膠粉表面改性對LC50高強輕質混凝土力學性能的影響及機理研究*

崔 磊 陳艷華

(山東交通職業學院公路與建筑學院 濰坊 261206)

膠粉表面改性對LC50高強輕質混凝土力學性能的影響及機理研究*

崔 磊 陳艷華

(山東交通職業學院公路與建筑學院 濰坊 261206)

為有效利用廢舊橡膠粉，改善LC50高強輕質混凝土的力學性能，利用三種改性劑對橡膠粉進行表面改性，研究改性劑類型、橡膠粉摻量和細度對混凝土強度和彎曲韌性的影響，并利用掃描電鏡對其微觀機理進行分析.結果表明，改性后橡膠粉表面極性增強，圓潤度增加，其中司盤40改性后橡膠粉表面的連續性最好.橡膠粉表面改性使混凝土的抗壓強度和彎曲韌性得到明顯改善，其中司盤40改性的混凝土力學性能最佳，當橡膠粉摻量為6%，粒度為180 μm時混凝土在具有良好力學性能的同時能有效利用橡膠粉.改性后的橡膠粉加入混凝土中后，混凝土內部的連續性和密實度更優；相比于粒徑為380 μm橡膠粉，添加粒度為180 μm橡膠粉后，混凝土內部的孔洞更少.

廢舊橡膠粉；高強輕質混凝土；力學性能；微觀機理

0 引 言

高強輕質混凝土是用高強輕骨料、細集料、膠凝材料、水及其他外加劑和礦物摻和料按照一定比例混合均勻硬化后形成的一種強度等級在LC40以上的輕質混凝土[1-3].相比于普通混凝土，高強輕質混凝土具有質量輕、強度高、保溫性和隔熱性能好等優點，因此在海洋工程、橋梁工程及高層建筑中得到了廣泛應用[4-6].然而，與普通混凝土相比，輕骨料混凝土存在抗折強度低、脆性大、韌性差和耐疲勞性能差等缺點[7-9]，因此,限制了其進一步應用.相關研究表明，在輕骨料混凝土中添加橡膠粉能夠顯著改善混凝土的抗折強度和韌性，但會使輕骨料混凝土抗壓強度大幅降低.水泥石屬于無機材料，而橡膠粉屬于有機材料，兩者的極性具有很大差異，造成兩者粘結性能較差.對橡膠粉進行表面改性，能夠極大的提高其表面的極性，使其與水泥石之間具有較高的粘結性能，從而能夠提高輕骨料混凝土的抗壓強度.基于此，文中以三種改性劑對橡膠粉進行表面改性，對比研究了不同改性劑對LC50高強輕質混凝土力學性能的影響，為促進輕骨料混凝土的大范圍推廣提供理論參考.

1 原材料

水泥：某公司生產的P·O52.5普通硅酸鹽水泥，其相關的性能指標分別見表1.細骨料：濰坊安丘河沙，級配基本符合Ⅱ區要求，細度模數為2.6，堆積密度為1 474 kg/m3.輕骨料：山東淄博產碎石型高強頁巖陶粒，粒徑選擇為5～16 mm連續級配，堆積密度為827.2 kg/m3，筒壓強度為7.3 MPa.礦物摻合料：華電濰坊發電有限公司I級粉煤灰.外加劑：某公司生產的聚羧酸高效減水劑，減水率為30%.橡膠粉由某公司生產，粒度分別為380，250，180，150，120 μm，表面不規則且有不規則的蜂窩狀孔洞.改性劑分別選用司盤40、十二烷基苯磺酸鈉和二氯異氰尿酸鈉，其中司盤40可溶于油及有機溶劑，在熱水中呈分散狀，十二烷基苯磺酸鈉為黃色油狀體，經純化可形成六角形片狀結晶，二氯異氰尿酸鈉為白色粉末狀固體，具有較高的氧化性，常作為消毒劑使用.LC50高強輕質混凝土配合比見表2.

