真空熱處理對橡膠砂漿強度影響

張海波，丁雪晨，徐自立，王軍軍，張儀華，秦文軒，管學茂

(河南理工大學材料科學與工程學院，焦作　454000)

?

真空熱處理對橡膠砂漿強度影響

張海波，丁雪晨，徐自立，王軍軍，張儀華，秦文軒，管學茂

(河南理工大學材料科學與工程學院，焦作454000)

目前，提高橡膠混凝土力學性能的措施主要是對橡膠顆粒進行表面改性。在本研究中，通過真空熱處理(vacuum heat-treatment，VHT)的方法來提高橡膠砂漿的力學性能。結果表明：經過真空熱處理后，橡膠砂漿的抗折、抗壓強度提高。摻入用NaOH溶液預處理后的橡膠顆粒，砂漿強度提高更加顯著。這是由于橡膠顆粒在一定溫度下會部分分解，而分解產物改善了橡膠顆粒與水泥之間的粘結。NaOH對橡膠顆粒的熱分解起到催化作用。橡膠顆粒越小，越容易分解。

橡膠砂漿； 真空熱處理； 抗折強度； 抗壓強度； 分解

1　引　言

目前，將廢舊輪胎加工成橡膠顆粒摻入到水泥混凝土或其他建筑制品中，是對廢舊輪胎回收利用的一條有效途徑。近十年來，許多學者重點研究了橡膠混凝土的各種性能，研究結果表明：與普通混凝土相比，橡膠混凝土的單位質量較輕[1,2]，彈性模量較小[3,4]，韌性較高[5,6]，耐火性能[7]、耐熱性[8]較好，凍融性能明顯提高；而抗折、抗壓強度卻顯著降低。這主要是由于：(1)橡膠顆粒與水泥之間的彈性模量差距很大，容易導致應力集中；(2)橡膠顆粒與水泥漿體之間缺乏有效的粘結。

而通過對橡膠顆粒表面進行改性，可以有效地提高橡膠顆粒與水泥漿體之間的結合。這點許多學者都已驗證。Eldin等[9]用堿性溶液(NaOH)浸泡和沖洗橡膠粉表面，處理后的橡膠混凝土抗壓強度與未處理相比提高了16%；Rostami[10]則使用四氯化碳以及水和乳液混合物來清洗橡膠顆粒，抗壓強度與未處理相比都有所提高；管學茂等[11]使用了Si-69偶聯劑來對橡膠粉進行改性，橡膠砂漿的抗折抗壓強度達到了空白試樣的91.5%、99.8%。但在Albano等[12]的研究中，摻入經NaOH溶液改性后的橡膠顆粒后，混凝土的力學性能并沒有顯著提高。

研究表明橡膠在一定溫度下會產生分解，而分解產物與水泥漿體之間的粘結良好[13]。因此,本研究采用真空熱處理方法來加強橡膠顆粒與水泥漿體的結合，研究了其對水泥砂漿強度性能影響。

2　試　驗

2.1試驗原料

本試驗所用原材料為細集料、水泥和橡膠顆粒。細集料為天然砂，最大粒徑4.75 mm，細度模數2.7；水泥為42.5級普通硅酸鹽水泥；試驗采用兩種不同粒徑的橡膠顆粒，5目橡膠顆粒的粒徑在3～5 mm之間，100目橡膠顆粒的粒徑小于0.2 mm，由載重卡車廢舊輪胎胎面膠破碎而得。兩種橡膠顆粒表面處理參照文獻[11]所述方法，使用飽和的NaOH溶液浸泡24 h，過濾烘干。

2.2配合比

橡膠顆粒以不同粒徑、不同摻量等體積取代砂子，具體配合比見表1。編號中M表示砂漿；R表示橡膠；TR表示摻入的橡膠顆粒經過NaOH溶液表面改性。例如：MR5-2表示5目橡膠顆粒以2%的體積率等體積取代砂摻入砂漿中；而MTR100-10表示經NaOH溶液表面處理過的100目橡膠顆粒以10%的體積率等體積取代砂摻入砂漿中。水灰比固定為0.5。

