復合橡膠顆粒用于混凝土的改性測試研究

趙倩 董旭 鄭明權

摘 要： 為有效利用資源、增強混凝土的抗沖磨性能，對橡膠顆粒采用5%NaOH改性和5%NaOH+1%KH560復合改性，并以不同橡膠摻量制備了C40改性橡膠混凝土，研究其力學和抗沖磨性能。結果表明：5%NaOH+1%KH560無機加有機復合改性方式的改性效果較優，當摻入20%復合改性橡膠顆粒時，混凝土的抗沖磨強度為20.84 h/（kg·m2），增幅達到250%，磨損率為1.5%，降幅達到71.7%，材料的抗沖磨性能最好，試驗確定摻入8%復合改性橡膠顆粒最佳。此時，混凝土的抗壓、抗折強度、劈裂抗拉強度分別為43.2、3.81、2.09 MPa，抗沖磨強度和磨損率分別為10.77 h/（kg·m2）、2.8%，材料具備良好的力學和抗沖磨性能，制備的5%NaOH+1%KH560復合改性橡膠混凝土，綜合性能良好。

關鍵詞： 橡膠顆粒；混凝土；抗沖磨強度；抗壓強度；抗折強度

中圖分類號： TU528;TQ333.99

文獻標志碼： A ?文章編號： 1001-5922（2023）08-0153-05

Study on modification test of composite rubber particles for concrete

ZHAO Qian1，DONG Xu 1，ZHENG Mingquan 2

（1.Hebei Institute of Environmental Engineering，Qinhuangdao 066102，Hebei China;

2.Yenching Institute of Technology，Langfang 065200，Hebei China）

Abstract： In order to effectively utilize resources and enhance the impact and wear resistance of concrete，5%NaOH modification and 5%NaOH+1%KH560 composite modification was used on rubber particles，and modified rubber C40 concrete with different rubber contents was prepared.Then，its mechanical and impact and wear resistance properties were studied.The experimental results showed that the modification effect of 5%NaOH+1%KH560 inorganic and organic composite modification method was better.When 20% composite modified rubber particles were added，the impact and wear strength of concrete was 20.84 h/（kg·m2），with an increase of 250%，a wear rate of 1.5%，and a decrease of 71.7%.The material had the best impact and wear resistance; This experiment determined that adding 8% composite modified rubber particles was the best.At this time，the compressive strength，flexural strength，and splitting tensile strength of the concrete were 43.2 MPa，3.81MPa，and 2.09 MPa，respectively.The impact wear strength and wear rate were 10.77 h/（kg·m2） and 2.8%，respectively.The material had good mechanical and impact wear properties.In conclusion，the 5% NaOH+1% KH560 composite modified rubber concrete prepared in this experiment has good comprehensive performance.

Key words： rubber particles;concrete;impact and wear resistance;compressive strength;flexural strength

在建設工程中，受到建筑服役環境的影響，混凝土結構容易被損壞，性能下降。而橡膠顆粒的摻入，可以減緩混凝土被磨損，同時，還可以有效利用廢舊橡膠資源，保護環境[1]。對此，為增強橡膠混凝土的性能。例如，通過添加玄武巖纖維，制備了一種改性橡膠混凝土，并對其性能進行研究。結果表明，當在橡膠混凝土中摻入12 mm長的玄武巖纖維時，材料的力學性能最好[2]。通過硅灰、聚丙烯纖維，對橡膠混凝土進行改性。結果表明，最佳橡膠摻量和聚丙烯纖維摻量分別為20%、0.10%；另外，硅灰的摻入，可以使材料的力學性能增強[3]。除此之外，在橡膠混凝土中加入芳綸纖維進行改性。結果表明，當摻入0.7%芳綸纖維時，材料的抗沖擊韌性和抵抗開裂的能力提高[4]。基于此，試驗考慮從橡膠顆粒本身進行改性，采用5%NaOH改性和5%NaOH+1%KH560復合改性這2種改性方式，并以不同橡膠摻量，制備C40改性橡膠混凝土，研究材料的力學和抗沖磨性能。

1 試驗過程

1.1 材料與設備

主要材料：P·O42.5普通硅酸鹽水泥（工業[LL]純，安徽徽麗化工）；天然砂（工業純，石家莊金仁礦產品）[HJ1.8mm]；石灰巖碎石（工業純，靈壽縣梓舒礦產，粒徑5～10、10～20 mm）；橡膠顆粒（工業純，靈壽縣冀西礦產，粒徑2～4 mm）；KH560硅烷偶聯劑（AR，南京羅恩硅材料）；PC-1009型聚羧酸減水劑（AR，山東華運達新材料）；氫氧化鈉（AR，滄州昊信化工）。

