橡膠粉、廢磚粉對粘結(jié)砂漿性能影響及微觀機(jī)理研究

秦培成 孫 濤

目前，隨著城市化建設(shè)步伐的加快，建筑、生活廢物不斷增加，對城市環(huán)境造成了相當(dāng)嚴(yán)重的危害，如何變廢為寶是工程行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的出路之一，因此需大力推廣使用綠色建筑。而市場所售輕質(zhì)隔墻板容易在接縫處產(chǎn)生收縮裂縫，主要原因是隔墻板和粘結(jié)砂漿收縮率過大，容易出現(xiàn)收縮變形進(jìn)而導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。

本文重點(diǎn)研究的內(nèi)容是如何減少粘結(jié)砂漿的收縮率進(jìn)而控制接縫處的裂縫。相關(guān)研究表明，在砂漿中摻入橡膠粉和廢磚粉均能減少收縮。橡膠粉由廢棄輪胎制備而成，具有很多優(yōu)良性能[1-5]，例如橡膠混凝土具有良好的抗震性、彈性、韌性、耐久性以及抗收縮性。廢磚作為建筑垃圾主要組成之一，其資源化程度直接影響建筑垃圾的資源化和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程[6]。

1 單因素試驗(yàn)方案

為了減少粘結(jié)砂漿的收縮率，本文選取廢磚粉和橡膠粉為研究對象，進(jìn)行單因素試驗(yàn)，共設(shè)計(jì)了10組不同配合比，重點(diǎn)研究不同摻量橡膠粉、廢磚粉對粘結(jié)砂漿收縮率的影響。

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用普通水泥砂漿、粘結(jié)砂漿摻5%、10%、15%、20%（體積分?jǐn)?shù)）60目的橡膠粉（取代砂）和5%、10%、15%、20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的廢磚粉（取代水泥），共設(shè)計(jì)10組配合比，嚴(yán)格控制砂漿流動(dòng)度在160～191 mm，試驗(yàn)配合比如表1所示。其中，W1為普通水泥砂漿，W2為粘結(jié)砂漿，A1～A4分別為單摻5%、10%、15%、20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）廢磚粉的粘結(jié)砂漿，B1～B4分別為單摻5%、10%、15%、20%（體積分?jǐn)?shù)）60目的橡膠粉（取代砂）的粘結(jié)砂漿。

表1 試驗(yàn)配合比（單位：kg/m3）

1.2 試驗(yàn)原材料

砂：表觀密度為2 630 kg/m3。

橡膠粉：表觀密度為980 kg/m3，其顆粒形貌如圖1（a）所示。

纖維素：湖南匯祥纖維生產(chǎn)的9 mm長聚丙烯纖維，其微觀形貌如圖1（b）所示，性能參數(shù)見表2。水泥：P·O42.5普通硅酸鹽水泥。

圖1 SEM微觀形貌（來源：作者自攝）

表2 聚丙烯纖維材料性能

VAE乳液：市場所售VAE乳液，PH值4.7，不揮發(fā)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55.6%，粘度884 mPa·s，殘存乙酸乙烯酯0.10%，乙烯含量為15.7%，如圖2所示。

圖2 原材料（組圖，來源：作者自攝）

膨脹劑：選用U型膨脹劑（U-type Expansive Agent For Concrete，UEA），總堿量0.70%，氯離子含量0.04%，含水率2.9%，28 d水中限制膨脹率0.1%，21 d空氣中限制膨脹率-0.02%。

粉煤灰：礦物摻合料采用F級(jí)粉煤灰如圖2（b）所示。

廢磚粉：海南某工地分選廢磚磨細(xì)，根據(jù)膠砂活性試驗(yàn)確定其比表面積為583 m2/kg。

減水劑：聚羧酸高效減水劑，固含量20%。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備主要包含數(shù)顯游標(biāo)卡尺（精度為0.01 mm）、不銹鋼測頭、行星軸式攪拌機(jī)（見圖3）、跳桌、截錐模、圓柱搗棒以及砂漿抗壓抗折試驗(yàn)機(jī)。