表1普通砂漿和橡膠砂漿配合比

Tab.1Mixture proportions for control mortar and rubberized mortar

MortarmixCement(g)Sand(g)Water(g)Untreated/treatedrubber(g)MR01350±24050±5675±10MR100-2MTR100-21350±23969±5675±118±1MR100-5MTR100-51350±23848±5675±145±1MR100-10MTR100-101350±23645±5675±190±1MR100-20MTR100-201350±23240±5675±1180±1MR5-21350±23969±5675±133±1MR5-51350±23848±5675±182±1MR5-101350±23645±5675±1165±1MR5-201350±23240±5675±1330±1

2.3試樣的制備

將砂子、水泥、橡膠骨料按表1所示的配合比在砂漿攪拌機中先干拌60 s，再加入水，攪拌120 s。將拌合物在40 mm×40 mm×160 mm的鋼模中成形，放入標準養護室中養護1 d后脫模，繼續在標準養護室中養護至28 d，取出進行下一步試驗。

2.4VHT處理

將養護至28 d的試樣取出后，對照表2，一部分直接進行抗折、抗壓試驗；另一部分在真空中加熱至250 ℃并保溫6 h或者加熱至280 ℃并保溫3 h。取出試樣后冷卻至室溫。

2.5砂漿強度測試

參照GB/T 17671-1999方法進行抗折抗壓強度測試和數據處理。

3　結果與討論

3.1抗折強度

抗折強度試驗結果如圖1、圖2所示?？梢钥闯?，摻入橡膠顆粒后，砂漿的強度降低，這與其他學者的研究結果相同。經VHT處理過的試樣的抗折強度大于未經VHT處理的試樣；經VHT處理的普通砂漿的抗折強度較未處理的在250 ℃和280 ℃下分別增長了6.25%和4.15%；經VHT處理過后，橡膠砂漿的抗折強度增長幅度大于普通砂漿。

表2普通砂漿和橡膠砂漿的VHT處理

Tab.2VHT programs for control mortar mix and rubberized mortar mixes

MortarmixHighesttreatingtemperature(℃)Holdingtime(h)MortarmixHighesttreatingtemperature(℃)Holdingtime(h)MR02506MR02803MR100-22506MR100-22803MR100-52506MR100-52803MR100-102506MR100-102803MR100-202506MR100-202803MTR100-22506MR5-22803MTR100-52506MR5-52803MTR100-102506MR5-102803MTR100-202506MR5-202803

圖1所示結果表明， NaOH溶液表面改性對橡膠砂漿抗折強度的改善并不明顯。經熱處理后，經NaOH表面改性的橡膠砂漿與未改性橡膠砂漿相比抗折強度提高，橡膠摻量越大，這種趨勢越顯著。MR100-2、MR100-5、MR100-10和MR100-20在經VHT處理后，與未經VHT處理的抗折強度分別提高13.64%、20.63%、6.43%和3.37%。而經NaOH表面改性處理后，MTR100-2、MTR100-5、MTR100-10和MTR100-20在經VHT處理后，較未經VHT處理的抗折強度分別提高21.13%、8.50%、7.82%和19.90%。

圖2所示為橡膠顆粒粒徑對砂漿抗折強度的影響。摻有5目橡膠顆粒試樣的抗折強度較摻有100目的抗折強度高。經280 ℃VHT處理后，得出的結論卻相反。經VHT處理后，MR100-2、MR100-5、MR100-10和MR100-20與未經VHT處理的試樣相比，抗折強度分別提高14.24%、18.72%、17.86%和21.35%。而MR5-2、MR5-5、MR5-10和MR5-20抗折強度分別提高11.11%、0.93%、8.33%和3.55%。

圖1　250 ℃VHT處理前后的改性和未改性100目橡膠砂漿的抗折強度試驗結果折線圖Fig.1　The flexural strength of modified/unmodified 100 mesh rubber mortar mixes before/after heat treatment at 250 ℃

圖2　摻有5目和100目橡膠砂漿在經過280 ℃VHT處理前后的抗折強度試驗結果折線圖Fig.2　The flexural strength of 100 mesh and 5 mesh rubber mortar specimens before/after heat treatment at 280 ℃

