橡膠顆粒表面處理方式對橡膠砼力學性能的影響

李亮亮，張韜宇，姚佳良

（長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南　長沙　410004）

橡膠顆粒表面處理方式對橡膠砼力學性能的影響

李亮亮，張韜宇，姚佳良

（長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南長沙410004）

現代工業帶來了大量廢舊橡膠，很多專家提出將廢舊橡膠摻入水泥砼中改進其性質。為了獲得更優的使用性能，文中通過砼抗壓強度、抗折強度、劈裂強度等力學性能試驗，比較分析了在一定橡膠顆粒粒徑和摻量范圍下，已有不同橡膠顆粒表面處理方式對砼力學性能的影響。

公路；橡膠砼；力學性能；橡膠顆粒表面處理方式

隨著中國工業的發展，廢舊橡膠尤其是廢舊輪胎的處理成為十分棘手的環保問題。鑒于水泥砼路面的剛度較大，易出現裂縫、斷板、唧泥、錯臺等病害，而橡膠粉顆粒具有良好的韌性、抗疲勞、保溫隔熱等特點，國內外專家學者提出把廢舊橡膠制成一定粒徑的膠粒或膠粉以等體積代替部分集料的方式按不同比例摻加到普通砼中形成一種新型復合材料。橡膠粉的摻入能填充空隙，約束微裂縫產生和發展，形成吸收應變能的結構，提高砼的抗沖擊性和抗震性。劉鋒等研究指出摻加橡膠后，砼的強度有一定程度下降且隨著橡膠摻量的增加，橡膠砼的抗壓強度呈降低趨勢，同時建立有限元模型進行細觀數值分析，指出增強橡膠顆粒與砼基體界面粘結強度是提高橡膠砼強度的有效措施。

廢舊橡膠特別是輪胎、膠鞋類制品，由于長期與地面接觸，夾雜著很多泥沙、灰塵等雜質，若回收后粉碎至一定粒徑不經過任何表面處理就摻入砼中，會因為雜質的存在而影響橡膠和水泥砂漿之間的粘結強度進而影響水泥砼強度。因此，研究廢舊橡膠的表面處理方式成為提高橡膠砼強度的一種途徑。曹宏亮等利用電鏡輔以抗壓強度、劈裂強度試驗，研究了橡膠顆粒經過水洗、NaCl溶液和MgSO4溶液處理后的表面，證明這些表面處理方式能在一定程度上改善橡膠砼強度。橡膠砼顆粒表面處理方式主要包括水洗、NaOH、偶聯劑處理等。目前，大多數研究僅針對不同顆粒表面處理方式對于抗壓強度的影響及不同摻量橡膠顆粒摻入砼后對其力學性能的影響。該文在一定橡膠顆粒粒徑和摻量范圍下進行水泥砼力學性能試驗，比較分析不同橡膠顆粒表面處理方式對橡膠砼力學性能的影響，以找出更加經濟、有效的處理方式。

1　原材料和試驗方法

1.1原材料及砼配合比設計

采用海南省天源化工有限公司的橡膠顆粒，粒徑分為粗、中、細3種，粒徑分別為20～40（膠粒A）、10～18（膠粒B）、5～8目（膠粒C），橡膠顆粒的性能指標見表1。查閱相關資料，考慮到橡膠顆粒摻量過高會使橡膠砼的強度下降過多，失去其改性意義，選擇橡膠顆粒摻量為10％，采用等體積代替石屑的方式。

表1　橡膠顆粒的技術指標

水泥選用海南昌江鴻啟實業有限公司生產的海南椰樹牌32.5#復合硅酸鹽水泥。粗集料選用石灰巖碎石，分為4.75～9.50、9.50～19.00 mm兩個粒級，其技術性能指標見表2，篩分結果見表3。細集料采用河砂，等級為Ⅱ級，細度模數為2.88，含泥量為1.8％，表觀密度為2 680 kg/m3，堆積密度為1 490 kg/m3，空隙率為44.8％，吸水率為1.6％，其篩分結果見表4。外加劑采用由邁地砼外加劑有限公司生產的減水劑，減水效率15％，其中減水劑的質量為水泥的0.7％。