圖3 行星軸式攪拌機(jī)（來源：作者自攝）

1.4 試驗(yàn)過程及測試方法

先將水泥、粉煤灰、砂、膨脹劑、磚粉以及橡膠粉放入行星軸式攪拌機(jī)中干拌1 min，然后將聚丙烯纖維均勻散開加入干拌2 min，再依次加入VAE乳液、減水劑和水濕拌2 min，最后得到水泥基復(fù)合材料拌和物。攪拌完成后，將拌合物澆筑到40 mm×40 mm×160 mm的模具中成型并標(biāo)號(hào)，保鮮膜覆蓋養(yǎng)護(hù)指定齡期后拆模。標(biāo)準(zhǔn)條件下，即溫度（20±2）℃、相對濕度＞95%，養(yǎng)護(hù)至指定齡期后取出，并進(jìn)行物理力學(xué)性能試驗(yàn)[7-8]。相關(guān)試驗(yàn)及參照標(biāo)準(zhǔn)如下：流動(dòng)度試驗(yàn)，參照《水泥膠砂流動(dòng)度測定方法》（GB/T 2419—2005）；強(qiáng)度試驗(yàn)，參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》（GB/T 17671—2021）；收縮性能試驗(yàn)，參照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 70—2009）。

收縮率測試公式為：

式中，ε表示試件的收縮率，mm/m；L0表示試件的初始長度，用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測得，mm；Lt表示不同時(shí)間的試件長度，用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測得，mm。

所用試件及測試方法如圖4所示，即用精度為0.01 mm的數(shù)顯游標(biāo)卡尺，卡緊試件兩端測釘中心位置進(jìn)行測量。為減小試驗(yàn)誤差，每次測量3個(gè)試件，將3次求和取平均值并記錄數(shù)據(jù)。

圖4 試驗(yàn)試件及測試方法（組圖，來源：作者自攝）

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 單因素試驗(yàn)

為探究橡膠粉、廢磚粉對粘結(jié)砂漿性能的影響，本次試驗(yàn)制備了10組試件。流動(dòng)度測試結(jié)果如圖5所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，粘結(jié)砂漿比普通砂漿流動(dòng)度要低，這可能是因?yàn)檎辰Y(jié)砂漿中含有纖維素和其他填充物，能夠降低砂漿的流動(dòng)性。隨著廢磚粉摻量的增加，砂漿的流動(dòng)度持續(xù)減小；隨著橡膠粉摻量的增加，砂漿整體流動(dòng)度呈降低趨勢，但是在5%摻量狀態(tài)下要高于粘結(jié)砂漿流動(dòng)度，這是因?yàn)樵谏皾{結(jié)構(gòu)體系中少量膠粉可以一定程度上改善砂漿的流動(dòng)性。膠粉具有密度小且呈松散堆積狀態(tài)的物理性質(zhì)，在相同體積情況下，膠粉的質(zhì)量遠(yuǎn)小于細(xì)砂的質(zhì)量，從而導(dǎo)致砂漿密實(shí)度有所降低，含氣量有所增大。同時(shí)，細(xì)砂含量的減少會(huì)使水泥砂漿中摩擦力減小，從而造成砂漿流動(dòng)性增加，出現(xiàn)了極大值。而隨著膠粉摻量的增加，膠粉的吸水性將會(huì)增大，砂漿中游離水量持續(xù)減少，流動(dòng)度顯著下降[9]。

圖5 流動(dòng)度測試結(jié)果（來源：作者自繪）

抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果如圖6所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)廢磚粉、橡膠粉的摻入會(huì)對試件強(qiáng)度產(chǎn)生不利的影響，均導(dǎo)致試件強(qiáng)度降低，這與相關(guān)研究結(jié)果保持一致[10]。單摻20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）廢磚粉可使試件7 d、28 d抗壓強(qiáng)度分別降低26%、20%；單摻20%（體積分?jǐn)?shù)）橡膠粉可使試件7 d、28 d抗壓強(qiáng)度分別降低34%、39%，對比發(fā)現(xiàn)橡膠粉的摻入對試件抗壓強(qiáng)度影響更顯著。

圖6 抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果（來源：作者自繪）

抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)隨著廢磚粉、橡膠粉摻量的增加，其抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度損失趨勢基本一致，均導(dǎo)致試件強(qiáng)度降低。單摻20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）廢磚粉可使試件7 d、28 d抗折強(qiáng)度分別降低31%、49%；單摻20%（體積分?jǐn)?shù)）橡膠粉可使試件7 d、28 d抗折強(qiáng)度分別降低36%、52%。研究發(fā)現(xiàn)，在廢磚粉、橡膠粉摻量較高的狀態(tài)下，砂漿強(qiáng)度損失很大，因此在工程中應(yīng)重視這一情況。