主要設備：RD1020型電子天平（深圳市榮達儀器）；WD-300型立式攪拌桶（濟寧威達機械）；JITAI-S10KN型電子多功能試驗機（北京吉泰科儀檢測設備）；33691型混凝土振動臺（河北念晴暄儀器）；W101-1型真空干燥箱（江西龍中機械設備）；HKCM-2沖磨儀（滄州澤睿試驗儀器）。

1.2 試驗方法

1.2.1 配合比設計

本試驗采用的是廢舊輪胎橡膠顆粒，并通過2種改性方法對橡膠顆粒進行處理，分別是5%的NaOH溶液無機改性，5%NaOH+1%KH560無機加有機復合改性。以不同摻量改性后的橡膠顆粒，制備一種建設工程用高質量C40混凝土；混凝土的具體配比方案如表1所示。

1.2.2 橡膠顆粒的改性

（1） 5%的NaOH改性。

用氫氧化鈉和水配置質量分數5%的NaOH溶液，然后將水洗并晾干后的橡膠顆粒，在5%的NaOH溶液中浸泡24 h，之后取出橡膠顆粒，并用水將橡膠顆粒沖洗至中性；

（2）5%NaOH+1%KH560改性。

用無水乙醇和水配置體積分數95%的乙醇溶液，然后用電子天平稱取橡膠顆粒質量1%的KH560硅烷偶聯劑。用95%的乙醇溶液作為溶劑，配置1%濃度的KH560溶液。之后將“（1）”中處理完成的橡膠顆粒繼續浸泡在配置好的1%濃度KH560溶液中24 h，之后取出橡膠顆粒，晾干，備用[5]。

1.2.3 混凝土試件的制備

（1）用電子天平稱取適量的水、天然砂、水泥、石灰巖碎石以及1.2.2中改性后的橡膠顆粒；

（2）將少量的水、天然砂和石灰巖碎石加入攪拌桶中，設置攪拌時間為1 min，進行預攪拌處理；

（3）向攪拌桶中繼續加入剩下的天然砂、石灰巖碎石，并加入適量的水，攪拌2 min。然后在攪拌桶中加入一定量改性橡膠顆粒，繼續攪拌處理1 min；

（4）在攪拌桶中加入適量的水、減水劑，攪拌3 min混合均勻，獲得改性橡膠混凝土砂石漿；

（5）將攪拌好的砂石漿倒入準備好的模具中，然后在振動臺上振動處理2 min，以排出砂石漿內部在攪拌過程中產生的氣泡；

（6）用抹灰刀抹平試件表面多余的漿料，并用塑料膜封口，然后將試件放置在養護室內1 d；

（7）脫模，將試件在養護室內繼續養護相應時間，然后取出試件，放入恒溫65 ℃的干燥箱中處理1 h，最后貯存備用。

1.3 性能測試

1.3.1 抗壓強度

通過萬能試驗機，以20～30 MPa/min的加載速度對試件進行測試，分析材料的抗壓強度。其中，試件尺寸為（100×100×100）mm。

1.3.2 劈裂抗拉強度

通過萬能試驗機以1.8～3.6 MPa/min的速度對試件進行均勻加載，直到試件被破壞，分析材料的劈裂抗拉強度。

1.3.3 抗折強度

通過試驗機對試件進行測試，其中，加載速度為250 N/s，抗折強度計算公式為[6]：

f f= Fl bh2 ???（1）

式中： f f 為抗折強度，MPa； F 為破壞荷載，N； l 為支座跨度，mm； b 為試件的截面寬度，mm； h 為試件的截面高度，mm。

1.3.4 抗沖磨性能

為測試材料的抗沖磨性能，本試驗采用水下鋼球法。先將高100 mm、直徑300 mm的扁圓柱形試件浸泡在水中，48 h后取出試件并擦干，用電子天平記錄初始質量 M 0 。然后，將70個不同大小的鋼球放入沖磨儀器中，并以1 200 r/min的轉速對試件進行沖磨處理72 h。之后，取出沖磨完成的試件，并擦干，再次用電子天平記錄質量 M f ，并分析試件的抗沖磨性能。具體計算公式[7]：

f a= TA M 0-M f ???（2）

L= M 0-M f M 0 ?×100% ?（3）

式中： f a 為抗沖磨強度，h/（kg·m-2）； T 為沖磨時間，h； A 為沖磨面積，m2； M 0 為試件初始質量，kg； M f 為試件沖磨試驗后質量，kg； L 為磨損率，%。

