橡膠、塑料的摻量對復合水泥砂漿性能的影響研究

黃 樂，姚傳勤

(安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

隨著當今社會經濟的飛躍發(fā)展，廢舊的橡膠，例如輪胎，急劇增加，給環(huán)境帶來了嚴重危害[1]。為減少環(huán)境壓力，將廢棄橡膠輪胎應用于水泥混凝土中是其資源化分配的有效途徑之一[2，3]，且可改善混凝土性能。例如馬一平等研究表明一定摻量下的改性橡膠混凝土抗折強度、抗壓強度、韌性較基準混凝土均有不同程度的提高[4]。王軍軍等研究表明廢舊橡膠顆粒摻入混凝土中，韌性得到了提高[5]。范小春等將橡膠顆粒按等體積代替細骨料的方式摻入無機聚合物混凝土中，結果表明無機聚合物橡膠混凝土的抗裂性能、變形能力隨著橡膠摻量的增加而增強[6]。另外我國塑料產量位居世界前列[7]，塑料制品已成為人們生活中不可缺少的部分，給生產、生活帶來方便的同時，造成的塑料廢棄物污染同樣嚴重。而且塑料由于其質量較小、體積較大、分解速度慢、生物降解差等性質[8]，導致綠色化處理塑料的難度偏大。再生回收是當代處理塑料廢棄物的主要方式之一，例如將塑料廢棄物制成的塑料混凝土，減少廢棄物的同時改善了混凝土性能，具有較高的利用價值。Rebeiz等研究表明瀝青混凝土在摻入廢棄塑料顆粒后，韌性得到了提高，同時減少了裂縫[9]。楊樹桐等在混凝土中摻入廢棄塑料顆粒后，其彎曲延性(28 d)略有提高[10]。劉鋒等將再生ABS/PC塑料顆粒摻入混凝土中，發(fā)現(xiàn)再生塑料顆粒的摻入在一定程度上改善了混凝土的脆性破壞性能及單軸抗壓強度[11]。

國內外對于硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥復合體系的研究較多，大多數(shù)研究兩種水泥的互摻及礦物摻合料對硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥復合體系的性能的影響，較少將橡膠、塑料摻入其中。本文通過將等體積的橡膠、塑料替代砂，研究在不同橡膠、塑料摻量下復合水泥砂漿的流動度、物理性質、力學強度及收縮性能如何變化，為廢棄塑料和橡膠在水泥砂漿中有效利用的進一步研究提供參考。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

硅酸鹽水泥：安徽海螺水泥股份有限責任公司所生產的P·O42.5普通硅酸鹽水泥，化學成分見表1。硫鋁酸鹽水泥：河南登電集團水泥有限公司所制造的R·SAC42.5快硬硫鋁酸鹽水泥，化學成分見表2。細骨料：淮河河砂，表觀密度2600 kg/m3，細度模數(shù)為2.6，粒徑<5 mm。塑料：PP(聚丙烯)塑料由寧波市余姚塑料城所生產，其粒徑大小為2～3 mm，相對密度約為0.92 g/cm3。橡膠：其粒徑為5～20目，相對密度約為1.03 g/cm3。橡膠、塑料的面貌形態(tài)見圖1、圖2。水：城市自來水。

表1 硅酸鹽水泥化學成分(%)

表2 硫鋁酸鹽水泥化學成分(%)

圖1 橡膠

圖2 塑料

1.2 試驗配合比

本試驗水泥砂漿100 g配比如表3所示。水灰比(水與水泥的比值)為0.4，砂率50%。將橡膠、塑料(20%，40%，60%)等體積替代砂。

1.3 流動度

按照《水泥膠砂流動度測定方法》(GB/T2491—2005)測定砂漿的流動性[12]。規(guī)范操作后，打開開關，25次跳動后，用卡尺測量水泥砂漿底面互相垂直的2個方向的擴散直徑D1和D2，以平均值D評價水泥砂漿流動性。