表1 水泥的物理性能

表2 LC50高強輕質混凝土配合比

注：預濕時間為24 h.

2 橡膠粉表面改性

稱取一定質量不同粒度的橡膠粉，分別將1%(相對橡膠粉的質量比例)的司盤40和十二烷基苯磺酸鈉倒入一定質量，溫度為60 ℃的水中，并將稱好的橡膠粉倒入兩組溶液中浸泡1 h，均勻攪拌，過濾后放入烘箱中烘干，得到司盤40和十二烷基苯磺酸鈉改性橡膠粉.將二氯異氰尿酸鈉和60 ℃水按25∶2 的比例混合，再將稱好的橡膠粉倒入溶液中浸泡30 min，并均勻攪拌，過濾后放入烘箱中烘干，得到二氯異氰尿酸鈉改性橡膠粉.

2.1 能譜分析

使用EDS(能譜儀)對未改性和改性后的橡膠粉進行能譜分析，并計算橡膠粉表面各化學元素的質量分數和原子比例，結果見表3.

表3 橡膠粉能譜成分 %

由表3可知，經司盤40改性后，橡膠粉表面的氧元素比例增大，而經十二烷基磺酸鈉和二氯異氰尿酸鈉改性后，橡膠粉表面的鈉元素比例增多，這主要是因為氧元素是司盤40的主要成分，而鈉元素是十二烷基磺酸鈉和二氯異氰尿酸鈉的主要成分.三種改性劑使橡膠粉表面元素比例發生變化，表明橡膠粉表面被改性劑包裹，不會因其他原因導致橡膠粉表面改性劑的脫落.橡膠粉表面為非極性，而經改性后表面元素和原子比例發生變化，增加了橡膠粉表面的極性，使其與水的相容性提高.

2.2 掃描電鏡分析

利用掃描電鏡，得到未改性和三種改性劑改性后的橡膠粉表面放大3 000倍的ESM圖像，分析改性前后橡膠粉表面微觀形貌的變化，結果見圖1.

圖1 橡膠粉表面SEM圖

由圖1可知，未改性的橡膠粉表面較松散，且表面粗糙不平，小毛刺和小凹洞較多，而改性后的橡膠粉表面聚集成團程度較高，表面毛刺圓潤，沒有棱角，表面更加連續.表明改性后橡膠粉的圓形度增加，孔隙率降低，其中司盤40改性的橡膠粉表面連續程度最高，毛刺和小凹洞最少.

3 橡膠粉對LC50高強輕質混凝土力學性能的影響

3.1 抗壓強度

將未改性和改性后不同粒度(380，250，180，150和120 μm)的橡膠粉分別按3%，6%和9%的質量比例外摻至LC50高強輕質混凝土中，成型標準的立方體抗壓試件，并養護至一定齡期后測定混凝土抗壓強度，分析橡膠粉表面改性對混凝土力學性能的影響，試驗結果見表4～表6.其中將未改性、司盤40改性、十二烷基磺酸鈉改性和二氯異氰尿酸鈉改性橡膠粉對應的試件依次標號為J1，J2，J3和J4.

表4 橡膠粉改性LC50高強輕質混凝土3 d抗壓強度

表5 橡膠粉改性LC50高強輕質混凝土7 d抗壓強度

表6 橡膠粉改性LC50高強輕質混凝土28 d抗壓強度

由表4～6可知，相同條件下各齡期抗壓強度都隨著橡膠粉粒度的增大呈先增大后減小的變化趨勢，當橡膠粉粒度為180 μm時，抗壓強度最高.其原因主要為，隨著粒度的減小，橡膠粉粒徑逐漸減小，表面的圓潤度增加，且表面棱角狀的纖維逐漸減少，纖維代入到混凝土中多余的水分和含氣量逐漸減少，因而使混凝土密實度增加，抗壓強度增大.隨著粒度的繼續減小，橡膠粉表面棱角狀的纖維進一步減少，使橡膠粉和水泥基體的摩擦力減小，橡膠粉和水泥基體的界面粘結強度變弱，因此,反而會使抗壓強度降低.

