廢舊橡膠鐵尾礦砂砂漿力學(xué)性能

趙江山，武立偉，張會(huì)峰，張麗素

(1.華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.河南亞新投資集團(tuán)，河南 鄭州 450000；3.唐山昊宇建筑設(shè)計(jì)有限公司，河北 唐山 063000)

引言

橡膠鐵尾礦砂砂漿由水泥、鐵尾礦砂、廢舊橡膠集料、水經(jīng)過均勻攪拌制成。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)橡膠砂漿進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，試驗(yàn)研究結(jié)果表明[1-3,6-10]：橡膠顆粒性能穩(wěn)定，表面具有憎水性，表觀密度與水相近，摻入橡膠的砂漿與普通砂漿相比，韌性、抗沖擊性顯著提高，但強(qiáng)度有所降低。

混凝土作為世界上最基本的建筑材料之一，其75%的體積由天然砂、石組成，混凝土的大量使用造成天然砂、石處于日益枯竭的困境。與此同時(shí)，在礦山選礦過程中，產(chǎn)生數(shù)量巨大的鐵尾礦砂，鐵尾礦砂已成為我國(guó)產(chǎn)出量最大、利用率最低的工業(yè)固體廢棄物之一，其儲(chǔ)存占用大面積土地并嚴(yán)重污染生態(tài)環(huán)境。已有研究結(jié)果表明[4, 5]，鐵尾礦砂在物理化學(xué)性質(zhì)、礦物成分、堅(jiān)固性等方面符合建筑用砂質(zhì)量要求，其代替天然砂應(yīng)用到建筑行業(yè)中，既可以解決天然砂的枯竭問題，又可以實(shí)現(xiàn)廢物利用，而且綠色環(huán)保。

目前，關(guān)于廢舊橡膠集料和鐵尾礦砂共同制備砂漿的研究較少，故該項(xiàng)目對(duì)廢舊橡膠鐵尾礦砂砂漿的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，并對(duì)其力學(xué)性能變化機(jī)理進(jìn)行分析。

1材料基本特性與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原材料

水：普通自來水；鐵尾礦砂：細(xì)度模數(shù)2.2，含水率0.5%，表觀密度為2 939 kg/m3，堆積密度為1 475 kg/m3，鐵尾礦砂級(jí)配曲線如圖1所示；水泥：冀東水泥股份有限公司的普通42.5級(jí)硅酸鹽水泥；橡膠：5目橡膠的表觀密度是1 163 kg/m3，40目橡膠的表觀密度是1 116 kg/m3，橡膠集料級(jí)配曲線如圖2所示。

圖1 鐵尾礦砂級(jí)配曲線 圖2 橡膠集料級(jí)配曲線

1.2 試驗(yàn)配合比

砂漿配合比為水泥：鐵尾礦砂：水=1:2:0.5，橡膠集料等體積取代鐵尾礦砂，取代量分別為0%、10%、20%、30%和40%，具體砂漿配合比見表1與表2。

表1 40目橡膠鐵尾礦砂砂漿配合比

表2 5目橡膠鐵尾礦砂砂漿配合比

1.3 試驗(yàn)方法

按既定的配合比稱量水泥、鐵尾礦砂、橡膠集料，然后依次慢慢倒入水泥膠砂攪拌機(jī)中，待攪拌均勻后，再加入水，繼續(xù)攪拌，砂漿攪拌均勻時(shí)停止攪拌，將攪拌好的砂漿倒入40 mm×40 mm×160 mm模具中，并用鏟子把攪拌機(jī)內(nèi)壁附著的砂漿清理干凈，并置于振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)密實(shí)成型，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3 d、7 d、28 d后，對(duì)試件進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。

2試驗(yàn)結(jié)果

圖3為不同橡膠顆粒取代量下，5目和40目橡膠鐵尾礦砂砂漿稠度曲線。

2.1 砂漿稠度試驗(yàn)結(jié)果及分析

由圖3可知，兩者均近似呈線性關(guān)系。隨著橡膠顆粒取代量增加，40目橡膠砂漿的稠度值逐漸降低，而5目橡膠砂漿的稠度值逐漸升高。出現(xiàn)圖3所示現(xiàn)象的主要原因是：橡膠顆粒相當(dāng)于引氣劑，橡膠顆粒周圍的氣泡與拌合物之間產(chǎn)生滾珠效應(yīng)，摩擦阻力減小，稠度值變大。但是在攪拌過程中粗糙的橡膠顆粒表面導(dǎo)致吸附更多水，降低砂漿稠度。40目橡膠顆粒由于粗糙表面吸附水導(dǎo)致的稠度降低幅度大于滾珠效應(yīng)引起稠度值升高的幅度，而5目橡膠顆粒正好相反，所以，隨著橡膠顆粒摻量的增加，40目橡膠砂漿的稠度值逐漸降低。而5目橡膠砂漿的稠度值逐漸升高。

