使用橡膠輪胎顆粒改性砂漿性能研究

王金國，柳 峰，王 杰，王豪英

(寧夏交通投資集團有限公司，寧夏 銀川 750000)

0 引 言

日益增多的廢舊輪胎處理成為一個很嚴重的環境問題，因為橡膠即使經過很長時間的處理也很難分解，現在很流行發展橡膠的處理，將橡膠顆粒放入水泥基材料中是一個很可行的方法，大多數研究表明使用未經處理的輪胎橡膠在水泥基材料中的附著能力差，即橡膠水泥的交聯能力差，導致機械性能差。

目前正研究將10%粉狀輪胎顆粒(最大粒徑為35目)加入到普通波特蘭水泥中，這種橡膠是混合了SBR，天然橡膠，聚丁二烯、油、抗氧劑、炭黑及其他，并且未經使用，用NaOH的飽和溶液進行表面浸泡處理，這些橡膠粉會改善機械性能如彎曲強度和抗折強度，抗壓強度顯著低于書上的描述。通過SEM顯微電鏡的觀察發現通過NaOH飽和溶液處理的橡膠粉基本附著力得到改善，耐磨性和吸水率明顯好于沒有處理的橡膠粉。

擴張這一工作，通過HATR紅外分析，電位滴定和接觸角的測量方法研究橡膠的表面處理，紅外分析處理過的橡膠粉吸水減少1 540，1 450，1 395 cm-1，這個降低是由于硬脂酸鋅被去除，目前輪胎的添加劑總是回到表面，導致橡膠和其他材料附著力差，用0.1 mNaCl電位滴定法的滴定橡膠顆粒顯示未被處理的橡膠粉消耗更多的NaCl，最可能的結果是鋅鹽和橡膠的相互作用，橡膠顆粒的接觸角直到在NaOH中浸泡24 h，橡膠表面硬脂酸鋅的減少可以解釋橡膠附著水泥能力的改進。

這些總體的工作顯示將橡膠加入水泥可以用于工程中，自從巴西將不尋常的水泥用于不一般的工程，將用NaOH處理的橡膠分加入到礦渣中改善砂漿。

在我們先前的研究中將10%(水泥的質量分數)橡膠粉加入到水泥中會得到滿意的機械性能，在這個試驗中10%(水泥的質量分數)用NaOH處理的橡膠粉加入到砂漿中，代替大約35%的水泥，這是用想要得到合理的機械性能的0.6的水灰比得到可工作性的最大的橡膠摻量，換句話說，這些砂漿被認為是終極橡膠摻量。

1 試 驗

由巴西Borcol Industria de Borracha Ltda，Sorocaba-SP提供，最大粒徑為50目(300 μm)，用飽和氫氧化鈉水溶液在室溫下浸泡20～30 min，橡膠粉用清水清洗到中性后在室溫下干燥。

砂漿標準試件與巴西礦渣硅酸鹽水泥試件相比，用洗過的細度系數為2.6的砂，這個混合成分是水膠比=0.6、砂膠比=2，用10%(砂漿質量的)NaOH處理的橡膠粉試驗，這個標準試件在室溫(25 ℃)和100%的相對濕度的條件下養護28 d。

毛細吸水伴隨著重量的變化。將100 mm×60 mm的圓柱體試件在50 ℃的烤爐中干燥直到質量穩定，并且在室溫下放置在足夠水位的盤子中。水位應剛好濕潤待測試件的下表面不超過5 mm或者大致的這個高度，標準試件側面的下部分臨近的面應用膠粘劑密封防止水吸入表面的氣孔。質量恒定后一段時期一個試模的每個試件會得到大量數據。

使用45 mm×30 mm的圓柱體試件通過浸泡來測試水吸附，將標準試樣在50 ℃下干燥至恒重，然后浸泡在室溫下的水里。質量恒定后一段時期一個試模的每個試件會得到大量數據。

對于抗酸性腐蝕，先將45×30 mm的圓柱體試件在50 ℃下干燥至恒重，然后放入5%的HCl中浸泡，HCl每天換一次，質量恒定后一段時期一個試模的每個試件會得到大量數據。

對于抗彎試驗，試件尺寸為150×25×25 mm，采用三點彎曲，這些測試在一個MTS810型的測驗機中，移動速度為每分鐘10 mm，測試一套46控制樣本和一套47摻有橡膠的試樣。用掃描電鏡來描述處理過的砂漿的大部分區域。

2 結果和討論

膠凝材料的破壞取決于微裂紋，主要是水泥和骨料粒子表面連接的部分，這些內部裂紋能擴張，例如，工藝品中象氣孔這樣的缺陷，單軸壓縮強度作為一種普遍公認的水泥材料強度指標，不過，這些彎曲測試首選用于質量受控制的道路，水泥材料在荷載作用下彎曲而不是軸向伸長。

圖1顯示用NaOH處理的橡膠粉試件和普通試件的抗折試驗結果，至少46個試件為一組來計算威布爾分布，在均勻張拉期間試件不合格的累積幾率，橡膠試件的抗折強度降低了45%。