除J3組各齡期抗壓強度隨橡膠粉摻量的增多呈現先增大后減小的變化趨勢外，其他各組的抗壓強度都隨著橡膠粉摻量的增多逐漸降低.相比于水泥基體，橡膠粉的模量較低，無法有效承受荷載作用，且混凝土抵抗外部荷載的有效橫截面積隨著橡膠粉摻量的增多而減小，因此,導致抗壓強度的降低.綜合各齡期強度，當橡膠粉摻量由3%增大至6%時，抗壓強度降低幅度不大，且能有效的利用廢舊橡膠粉，因此推薦合適的橡膠粉摻量為6%.

橡膠粉表面改性會使抗壓強度得到提升，且經過司盤40改性后的混凝土強度最高.其原因主要為，橡膠粉屬于親油性非極性物質，而水泥基體屬于親水性極性物質，橡膠粉表面未改性時，其與水泥基體的粘結性較差，荷載作用時粘結界面極易發生破壞，因此抗壓強度較低，橡膠粉表面改性使其極性增加，與水泥基體的粘結更牢固，因此使抗壓強度提高.司盤40改性后橡膠粉表面更加連續，混凝土中的缺陷越少，荷載作用時越不容易發生破壞，因此經司盤40改性的混凝土強度最高.

與普通混凝土一樣，加入橡膠粉后LC50高強輕質混凝土抗壓強度隨齡期的延長逐漸增大，且前期抗壓強度發展較快，后期強度發展較慢.主要是因為水泥基體的水化是從表層開始的，水化初期，水化速率較快，水化產物析出較多，因此,抗壓強度增長幅度較大；水化后期水化產物裹覆在水泥顆粒表面，從一定程度上阻止了未水化水泥顆粒的水化，因此后期抗壓強度發展較慢.

3.2 應力-應變曲線

為了研究橡膠粉改性對LC50高強輕質混凝土抗彎曲性能的影響，采用四點彎曲試驗測定橡膠粉粒度為180 μm，摻量為6%時，未改性和經司盤40改性后混凝土3 d和28 d的應力-應變曲線，試驗結果見圖2.

圖2 橡膠粉改性L50高強輕質混凝土應力-應變曲線

由表2可知，應力應變曲線可分為：緩慢上升段、快速上升段和下降段三個階段，其中28 d齡期時應力-應變曲線比3 d齡期時更陡.普通混凝土的應力-應變曲線當應力達到峰值時立即發生破壞，而添加橡膠粉后混凝土沒有立即發生破壞，應力-應變曲線較平緩的下降，表明橡膠粉使混凝土的彎曲韌性增強.這是因為混凝土中加入橡膠粉后，荷載作用時橡膠粉能吸收一部分應力，增加了混凝土的延性，使混凝土接近峰值破壞時脆性破壞的幾率下降.相比未改性的橡膠粉，經司盤40改性后的橡膠粉加入到混凝土中時，應力峰值對應的應變增大，表明橡膠粉表明改性能夠增加輕骨料混凝土的彎曲韌性.其原因主要是，司盤改性40改性后，橡膠粉表面極性增加，連續性增強，與水泥基體的粘結更致密，因此混凝土彎曲韌性得到改善.

4 微觀機理分析

為了揭示橡膠粉改性對LC50高強輕質混凝土力學性能的改善機理，通過掃描電鏡試驗，對未改性和三種改性劑改性后的混凝土試件在100倍條件下成像，結果見圖3.

圖3 未改性和三種改性劑改性后的混凝土試件在100倍條件下微觀形貌圖(圖已縮小)

由圖3a)～b)可知，7 d齡期的混凝土，水泥與骨料的粘結較差，能看到細微的交界口和未完全粘結的裂縫，表明7 d齡期的混凝土水泥還沒有完全水化，而28 d齡期的水泥與骨料的粘結較充分，水化產物完全包裹在水泥顆粒表面，形成較厚的水化膜，使混凝土內部的孔洞減少，結構的致密性明顯增強.