圖3 橡膠鐵尾礦砂砂漿稠度圖

2.2 砂砂漿力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

圖4所示為3 d砂漿抗壓強(qiáng)度，圖5所示為7 d砂漿抗壓強(qiáng)度，圖6所示為28 d砂漿抗壓強(qiáng)度。

圖4 3 d砂漿抗壓強(qiáng)度 圖5 7 d砂漿抗壓強(qiáng)度

圖6 28 d砂漿抗壓強(qiáng)度

由圖4～圖6可以看出，當(dāng)橡膠顆粒取代量增大時(shí)，40目和5目的橡膠鐵尾礦砂砂漿的抗壓強(qiáng)度均降低。當(dāng)橡膠顆粒取代量少于20%時(shí)，40目和5目的橡膠鐵尾礦砂砂漿3 d、7 d的抗壓強(qiáng)度相差不大；當(dāng)取代量多于20%，養(yǎng)護(hù)齡期為3 d、7 d時(shí)，40目橡膠鐵尾礦砂砂漿的抗壓強(qiáng)度小于5目的抗壓強(qiáng)度，養(yǎng)護(hù)齡期是28 d時(shí)，40目和5目橡膠鐵尾礦砂砂漿抗壓強(qiáng)度非常接近。當(dāng)橡膠顆粒取代量是40%時(shí)，40目橡膠鐵尾礦砂砂漿3 d、7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度較未摻橡膠的砂漿強(qiáng)度分別降低69.9%、71.5%和76.0%，5目橡膠鐵尾礦砂水泥砂漿3 d、7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度較未摻橡膠的砂漿強(qiáng)度分別降低了62.7%、67.6%和73.7%。

圖7所示為3 d砂漿抗折強(qiáng)度，圖8所示為7 d砂漿抗折強(qiáng)度，圖9所示為28 d砂漿抗折強(qiáng)度。

圖7 3 d砂漿抗折強(qiáng)度 圖8 7 d砂漿抗折強(qiáng)度

圖9 28 d砂漿抗折強(qiáng)度

由圖7～圖9可以看出，當(dāng)橡膠顆粒取代量增大時(shí)，40目和5目的橡膠鐵尾礦砂砂漿抗折強(qiáng)度均降低。當(dāng)橡膠顆粒取代量少于20%時(shí)，在等同配合比的情況下，5目橡膠鐵尾礦砂砂漿的抗折強(qiáng)度低于40目橡膠鐵尾礦砂砂漿的抗折強(qiáng)度。多于20%時(shí)，兩者抗折強(qiáng)度相近。當(dāng)橡膠顆粒取代量是40%時(shí)，40目橡膠鐵尾礦砂水泥砂漿3 d、7 d和28 d的抗折強(qiáng)度較未摻橡膠的砂漿強(qiáng)度分別降低46.5%、50%和56.8%，5目橡膠鐵尾礦砂水泥砂漿3 d、7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度較未摻橡膠的砂漿強(qiáng)度分別降低了48.8%、48.3%和58.9%。未摻橡膠的砂漿強(qiáng)度分別降低了62.7%、67.6%和73.7%。

將砂漿的韌性大小用折壓比來表示，砂漿的韌性指數(shù)隨著其折壓比數(shù)值的增大而增大，隨著橡膠集料取代量增加，砂漿的折壓比增大，即砂漿韌性越來越好，且在同一配合比下，40目橡膠鐵尾礦砂砂漿的韌性比5目的更好。

圖10所示為3 d折壓比，圖11所示為7 d折壓比，圖12所示為28 d折壓比。

圖10 3 d折壓比 圖11 7 d折壓比

圖12 28 d折壓比

圖13～圖16分別為5目和40目橡膠鐵尾礦砂砂漿抗壓與抗折強(qiáng)度。

圖13 40目橡膠鐵尾礦砂砂漿抗壓強(qiáng)度 圖14 40目橡膠鐵尾礦砂砂漿抗折強(qiáng)度

當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期從3 d到7 d時(shí)，不同取代量的40目橡膠砂漿增長(zhǎng)幅度相似，除取代量為40%的5目橡膠砂漿抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速度相對(duì)較慢外，其他取代量的5目橡膠砂漿抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速度比較接近，不同取代量的40目橡膠砂漿抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)速度接近，取代量為30%的5目橡膠砂漿抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)較快。養(yǎng)護(hù)齡期從7 d到28 d時(shí)，40目橡膠取代量是0%和10%時(shí)，砂漿的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，5目橡膠取代量是0%、10%、20%時(shí)，砂漿抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度較大，取代量是30%和40%的40目和5目橡膠砂漿抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)較慢，總體來說，相同時(shí)間內(nèi)，砂漿的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速度大于抗折強(qiáng)度的增長(zhǎng)速度。

圖15 5目橡膠鐵尾礦砂砂漿抗壓強(qiáng)度 圖16 5目橡膠鐵尾礦砂砂漿抗折強(qiáng)度

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

橡膠是一種有機(jī)高分子物質(zhì)，不能與水泥生成有粘結(jié)強(qiáng)度的物質(zhì)，導(dǎo)致橡膠與水泥水化產(chǎn)物結(jié)合能力較弱。在砂漿中摻入橡膠，相當(dāng)于在砂漿中加入軟點(diǎn)，所以橡膠砂漿的抗壓強(qiáng)度隨著橡膠顆粒取代量的增加而降低。由于40目橡膠顆粒比5目橡膠顆粒的比表面積大，砂漿內(nèi)的薄弱接觸面面積大，導(dǎo)致其強(qiáng)度降低量更大。橡膠鐵尾礦水泥砂漿塊損壞時(shí)，橡膠顆粒產(chǎn)生大變形，吸收能量，防止裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展，從而提高砂漿的韌性。

3結(jié)論

(1)橡膠顆粒取代量增大，橡膠鐵尾礦砂砂漿的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均隨之降低。

(2)養(yǎng)護(hù)齡期為3 d、7 d和28 d，橡膠砂漿的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速度均大于抗折強(qiáng)度的增長(zhǎng)速度。

(3)40目橡膠鐵尾礦砂砂漿的稠度隨著取代量的增加而減小，5目橡膠鐵尾礦砂砂漿的稠度隨著取代量的增加而增大。

(4)橡膠顆粒取代量越大，橡膠鐵尾礦砂砂漿的韌性指數(shù)也越大。