2 結果與分析

2.1 抗壓強度分析

由圖1可知，對于不同的橡膠改性方式，隨著混凝土材料中改性橡膠顆粒的增多，抗壓強度均呈現下降的趨勢。對于未摻入改性橡膠顆粒的空白基準試件，其抗壓強度為46.1 MPa，高于其他摻入改性橡膠顆粒的試件；對于經過5%NaOH溶液改性的試件，當橡膠摻量增多至20%時，抗壓強度下降到29.5 MPa，這與空白基準試件相比，降幅為36.0%；對于用5%NaOH溶液與1%KH560溶液復合改性的橡膠混凝土試件，當橡膠摻量增多至20%時，抗壓強度降到31.4 MPa，這與基準試件相比，降幅為31.9%。這些現象表明，在混凝土中摻入橡膠顆粒，會降低材料的抗壓強度，而5%NaOH+1%KH560橡膠改性方式，可以減緩材料的強度下降。發生以上這些現象的原因是，當在混凝土材料中摻入橡膠顆粒時，由于橡膠具備易變形的特性，因此，混凝土材料中的薄弱點增多。當材料受到外力作用時，材料中的橡膠顆粒容易發生形變，同時，增大材料中的應力集中現象，因此，材料的抗壓能力降低。另外，水泥漿體與橡膠顆粒的結合，相當于在無機非金屬材料中加入了高分子有機物，二者之間的界面粘接強度遠遠低于水泥漿體與天然砂，因此，混凝土材料中界面粘接缺陷增加，材料抗壓強度降低[8-10]。綜上，2種改性方式的橡膠顆粒摻入，均會降低材料的抗壓強度，但5%NaOH+1%KH560改性方式的抗壓強度折減率低于5%NaOH改性方式。

2.2 劈裂抗拉強度分析

圖2為試件劈裂抗拉強度與橡膠摻量、改性方式的關系。

由圖2可知，當混凝土材料中摻入的改性橡膠顆粒逐漸增多時，試件的劈裂抗拉強度不斷下降。對于未摻入改性橡膠顆粒的空白基準試件，其劈裂抗拉強度為2.25 MPa；當摻入4%改性橡膠顆粒時，5%NaOH、5%NaOH+1%KH560 2種改性方式的試件劈裂抗拉強度分別為2.16、2.22 MPa，與空白基準試件相比，降幅分別為4.0%、1.3%，強度折減率較小；此后，隨著橡膠摻量增多，試件的劈裂抗拉強度下降幅度增大，當摻入20%改性橡膠顆粒時，5%NaOH、5%NaOH+1%KH560兩種改性方式的試件劈裂抗拉強度分別降至1.49 MPa、1.78 MPa，與空白基準試件相比，降幅分別為33.8%、20.9%，強度折減率較大，但5%NaOH+1%KH560改性方式優于5%NaOH改性方式。發生以上這些現象的原因是，橡膠顆粒的摻入，相當于在混凝土材料基體中引入了較多的薄弱點和薄弱粘接界面[11-12]。當混凝土試件受到外力作用時，這些薄弱點和薄弱粘接界面會增大材料中的應力集中，材料中的裂紋會不斷延展，最終破壞材料內部結構，因此，試件的劈裂抗拉強度降低[13-14]。綜上，在混凝土材料中摻入改性橡膠顆粒，會降低材料的劈裂抗拉強度，但5%NaOH+1%KH560無機加有機的復合改性方式，可以降低材料劈裂抗拉強度的折減率，改性效果優于5%NaOH無機改性。

2.3 抗折強度分析

圖3為試件的抗折強度與橡膠摻量、改性方式的關系。

由圖3可知，隨著試件中橡膠摻量從0%逐漸增加到20%，抗折強度不斷降低。對于未摻入改性橡膠顆粒的空白基準試件，其抗折強度為4.02 MPa，而其余摻入改性橡膠顆粒的試件抗折強度均較低；當試件中摻入4%橡膠顆粒時，5%NaOH、5%NaOH+1%KH560 2種改性方式的試件抗折強度分別是3.85、3.98 MPa，與空白基準試件相比，降幅分別為4.2%、1.0%，下降幅度較小，且5%NaOH+1%KH560改性方式的試件抗折強度變化不大；當試件中摻入的改性橡膠顆粒增多到20%時，5%NaOH、5%NaOH+1%KH560 2種改性方式的試件抗折強度分別下降至3.12、3.26 MPa，這與空白基準試件相比，降幅分別是22.4%、18.9%。這些現象表明，在混凝土材料中摻入改性橡膠顆粒，會降低其抗折強度，但經過5%NaOH+1%KH560改性的橡膠混凝土，抗折強度下降的程度變小。發生以上這些現象的原因是，橡膠顆粒與水泥漿體之間的界面粘接效果較差，在二者界面粘接處容易產生一些微小的裂縫、孔隙。因此，當橡膠混凝土試件受到外力作用時，這些界面過渡區域的缺陷會作為薄弱區域，裂紋不斷萌生、延展，引起材料整體的強度下降[15-16]。并且，混凝土材料中摻入的橡膠顆粒越多，這種薄弱區域越廣泛，強度越小[17-18]。