由圖3c)～d)可知，添加粒度為380 μm的橡膠粉后，混凝土內部孔洞較多，致密性較差，而添加粒度為180 μm橡膠粉后，混凝土內部孔洞減少，致密性增加，這主要是因為粒度為380 μm橡膠粉相對粒度為180 μm橡膠粉表面有較多楞刺狀的纖維，加入混凝土時代入較多的氣泡，因此降低了混凝土的密實性，使混凝土力學性能變差.

由圖3b)和圖3d)～f)可知，未改性的橡膠粉加入到混凝土中時，混凝土內部的連續性較差，有較多的褶皺狀物質，且有較小的孔洞和微裂縫，而將改性后的橡膠粉加入到混凝土中時，混凝土內部的連續性明顯增強，水化產物對橡膠粉和骨料的包裹更加充分，混凝土密實性增強，因此使力學性能得到較大改善.

5 結 論

1) 經司盤40改性后，橡膠粉表面的氧元素比例明顯增加，而經十二烷基磺酸鈉和二氯異氰尿酸鈉改性使橡膠粉表面的鈉元素比例增加，表面改性使橡膠粉的極性明顯增強；改性后橡膠粉表面的圓潤度和連續性增強，其中司盤40改性的橡膠粉表面連續程度最好.

2) 橡膠粉表面改性使不同齡期的抗壓強度得到明顯提升；隨著橡膠粉目數的增大，抗壓強度先增大后降低，當粒度為180 μm時，抗壓強度最高；橡膠粉摻量越大，混凝土抗壓強度越低；相同條件下經司盤40改性后，混凝土抗壓強度更高.

3) LC50輕骨料混凝土中加入橡膠粉后，試件達到應力峰值后應力-應變曲線不會瞬時下降，試件由脆性破壞變成延性破壞，彎曲韌性得到改善；相比未改性的橡膠粉，改性后的橡膠粉使試件應力達到峰值對應的應變增大，延遲了混凝土的彎曲破壞，使混凝土彎曲韌性得到顯著改善.

4) 橡膠粉表面改性后加入到混凝土中，混凝土內部的連續狀態顯著增強，密實度明顯提高，因此力學性能得到改善；相比于粒度為380 μm橡膠粉，在混凝土中加入粒度為180 μm橡膠粉時，混凝土內部的連續性更好，混凝土力學性能較好.

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The Effect and Mechanism Research of Powder Surface Modification on Mechanical Properties of LC50 High-strength Lightweight Concrete

CUILeiCHENYanhua

(CollegeofHighwayandArchitecture,ShandongTransportVocationalCollege,Weifang261206,China)

In order to utilize the waste rubber powder effectively and improve the mechanical properties of LC50 high-strength lightweight concrete, three kinds of modifiers are used to modificate the surface of rubber powder and the effects of modification type, rubber powder content and fineness on strength and bending toughness of concrete are studied The microcosmic mechanism is also analyzed by scanning electron microscopy. The results show that the modification improves the polarity of the surface of the rubber powder and enhances the roundness of the rubber powder, and the continuity of the rubber powder surface is the best after modified by Span 40. The compressive strength and flexural toughness of the concrete are improved obviously by the surface modification of the rubber powder. The mechanical properties of the concrete is the best after modified by Span 40. When the content of the rubber powder is 6% and 180 μm, the rubber powder can be effectively used and the concrete has good rational performance. When the modified rubber powder is added into the concrete, the continuity and density of the concrete are better. Compared with the 180 μm rubber powder, the pores inside the concrete are less with 180 μm rubber powder.

waste rubber powder; high-strength lightweight concrete; mechanical properties; Microscopic mechanism

U216.421

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.06.012

2017-09-26

崔磊(1970—)：女，碩士，副教授，主要研究領域為交通土建工程施工與材料

*山東省高等學校科技計劃項目資助(J15LG56)