圖7 抗折強(qiáng)度測試結(jié)果（來源：作者自繪）

收縮率是衡量建筑材料收縮性能的一個(gè)重要指標(biāo)，單摻廢磚粉的收縮性能試驗(yàn)如圖8所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，廢磚粉的摻入會(huì)減少砂漿的自由收縮，其收縮曲線增長階段主要集中在18 d范圍內(nèi)，前9 d收縮率增長最快，18 d后收縮曲線先緩慢增長直至28 d后趨于穩(wěn)定。對比養(yǎng)護(hù)時(shí)間為33 d的普通砂漿W1與粘結(jié)砂漿W2，W2的收縮率會(huì)降低19%；A1～A4的33 d自由收縮率較基準(zhǔn)組W2分別減少2%、12%、23%、29%。

圖8 不同磚粉摻量對粘結(jié)砂漿收縮率的影響（來源：作者自繪）

單摻橡膠粉的收縮性能試驗(yàn)如圖9所示，其收縮變化規(guī)律與單摻廢磚粉收縮變化規(guī)律類似，B1～B4的33 d自由收縮率對比W2組分別減少4%、8%、8%、15%。綜上所述，若既要降低水泥砂漿收縮，同時(shí)又要滿足高強(qiáng)度要求，可優(yōu)選0%～10%摻量的廢磚粉、橡膠粉作為參考[11]。

圖9 不同橡膠粉對粘結(jié)砂漿收縮率的影響（來源：作者自繪）

2.2 橡膠粉水泥凈漿水化產(chǎn)物分析

為研究橡膠粉對水泥凈漿水化影響的微觀機(jī)理，采用掃描電子顯微鏡對普通砂漿W1、粘結(jié)砂漿W2、摻10%橡膠粉B2的水泥凈漿水化產(chǎn)物進(jìn)行28 d齡期的微觀形貌分析，結(jié)果如圖10所示[12]。

圖10 普通砂漿、粘結(jié)砂漿與摻10%橡膠粉水泥凈漿在28 d齡期的SEM照片（組圖，來源：作者自攝）

對比28 d齡期的W1、W2和B2可以看到，橡膠顆粒與水泥基體之間的界面填充密實(shí)，連接更為緊密，已無明顯缺陷；氫氧化鈣和鈣礬石等結(jié)晶度高的水化相作為橡膠顆粒與水泥基體之間的黏結(jié)劑，將骨料與橡膠很好地結(jié)合在一起。其機(jī)理分析如下。

（1）由于水泥砂漿中細(xì)骨料的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于橡膠，在水泥砂漿中添加橡膠將導(dǎo)致整體強(qiáng)度顯著降低。另外，由于橡膠是一種有機(jī)相，水泥漿是一種無機(jī)相，二者之間的接合面特別脆弱，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不連續(xù)，從而削弱了水泥砂漿骨料的骨架作用。當(dāng)受到外力作用時(shí)，水泥砂漿在界面處遭到破壞，這也會(huì)導(dǎo)致其強(qiáng)度降低[13]。（2）隨著橡膠粉用量的增加，水泥砂漿的收縮率降低，這主要是因?yàn)橄鹉z粉作為一種彈性填充材料，具有一定的收縮變形能力。此外，橡膠粉含有一定量的纖維，對水泥砂漿的收縮有一定的約束作用，橡膠粉用量越大，水泥砂漿中纖維含量越高，對砂漿收縮的抑制作用越明顯[14]。

3 結(jié)語

通過本文研究可知，隨著橡膠粉、廢磚粉摻量的增加，砂漿的流動(dòng)性、強(qiáng)度逐漸降低。單摻20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）廢磚粉可使試件7 d、28 d抗折強(qiáng)度分別降低31%、49%，單摻20%（體積分?jǐn)?shù)）橡膠粉可使試件7 d、28 d抗折強(qiáng)度分別降低36%、52%。這是一個(gè)很大的強(qiáng)度損失值，工程應(yīng)用中需重視這一情況。試驗(yàn)得到廢磚粉、橡膠粉摻量與收縮率之間的關(guān)系曲線，二者收縮變化規(guī)律基本一致，收縮增長階段主要集中在0～18 d范圍內(nèi)，前9 d收縮率增長較快，18 d后收縮率緩慢增長，直至28 d后趨于穩(wěn)定。單摻5%、10%、15%、20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）廢磚粉粘結(jié)砂漿A1～A4，其33 d自由收縮率較基準(zhǔn)組W2分別減少2%、12%、23%、29%；單摻5%、10%、15%、20%（體積分?jǐn)?shù)）60目橡膠粉（取代砂）的粘結(jié)砂漿B1～B4，其33 d自由收縮率較W2分別減少4%、8%、8%、15%。優(yōu)選橡膠粉、廢磚粉在砂漿中的摻量應(yīng)為0%～10%，在此范圍內(nèi)的效果最佳，否則會(huì)對砂漿強(qiáng)度造成比較大的影響。