1.4 物理性質

根據(jù)ASTM C20規(guī)范測試不同水灰比下[13]，每個試塊養(yǎng)護28 d后的物理性質，包括試塊的孔隙率、吸水率、表觀密度，每組測量三個，測量結果取其平均值。具體測試步驟如下：

1)測干重量C，懸掛重量D，飽和重量E

將試塊在105℃烘箱中干燥至其恒重，測其干重量，記為C；將干燥后的樣品煮沸2 h后通過細線將試塊懸浮于水中，記錄數(shù)值，即為懸掛重量D；最后將試塊表面擦干稱量測量其飽和重量E，記錄數(shù)值。

2)計算方法：

孔隙率：

吸水率：

真實密度：

表觀密度：

1.5 力學強度

根據(jù)ASTM C348[14]，制備40 mm×40 mm×160 mm長方體試塊。在溫度為23 ℃，相對濕度>95%條件下養(yǎng)護至3 d，7 d，28 d。在指定齡期，測其抗折、抗壓強度，其中3個試塊為一組，測試結果取其平均值。

1.6 干縮

根據(jù)ASTM C596[15]，制作尺寸為40 mm×40 mm

表3 水泥砂漿100 g配比

×280 mm的干縮試件。攪拌漿體完畢后，澆筑入鑄鐵模具中，并振動密實，之后放入溫度為，濕度>95%環(huán)境中養(yǎng)護24 h，拆模后，將試塊浸泡在飽和Ca(OH)2溶液中養(yǎng)護至齡期為72 h。72 h使用比長儀和電子天平首次測量試塊長度和質量，之后將試塊放入50±3%，23±1 ℃環(huán)境中養(yǎng)護，并在指定齡期繼續(xù)測試。3個試塊為一組，結果取平均值。

干縮應變值公式為：

(2)

其中Gt為測量時刻試件長度值，G0為首次測試時試件長度值。

質量損失率應變值公式為：

(3)

其中Mt為測量時刻試件質量值，M0為首次測試時試件質量值。

2 結果和分析

2.1 流動度

由圖3可知，隨著橡膠、塑料摻量的增加，橡膠砂漿的流動度先增大后減小，而塑料砂漿的流動度一直增大。當摻量由0增大到40%時，橡膠砂漿的流動度最大，橡膠砂漿的流動度從190 mm增加至216 mm，增幅為13.7%。當摻量由40%增大到60%時，橡膠砂漿的流動度從216 mm降低至210 mm，降幅為2.8%。當摻量由0增大到60%時，塑料砂漿的流動度從190 mm增加至227 mm，增幅為19.5%。影響橡膠砂漿流動度的主要原因歸結為兩點：一是橡膠與砂相比，其質量更輕，且為憎水材料，隨著摻量的增加，砂漿中的自由水越多，流動度會隨之增大。二是橡膠比砂的表面更粗糙不平，摩擦力大，影響骨料流動，隨著摻量的增加，流動度會隨之減小。然而塑料砂漿的流動度一直增大的是由于聚乙烯塑料不僅具有憎水性，且相對于砂光滑，摩擦力小，因此隨著塑料摻量的增加，砂漿流動性會一直增大。

