颗粒后水泥砂浆的凝胶孔和引气孔的体积会增加，而毛细孔的体积在橡胶为2%比例的试验组中减少，4%、6%比例的试验组中增加。在2%～6%范围内，橡胶颗粒含量的增加会导致凝胶孔和引气孔体积的减少和毛细孔的增加。

(2)对于14d水泥砂浆试件，凝胶孔数量极少，未添加橡胶颗粒时改性剂会导致水泥砂浆毛细孔和引气孔总量减少。掺入橡胶颗粒后水泥砂浆的毛细孔体积增加而引气孔数量减少，且在橡胶颗粒掺量为2%～6%范围内，橡胶颗粒含量的增加会导致水泥砂浆毛细孔体积先减少后增加。

(3)结合于泳[14]和莫启华[15]等对水泥砂浆微观孔结构的分析可知，大孔(>1 000nm)的增加会导致水泥砂浆的抗压强度降低，抗冻性能增强。而本试验中7d水泥砂浆在加入橡胶颗粒后引气孔体积同样增加，但14d水泥砂浆在加入橡胶颗粒后引气孔体积小幅度降低，表明在小掺量的60目橡胶颗粒和改性剂作用下，水泥砂浆的抗压强度同样会降低、抗冻性能提升，但养护时间的增长和橡胶颗粒含量的适当提升反而能够提高水泥砂浆的抗压强度，这可能是由于橡胶颗粒及硅烷偶联剂的缓凝作用所致。因此，可以认为橡胶颗粒的适当掺加可能改善水泥基材料的抗压强度和抗冻性，这与窦悦铭[16]在橡胶改性水泥混凝土的抗压强度和抗冻性能研究结果一致。

(4)橡胶颗粒的掺入可能会影响水泥砂浆水化反应程度，从而增加毛细孔的数量，并且在水化过程中橡胶颗粒会引入更多气体，导致引气孔数量增加，这与梁金江[17]对橡胶改性的引气作用分析结果一致。