3.2抗壓強度

圖3、圖4所示為試樣的抗壓強度試驗結果，得出與之前其他研究試驗結果相同的結論。橡膠顆粒等體積取代砂摻入砂漿中，試樣的抗壓強度降低。而經VHT處理后，可以有效的提高橡膠砂漿的抗壓強度。

如圖3所示，經VHT處理后，MR0，MR100-2、MR100-5、MR100-10和MR100-20與未經VHT處理的試樣相比，抗壓強度分別增加了5.21%、31.89%、13.92%、7.68%和7.89%。而摻入經NaOH處理過的橡膠顆粒，MTR100-2、MTR100-5、MTR100-10和MTR100-20在經VHT處理后，抗壓強度分別增長了30.05%、15.07%、21.08%和17.49%。由此，橡膠顆粒的表面改性對VHT處理后的試樣的抗壓強度的增長起到了促進作用。

在圖4中，經VHT處理后，摻入100目橡膠顆粒試樣的抗壓強度大于摻入5目橡膠顆粒的試樣。280 ℃下恒溫3 h，MR100-2、MR100-5、MR100-10和MR100-20與未經VHT處理的試樣相比，抗壓強度分別增大了5.21%、32.15%、13.90%和27.10%。而相同條件下，MR5-2、MR5-5、MR5-10和MR5-20與未經VHT處理的試樣相比，抗壓強度分別增大了12.46%、3.62%、7.03%和3.47%。

圖3　250 ℃VHT處理前后的改性和未改性100目橡膠砂漿的抗壓強度試驗結果折線圖Fig.3　Compressive strength of modified/unmodified 100 mesh rubber mortar specimens before/after heat treatment at 250 ℃

圖4　摻有5目和100目橡膠砂漿在經過280 ℃VHT處理前后的抗壓強度試驗結果折線圖Fig.4　Compressive strength of 100 mesh and 5 mesh rubber mortar specimens before/after heat treatment at 280 ℃

3.3結果分析

經過真空熱處理后的橡膠砂漿強度的影響因素主要有兩個。首先，由圖1～4中普通砂漿對照組可以看出，在真空250 ℃或280 ℃處理下，砂漿基體強度普遍較未處理的大；第二，橡膠骨料在熱作用下會有所膨脹，同時有部分降解，降解的橡膠具有一定的粘性[13]，這使橡膠水泥基體界面孔隙減小，界面結合得到加強，橡膠砂漿抗壓抗折強度明顯提高。橡膠水泥基體界面熱處理前后的SEM觀測結果(圖5)證明了以上分析。熱處理的方法改善橡膠水泥基體界面，為充分利用橡膠混凝土優良性能，同時不強烈降低混凝土強度提供了一種新的途徑，可以在水泥混凝土制品制備方面進行應用。

圖5　橡膠硬化水泥漿體界面的掃描電鏡照片(a)R.T; (b) 250 ℃Fig.5　SEM images of rubber-hardened cement paste interface (a)R.T; (b) 250 ℃

摻入經NaOH溶液表面改性的橡膠顆粒的試樣，經VHT(250 ℃下恒溫6 h)處理后，強度大于摻入未處理的橡膠顆粒試樣的。這是由于NaOH對砂漿中橡膠顆粒的受熱分解起到促進作用。

而摻入5目橡膠顆粒的橡膠砂漿的強度大于摻入100目橡膠顆粒的。橡膠含量越大，這種趨勢越顯著。但在280 ℃下恒溫3 h后，得到的結果卻相反。造成此現象的原因可能是：100目橡膠顆粒的比表面積大于5目橡膠顆粒的。當摻入砂漿中，100目橡膠顆粒會與水泥漿體之間形成較大的弱界面區。經VHT處理后，與5目橡膠顆粒相比，100目橡膠顆粒更容易受熱分解，使得100目橡膠顆粒比5目的與水泥表面的粘結更強。

4　結　論

(1)經真空熱處理后，摻量相同的橡膠砂漿的抗折、抗壓強度大于未經真空熱處理的。摻入經NaOH溶液表面改性的橡膠顆粒的橡膠砂漿的抗折、抗壓強度大于摻入未經NaOH溶液表面改性的橡膠顆粒的橡膠砂漿的；

(2)與摻入100目橡膠顆粒相比，摻入5目橡膠顆粒的橡膠砂漿的力學性能較好。但在經過真空處理后，得到的結果卻相反。

[1]Batayneh M K, Marie I,Asi I.Promoting the use of crumb rubber concrete in developing countries[J].WasteManage,2008,28(11):2171-2176.