圖3 流動度

2.2 試塊的物理性質

軟件數(shù)據(jù)擬合后，得到試塊孔隙率，吸水率，真實密度，表觀密度與橡膠、塑料摻量的關系式如表4所示。

表4 物理性質擬合關系式

表4中x11，x12，x13，x14為橡膠摻量的100倍，Y11，Y12，Y13，Y14分別為橡膠試塊的孔隙率，吸水率，真實密度，表觀密度。x21，x22，x23，x24為塑料摻量的100倍，Y21，Y22，Y23，Y24分別為塑料試塊的孔隙率，吸水率，真實密度，表觀密度。由關系式及圖4—圖7可以看出，總結出以下幾點規(guī)律，一是隨著橡膠，塑料摻量的增加，橡膠，塑料試塊的孔隙率和吸水率逐漸增大，真實密度和表觀密度逐漸減??；二是橡膠試塊孔隙率和吸水率關系式的斜率均大于塑料試塊，可見橡膠試塊孔隙率和吸水率隨摻量增加而增長的幅度高于塑料試塊；同時橡膠試塊真實密度和表觀密度關系式的斜率均大于塑料試塊，可見橡膠試塊真實密度和表觀密度隨摻量增加而降低的幅度低于塑料試塊。這是由于：一是橡膠、塑料顆粒粒徑較大，橡膠表面粗糙多棱角，導致與水泥基體界面的氣孔較多[16]，同時塑料光滑，與膠凝材料的黏接薄弱，因此都導致砂漿中的空隙增多。二是橡膠、塑料的密度均小于砂密度，故表觀密度及真實密度隨著摻量的增加而減小。三是橡膠砂漿相對于塑料砂漿，砂漿中氣孔較多且摻時由于其凹凸不平的表面裹挾入大量空氣，同時橡膠與塑料相比密度略大，進而導致橡膠試塊與塑料試塊相比，其孔隙率、吸水率、真實密度、表觀密度均較大。

圖4 孔隙率

圖5 吸水率

圖6 真實密度

圖7 表觀密度

2.3 力學強度

圖8 抗折強度

圖9 抗壓強度

圖10 折壓比

圖8—圖10中X3d，X7d，X28分別代表橡膠試塊3 d，7 d，28 d的抗折強度，抗壓強度及折壓比，而S3d，S7d，S28d代表塑料膠試塊3 d，7 d，28 d的抗折強度，抗壓強度及折壓比。由圖8，9可知，隨著橡膠、塑料摻量的增加，抗折，抗壓強度均呈現(xiàn)減小的趨勢，同時橡膠試塊表現(xiàn)得更敏感，且各摻量下塑料試塊抗折，抗壓強度均高于橡膠試塊。例如：7 d齡期時，當摻量由0增加到60%時，橡膠、塑料試塊抗折強度從6.99 MPa分別減少至2.66 MPa、3.94 MPa，其抗壓強度從35.23 MPa分別減少至7.68 MPa、19.23 MPa。28 d齡期時，橡膠、塑料試塊抗折強度從8.50 MPa分別減少至3.46 MPa、4.80 MPa，其抗壓強度從44.28 MPa分別減少至11.95 MPa、22.09 MPa。這是由于以下幾點原因：一是橡膠在砂漿相當于“空隙”，隨著摻量增多，單位面積上砂漿的體積分數(shù)越少，抗壓強度隨之降低。同時由于橡膠表面的粗糙，與水泥基體界面的氣孔較多，摻量增加，砂漿體系內弱結合面面積越大，抗折強度隨之降低。二是本實驗中塑料光滑，塑料與水泥漿基體之間的粘接強度比骨料與水泥漿基體之間粘接強度低。且塑料本身的強度小于砂的強度，因此隨著摻量增加，塑料與水泥漿基體之間的薄弱界面區(qū)也越多，導致抗壓，抗折強度的降低。三是橡膠本身的強度低于塑料，同時橡膠表面比塑料粗糙，導致橡膠與水泥漿體之間的粘接強度高于塑料，進而橡膠試塊強度的降低對摻量的增加表現(xiàn)得更敏感。

折壓比為抗折強度與抗壓強度的比值。由圖10可知，3 d，7 d齡期時橡膠試塊的折壓比隨著摻量的增加而增大，28 d齡期時，摻量越多，折壓比先減小后增大。而塑料試塊折壓比3 d時逐漸減小，7 d，28 d時幾乎無明顯變化。折壓比反映砂漿的韌性，折壓比越大，砂漿的韌性越好[17]。因此隨著摻量的增加，橡膠可改善砂漿的韌性，而塑料早期對砂漿韌性不利，后期也無明顯效果。

