納米高嶺土對橡膠水泥砂漿性能影響試驗研究

潘 瑾，王鵬舉

(1.安徽理工大學 土木建筑學院， 安徽 淮南 232001；2.礦山地下工程教育部工程研究中心(安徽理工大學), 安徽 淮南 232001)

0 前 言

隨著社會經濟的發展，每年有大量的廢棄橡膠產生，因為橡膠材料很難被生物降解[1]，人們對這些廢棄輪胎進行不當處理，例如燃燒和填埋對環境造成污染。如今，很多人把廢棄橡膠應用到建筑行業，廢棄橡膠經過加工處理成橡膠粉末，作為混凝土的摻合料，替代部分骨料[2-4]。大量的試驗證明，直接用橡膠顆粒替代部分骨料，混凝土的部分力學性能會下降[5-6]。一些研究人員使用硅粉等超細礦物摻合料使水泥與骨料的界面更加密實[8]。納米高嶺土(NK)是一種新型納米材料，價格便宜，在眾多領域取得了發展和應用，由于NK的填充作用[9]、晶核作用[10]、火山灰效應[11]，使用NK替代部分水泥可以提高水泥基材料的力學性能。本文將NK以水泥質量的一定比例加入橡膠砂漿中，研究其對橡膠砂漿抗壓強度、收縮、抗氯離子滲透性能的影響。

1 原材料與配合比

本研究所需細骨料采用最大粒徑為4 mm、細度模數為1.39的天然河砂，水泥為淮南舜岳水泥有限責任公司出產的標號為P·O42.5普通硅酸鹽水泥。橡膠選用粒徑為60～80目的廢棄橡膠輪胎顆粒。NK(6 000目)購于富華納米新材料有限公司。試驗所用水灰比為0.45，橡膠等體積替代砂子，體摻率為10%，橡膠混凝土中NK摻量分別為水泥質量的1%、3%、5%、7%。

2 試驗內容與方法

1)抗壓強度測試按照規范ASTM C348[12]進行。將新拌橡膠砂漿澆筑于模具中，在標準養護條件下帶模養護24 h。試塊脫模后置于飽和氫氧化鈣溶液中分別養護至3、7、28d，測試其抗壓強度。

2)根據ASTM C1698[13]，采用波紋管法測量密封條件下橡膠水泥砂漿的線性收縮，按照配比將砂漿拌好后裝入波紋管中，裝滿后振動排氣封口。將試樣置于標準養護室進行養護。每組3根試樣，測量值取平均值。

3)根據ASTM C596[14]對橡膠砂漿的干燥收縮性能進行測試。做好樣品放在標準養護條件下養護24 h后拆模。然后置于飽和Ca(OH)2溶液再養護48 h。進行長度和質量的測量。

4)抗氯離子滲透性根據ASTM C1202[15]進行測試，試件為Φ100×50 mm的圓餅。先將試塊在標養條件下養護28 d，取出后將試塊表面擦干，使用環氧樹脂將試塊側面密封，環氧樹脂凝固后將試塊放入真空飽水機中進行飽水處理。處理后將試塊表面水分擦去進行氯離子電通量測試。

3 試驗結果與討論

3.1 抗壓強度

NK的加入提高了橡膠砂漿抗壓強度，NK是一種納米顆粒，有著很小的顆粒尺寸，在橡膠砂漿中具有很好的填充效應，從而使橡膠和水泥基體之間有著良好的粘附性。同時NK的加入降低了孔隙率，使砂漿試塊更加的密實，從而強度得到提升。Fan等[16]研究發現，NK替代部分水泥的混凝土拌合物，在水化過程中Ca(OH)2晶體的X射線衍射峰強度有所下降，而C-S-H凝膠的峰值強度明顯增加，說明了NK促進了水化反應，生成更多的C-S-H，從而提升了強度。

3.2 自收縮

橡膠砂漿試樣在前3 d自收縮較小甚至出現了微膨脹，這是膠凝材料與水發生化學反應放熱膨脹導致的。3 d齡期過后試樣自收縮開始增大，與CON組相比，32d齡期NK0組自收縮有所緩解降低了56.7%，因為低彈性模量的材料已被證明可以減少熱應力和收縮應力而橡膠的加入會降低彈性模量[17]，從而降低收縮應力。32d齡期NK1、NK3、NK5、NK7自收縮與NK0相比分別增加了180.1%、145.9%、150.1%、99.8%。這是由于NK具有活性，能促進水化作用，導致了砂漿自收縮變大。

3.3 干縮與質量損失

在10 d之前，各組的干縮曲線大致相同，各組的干縮值相差不大；10d之后，CON組的收縮曲線趨于穩定，其余各組收縮曲線仍有繼續下降的趨勢，NK7的干縮量相對于其他幾組增加的幅度要小，這也與前面的抗壓強度規律相吻合。首先由于加入NK的橡膠水泥砂漿自收縮的增大導致了干縮的增大。其次由于NK的填充作用和較大的比表面積并且表面含有大量的親水基團[18]，從而吸收橡膠水泥砂漿內部的大量水分，導致基體內部水分減少，加大了干燥收縮。橡膠砂漿試樣相比普通砂漿質量損失會加大，28d齡期時NK的加入能減小橡膠砂漿質量損失，這是因為NK的加入，使結構更加密實，毛細應力增大，持水能力增加，從而減少了水分的蒸發。同時NK的加入促進了水化反應，生成C-S-H，減少了水分

3.4 滲透性

NK的加入，減小了橡膠砂漿氯離子電通量。這由于NK有著超細的尺寸，充分填充了橡膠顆粒與水泥膠體之間的孔隙，增加了橡膠顆粒與水泥膠體之間的粘結力，降低了孔隙率。另外NK促進了水化反應，也與水泥水化產物發生二次水化生成更多的C-S-H填充內部毛細孔，使結構更加密實，從而阻礙了氯離子的滲透，增強了橡膠砂漿的耐久性。

4 結論

本文通過NK摻量對橡膠水泥砂漿力學、收縮性能和耐久性影響的試驗研究，得出以下結論：

1)外摻NK可以大幅度提高橡膠水泥砂漿的抗壓強度，且抗壓強度隨著NK摻量的增加而增加；

2)外摻NK會增大橡膠砂漿的自收縮，但隨著NK摻量的增加，收縮作用逐漸減弱；

3)NK可減小橡膠水泥砂漿的干燥收縮，且橡膠水泥砂漿的干縮隨著納米高嶺土摻量的增加而減小。從而減小了橡膠混凝土產生的裂縫，使橡膠混凝土可以更廣泛的用于工程中；

4)NK的摻入，可以提高橡膠砂漿抗氯離子滲透的能力，且橡膠砂漿的耐久性隨著納米高嶺土摻量的增加而提高。有利于保護鋼筋不受腐蝕，增加了建筑物的使用年限。

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