[2]Guneyisi E,Gesoglu M,Ozturan T.Properties of rubberized concretes containing silica fume[J].CementandConcreteResearch, 2004,34(12):2309-2317.

[3]Ganjian E,Khorami M,Maghsoudi A A.Scrap tyre rubber replacement for aggregate and filler in concrete[J].ConstructionandBuildingMaterials, 2008,23(5):1828-1836.

[4]Segre N,Joekes I.Use of tire rubber particles as addition to cement paste[J].CementandConcreteResearch,2000,30(9):1421-1425.

[5]Khaloo A R,Dehestani M,Rahmatabadi P.Mechanical properties of concrete containing a high volume of tire-rubber particles[J].WasteManagement, 2008,28(12):2472-2482.

[6]Snelson D G,Kinuthia J M,Davies P A,et al.Sustainable construction: composite use of tyres and ash in concrete[J].WasteManagement,2009,29(1):360-367.

[7]Hern ndez-olivare F,Barluenga G.Fire performance of recycled rubber-filled high-strength concrete[J].CementandConcreteResearch,2004,34(1):109-117.

[8]Benazzouk A,Douzane O,Mezre K.Thermal conductivity of cement composites containing rubber waste particles: Experimental study and odeling[J].ConstructBuildMaterials,2008,(22):573-579.

[9]Eldin N N,Senouci A B.Rubber-tire particles as concrete aggregates[J].ASCEJournalofMaterialsinCivilEngineering,1993,5(4):478-496 .

[10]Rostami H,Lepore J,Silverstraim T.Use of recycled rubbertires in concrete[D]. In：Dhir, R K, Proceedings of the International conference on Concrete 2000. University of Dundee,Scotland,UK,1993, 391-399.

[11]管學茂，張海波．膠粉表面改性對膠粉砂漿力學性能的影響研究[J]．材料導報，2007,(12A):1-3．

[12]Albano C,Camacho N,Reyes J.Influence of scrap rubber addition to portland I concrete composites: destructive and non-destructive testing[J].CompositeStructures,2005,71(3-4):439-446.

[13]Zhang H B,Gou M F,Liu X X,et al.Effect of rubber particle modification on fresh/hardened properties of rubberized concrete[J].JournalofWuhanUniversityofTechnology，2014，29(4):763-768.

Effect of Vacuum Heat-treatment on the Strength of Rubberized Mortar

ZHANGHai-bo,DINGXue-chen,XUZi-li,WANGJun-jun,ZHANGYi-hua,QINWen-xuan,GUANXue-mao

(College of Materials Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China)

The previous methods of improving the strength of rubberized concrete are surface modifications of the rubber particles. In this paper, the vacuum heat-treatment (VHT) method is used to improve the strength of rubberized mortar. The obtained results show that the VHT can raise the flexural and compressive strength of rubberized mortars. The rising are more obvious on the rubberized mortars incorportiating pretreated rubber particles with NaOH or smaller size rubber particles. The reasons may be that the rubber will partially decompose at heat-treatment temperature and the decomposition products can enhance the adhesion between rubber and cement, the NaOH can catalyze the decomposition of rubber, and the smaller rubber particle is easier to decompose.

rubberized mortar;vacuum heat-treatment;flexural strength;compressive strength;decomposition

國家自然基金(U1204513)

張海波(1974-)，男，博士，副教授.主要從事廢舊物在水泥混凝土中應用的相關研究

管學茂，教授，博導.

TU528

A

1001-1625(2016)05-1637-05