2.4 干縮

圖11為不同摻量的橡膠、塑料對砂漿7 d干縮的影響規(guī)律。由圖可知，隨著橡膠、塑料摻量的增加，7 d干縮均逐漸增大。但橡膠砂漿早期(0～3 d)隨著摻量的增加，干縮反而減小，塑料砂漿均一致增大。例如：橡膠摻量為20%，40%，60%時，分別比對照組增長24.9%、31.9%、55.2%。塑料摻量為20%，40%，60%時，分別比對照組增長4.8%、17.1%、35.7%。這是因為橡膠、塑料的摻入，導致砂漿中空隙數(shù)量增加引起的毛細應力增大[18，19]，因此隨著摻量的增加，毛細應力越大，干縮越大。當橡膠摻量為40%時，2 d前總干縮量小于對照組。當橡膠摻量為60%時，3 d前總干縮量小于對照組。這可能是由于橡膠相對較高的彈性在前期可抵消大部分的收縮。由圖還能得知，不同摻量下，橡膠砂漿各齡期干縮值均小于塑料砂漿。當摻量為20%，40%，60%時，橡膠砂漿干縮值分別為625.4×10-6、660.3×10-6、777.4×10-6，塑料砂漿干縮值分別為525.0×10-6、586.5×10-6、679.4×10-6。通過計算，7 d齡期時摻20%，40%，60%橡膠砂漿各組相對于對照組干縮增長率與塑料砂漿干縮增長率比值分別為5.19、1.86、1.55。隨著摻量的增加，其比值在減少。這從側面說明了相對于橡膠砂漿干縮增長率，塑料砂漿干縮增長率對摻量表現(xiàn)得更為敏感。

圖11 不同橡膠、塑料摻量下的干縮曲線

2.5 質量損失率

圖12 不同橡膠、塑料摻量下的質量損失率曲線

圖12為不同摻量的橡膠、塑料對砂漿7 d質量損失率的影響規(guī)律。由圖可知，隨著橡膠、塑料摻量的增加，7 d質量損失率均逐漸增大。橡膠摻量為20%，40%，60%時，分別比對照組增長14.9%、82.1%、131.7%。塑料摻量為20%，40%，60%時，分別比對照組增長5.1%、14.6%、32.8%。同時橡膠砂漿各摻量下的質量損失率增長率均高于塑料砂漿。這是因為：橡膠和塑料都是憎水材料，隨著橡膠、塑料的摻量，必然會導致砂漿中的自由水增多，而砂漿質量的變化主要是由于其水分的損失，因此摻量越多，質量損失率越大。同時橡膠相對于塑料表面粗糙不平，在砂漿中導致的毛細孔數(shù)量更多，空隙中的水分越多，進而在各摻量下橡膠砂漿的質量損失率增長率均高于塑料砂漿。由圖還能得知，無論哪種摻量，橡膠砂漿7 d的質量損失率均小于塑料砂漿。例如：當摻量為20%，40%，60%時，橡膠砂漿質量損失率分別302.0×10-4、478.7×10-4、609.0×10-4，塑料砂漿質量損失率為276.3×10-4、301.3×10-4、349.0×10-4。這從側面說明，塑料砂漿質量損失率變化對摻量表現(xiàn)得更為敏感。

3 結論

1)隨著橡膠、塑料摻量的增加，橡膠砂漿的流動度先增大后減小，而塑料砂漿的流動度一直增大。橡膠、塑料試塊的孔隙率和吸水率逐漸增大，真實密度和表觀密度逐漸減小。橡膠在砂漿物理性質上劣于塑料。

2)隨著橡膠、塑料摻量的增加，抗折強度，抗壓強度均呈現(xiàn)減小的趨勢，同時橡膠試塊表現(xiàn)得更敏感。橡膠可改善砂漿的韌性，而塑料早期對砂漿韌性不利，后期也無明顯效果。橡膠在砂漿力學強度上劣于塑料，在韌性上優(yōu)于塑料。

3)隨著橡膠、塑料摻量的增加，7 d砂漿干縮值及質量損失率均逐漸增大。相對于橡膠砂漿，塑料砂漿干縮增長率及質量損失率對摻量表現(xiàn)得更為敏感。橡膠在砂漿干縮性能上劣于塑料。