圖1 為砂漿試樣的抗折試驗檢測，橙色的控制標本，綠色為用10%NaOH處理的橡膠粉的試件，短劃線表示平均值

強度大幅度變化的原因可能是裂紋的分布和其他缺陷，在拉伸測試中試件整個都處于外加壓力下，然而在拉伸試驗中試件只有小部分靠近底部的部分處于高壓力下，圖2表示斷裂后在拉伸下標本的表面裂紋，有趣的是不同體積(a和b)顯示出相同的強度值(505 MPa)，對于橡膠試件，當和更勻質強度為3.5 MPa的試件相比4.1 MPa的試件更不合格(d)。

圖2 表示在控制試件彎曲應力作用下斷裂面(a和b)，用NaOH處理的試件為c和d

在水泥的研究中，強度是一項指定的性能，然而，水泥的強度不是唯一的重要指標，像彈性、彈性模量、抗滲、抗風化、抗侵蝕性水等性能都和耐久性直接相關。

水的吸收主要是和待測試件的空隙率有關并且可以給出內部空隙的圖片，混凝土和砂漿中水分的傳輸對于評價一種建筑材料和改進他們的性能都是很重要的，主要的傳輸物質進入水泥后被擴散或發生毛細管作用，但是毛細管運輸是主要入口方式。從這個意義上說，毛細作用越小，耐久性越好。圖3所示，加上橡膠顆粒從根本上降低水的量吸收。

圖3 為根據時間畫出的毛細現象

在室溫下通過大量的用10%的NaOH處理的橡膠粉的砂漿試樣和僅砂漿，sorptivity系數(S)描述多空材料吸水和通過毛細現象攜帶水，通過式(1)可以得到，其中Δw是增加的重量，A是橫截面積，ρ水的密度，t是時間，截面面積上有效的攔截為b，這是填充孔隙表面的開放流入面和相鄰的面的原因。

(1)

圖4表示單位面積的表面水的吸附隨時間平方根的變化，從圖3中得到，對于受控試件，sorptivity系數按0.29 mm/min1/2計算，而摻有橡膠的試件按0.06 mm/min1/2計算。

圖4 顯示單位面積上水的吸附隨時間的變化，測試試件為用10%NaOH處理的橡膠粉試樣和普通式樣

這種現象主要是因為橡膠粉的疏水性，在水的通道上疏水性粒子可能阻止毛細作用，導致水和通道表面的界面張力增大，這可能會導致大致相同的粒子形成一層通道。

圖5顯示的是被水浸泡的毛細現象，這和試件的開放性空隙有關，然而，吸附總是高于毛細作用，毛細作用只發生在相對直徑較小的開孔處，在含有橡膠的試件里發現吸水率減少了17%，這意味有少量的空隙或者這些空隙可以接觸到水(關閉的空隙或狹窄的毛細管)。自從在這個試驗中疏水性沒有達到預期的效果，從顯微結構來看，不管是有橡膠還是沒有，砂漿都在界面處分離，產生這個現象的原因可能是毛孔的堵塞。

圖5 顯示在室溫下吸水率隨時間的變化，砂漿試件為含10%NaOH處理的橡膠試件，和僅是砂漿的試件

圖6顯示普通試件(a)和含有橡膠(b、c)的試件的典型斷裂面的顯微結構。顯微裂紋出現在橡膠和砂混合的區域(過渡區域)。在水化的前期，這個過度區域是很弱的并且會由于水泥和骨料之間干縮和熱縮，外部荷載等不同的拉緊而分裂，在橡膠試件中觀察到關閉的空隙。

水泥基材料的耐久性和材料所處的環境有關。水化水泥漿是堿性的，酸性水對這些材料是非常有害的。酸會攻擊析出的氫氧化鈣。酸性液體也會增加氣孔，導致材料更容易受攻擊，在這樣的條件下，不透性成了決定耐久性的關鍵因素。

圖6 為用掃描電鏡觀察水泥砂漿試樣的斷口

(a)為空白砂漿試件，(b)和(c)為含10%(砂漿質量)用NaOH處理的橡膠的試件，A沙粒，B為橡膠粒子，箭頭為分離的或者關閉的氣孔。

對橡膠的耐酸性進行研究，結果在圖7中顯示，橡膠顆粒有較強的耐酸性。更快的表面過濾顯示試樣表面沒有橡膠粉。砂漿中橡膠顆粒被疲敝防止酸的進入。

圖7 耐酸性隨時間的變化，試件為用10%的NaOH處理的橡膠試樣和僅是砂漿的試樣

3 結 論

很少有論文描述含有小顆粒橡膠的砂漿的性質。在每個研究中，機械性能都會被研究，我們研究了將用10%NaOH處理的橡膠粉顆粒加入到砂漿中，導致sorptivity系數大幅度降低，并且加強了抗酸性，改善了運輸性，盡管在抗折強度上有所降低。