綜上，當在混凝土材料中摻入改性橡膠顆粒時，會使材料抗折強度降低。在改性方式方面，采用5%NaOH+1%KH560的改性方式優于5%NaOH改性，這表明，無機加有機復合改性優于單一的無機改性。

2.4 抗沖磨性能

根據“1.3.4”中的測試方法，對不同改性方式、不同橡膠摻量的試件進行測試，結果如圖4所示。

由圖4（a）可知，隨著試件中改性橡膠顆粒摻量的增多，材料的抗沖磨強度不斷增加。對于未摻入改性橡膠顆粒的空白基準試件，其抗沖磨強度為5.95 h/（kg/m2）；當在混凝土試件中摻入4%橡膠顆粒時，5%NaOH、5%NaOH+1%KH560之2種改性方式的試件抗沖磨強度分別上升至6.61、8.86 h/（kg·m2）， 與空白基準試件相比，增幅分別為11.1%、48.9%；當試件中的改性橡膠顆粒摻量增加至20%時，5%NaOH改性試件抗沖磨強度增加至17.23 h/（kg·m2），對比空白基準試件的增幅為190%，而5%NaOH+1%KH560改性試件的抗沖磨強度升高更多，為20.84 h/（kg·m2），增幅達到250%。這些現象表明，在混凝土中加入橡膠顆粒，有利于提高其抗沖磨強度，并且，經過復合溶液改性的橡膠，對材料抗沖磨強度的提升效果更好。

由圖4（b）可知，試件在抗沖磨試驗中的磨損率與橡膠摻量呈現負相關關系，這表明，隨著試件中摻入的橡膠顆粒增多，磨損率下降。對于未摻入改性橡膠顆粒的空白基準試件，其磨損率為5.3%；當混凝土中摻入4%復合改性的橡膠顆粒時，試件的磨損率迅速下降，為3.2%，降幅為39.6%，而對于摻入4%單一無機改性的橡膠混凝土試件，其磨損率為4.4%，降幅僅為17.0%；當試件中的改性橡膠顆粒摻量增多至20%時，5%NaOH、5%NaOH+1%KH560 2種改性方式的試件磨損率分別下降至1.9%、1.5%，這與空白基準試件相比，降幅分別達到64.2%、71.7%。

綜合分析可知，在抗沖磨試驗過程中，對于摻入改性橡膠顆粒的混凝土試件，其表面的砂漿最先被沖磨掉，然后材料內部的粗骨料碎石以及橡膠顆粒逐漸被裸露出來。因為橡膠顆粒是彈性有機體，韌性較好，所以，橡膠顆粒可以吸收較多的沖磨能量，緩解自身與混凝土砂漿之間的沖磨效果，從而增強材料耐磨性能。在5%NaOH、5%NaOH+1%KH560兩種橡膠改性方式方面，經過NaOH溶液浸泡后，橡膠顆粒表面附著的硬脂酸鋅會被溶解，因此，在混凝土材料基體中，橡膠顆粒與水泥漿體之間的界面粘接效果提高。而KH560硅烷偶聯劑中同時含有親有機物和親無機物基團，因此，用KH560硅烷偶聯劑溶液再次對橡膠顆粒進行改性，會使橡膠顆粒與水泥漿體之間的界面粘接效果進一步提高。因此，經過無機加有機復合溶液改性后的橡膠混凝土，具備更好地抗沖磨性能[19-20]。說明橡膠顆粒的加入，可以提高混凝土抗沖磨性能，其中，經過5%NaOH+1%KH560改性的橡膠混凝土最佳。

3 結語

（1）在混凝土中摻入改性橡膠顆粒，會降低材料的抗壓、劈裂抗拉、抗折強度，提高抗沖磨性能；

（2）5%NaOH+1%KH560無機加有機復合改性方式的改性效果，優于5%NaOH單一無機改性；

（3） 在5%NaOH+1%KH560復合改性方式中，當橡膠摻量為20%時，抗沖磨強度為20.84 h/（kg·m2），增幅為250%，而磨損率為1.5%，降幅為71.7%。材料抗沖磨效果最好；

（4）當摻入8%的經過5%NaOH+1%KH560復合改性的橡膠顆粒時，材料的抗壓、抗折強度分別為43.2、3.81 MPa，劈裂抗拉強度為2.09 MPa，抗沖磨強度和磨損率分別為10.77 h/（kg·m2）、2.8%，綜合性能良好。

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