橡膠顆粒表面處理方式主要有3種，即硅烷偶聯劑、NaOH溶液和水洗。硅烷偶聯劑由佛山市矽美有機硅材料有限公司生產，其用量約為橡膠顆粒用量的1.3％。偶聯劑的處理法：將待處理的橡膠顆粒放入盆中，利用滴管將所需量的偶聯劑滴入其中進行充分攪拌，直至全部潤濕為止，然后把處理后的橡膠顆粒晾干。查閱相關文獻，NaOH溶液最佳濃度約為1％，處理方式：按NaOH溶液與橡膠顆粒質量4∶1的比例進行處理，將處理后的橡膠顆粒晾干再摻入砼試件。水泥砼的配合比為水∶水泥∶砂∶碎石∶石屑=1∶1.13∶2.9∶0.23∶0.23。

表2　粗集料的主要技術性能指標

表3　粗集料的篩分結果

1.2試驗方法

選取抗壓強度、抗折強度、劈裂強度指標研究不同橡膠顆粒表面處理方式對砼性能的影響。

（1）立方體抗壓強度試驗。采用150 mm×150 mm×150 mm標準試件，通過機械攪拌和機械振搗壓實制作，試件成型后放入標準養護箱中靜置24 h后脫模，養護溫度為（20±5）℃，相對濕度90％以上，并采用室內霧化加濕。采用GB/T 50081-2002《普通混凝凝土力學性能試驗方法標準》中的立方體抗壓試驗方法，試件成型28 d后進行試驗，試驗儀器為MTS810萬能試驗機，加載速度為0.3～ 0.5 MPa/s。

（2）棱柱體抗折強度試驗。采用100 mm×100 mm×400 mm非標準試件，試件制作與養護方法同立方體抗壓強度試驗。采用GB/T 50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》中的棱柱體抗折試驗方法，試件成型28 d后進行試驗，試驗儀為MTS810萬能試驗機。

（3）立方體劈裂抗拉強度試驗。采用150 mm ×150 mm×150 mm標準試件，試件制作與養護方法同立方體抗壓強度試驗。采用GB/T 50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》中的劈裂抗拉試驗方法，試件成型28 d后進行試驗。

各強度試驗均設置3個試件，共設置108個試件。試驗組分見表5。

表5　試驗組分情況

2　試驗結果

按上述方法對試件進行抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度試驗，試驗結果見表6。

同一粒徑情況下，不同表面處理方式對橡膠砼力學性能的影響見圖1～3，不同處理方式及不同粒徑橡膠顆粒對砼力學性能的影響見圖4～7。

3　結論

由圖1可得：橡膠粒徑為細，偶聯劑處理對抗壓強度的提升最為明顯，水洗法次之。抗折強度和劈裂強度的結果也近似，數值差別不大。

表6　橡膠顆粒水泥砼力學性能指標值MPa

圖1　膠粒A不同處理方式對砼力學性能的影響（單位：MPa）

圖2　膠粒B不同處理方式對砼力學性能的影響（單位：MPa）

圖3　膠粒C不同處理方式對砼力學性能的影響（單位：MPa）

圖4　未表面處理對不同粒徑橡膠顆粒砼力學性能的影響（單位：MPa）

圖5　水洗法處理對不同粒徑橡膠顆粒砼力學性能的影響（單位：MPa）

圖6　NaOH溶液處理對不同粒徑橡膠顆粒砼力學性能的影響（單位：MPa）

圖7　偶聯劑處理對不同粒徑橡膠顆粒砼力學性能的影響（單位：MPa）

由圖2可得：橡膠粒徑為中，1％NaOH溶液處理后抗壓強度最大，劈裂強度和抗折強度的規律也近似，同樣差別不太大。

由圖3可得：橡膠粒徑為粗，1％NaOH溶液處理后抗壓強度最大，偶聯劑處理后反而會比未處理的降低，推測可能原因是同等體積分數的粗橡膠粒徑的比表面積更小，同樣濃度的偶聯劑會有剩余，從而使砼的強度有一定下降。

由圖4可得：未經過處理的橡膠砼的粒徑越大，各種力學性能指標都有提升。

由圖5、圖6可得：水洗和1％NaOH溶液處理，對于中顆粒的抗壓強度提升效果最好，對于粗顆粒的抗劈裂強度提升最好。

由圖7可得：粒徑越大，經偶聯劑處理后抗壓強度和劈裂強度都越低，抗折強度反而越大。

綜合考慮橡膠的物理破碎方法和顆粒表面處理方法、經濟性等原則，建議將廢舊橡膠破碎至平均粒徑為3.35 mm，將1％NaOH溶液與橡膠顆粒按質量4∶1的比例進行處理，將處理后的橡膠顆粒晾干再摻入砼試件中。

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