摻橡膠顆粒的玻化微珠保溫砂漿抗凍性能研究

蔣連接 朱方之 馬 靜 高 立 施 云

（宿遷學院建筑工程學院，宿遷223800）

0 引 言

我國每年產(chǎn)生大量的的廢橡膠，并以5%～8%的速度增長。統(tǒng)計表明，2018 年我國產(chǎn)生廢橡膠輪胎約3.8億條，重達1 400多萬噸，報廢的摩托車胎、電動車胎、膠管、膠鞋和橡膠墊圈等廢橡膠制品亦有幾百萬噸。廢橡膠是可以再生利用的寶貴資源，將其破碎成橡膠顆粒應用于普通混凝土、瀝青混凝土、砂漿、防水材料以及其他建筑材料中，既能處理大量廢橡膠，又能改善材料性能，具有顯著的社會效益和經(jīng)濟效益［1］。

?；⒅楸厣皾{是一種綠色節(jié)能的建筑材料，保溫隔熱性能、防火性能、抗裂性能和抗老化性能好，廣泛應用于建筑物外墻和屋面保溫系統(tǒng)中［2］。在我國北方嚴寒和寒冷地區(qū)，?；⒅楸厣皾{受凍融環(huán)境的影響較大，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其抗壓強度、抗拉強度和拉伸粘結強度等逐漸降低，長期使用效果不斷下降［2-4］。如何提高玻化微珠保溫砂漿的抗凍性能吸引了學者和工程人員的高度關注。研究表明，橡膠顆粒可以提高普通砂漿、普通混凝土和再生混凝土的抗凍性能［5-7］，然而對玻化微珠保溫砂漿抗凍性能的影響研究幾無相關報道。鑒于此，本文將改性橡膠顆粒摻入?；⒅楸厣皾{中，制備了24 組保溫砂漿試塊，進行凍融循環(huán)試驗，選取質(zhì)量損失率和相對立方體抗壓強度兩個指標，研究了橡膠顆粒摻量和粒徑對?；⒅楸厣皾{抗凍性能的影響規(guī)律，為其推廣應用提供參考。

1 試 驗

1.1 試驗材料

?；⒅楸厣皾{：上海舜安建材有限公司生產(chǎn)的玻化微珠無機保溫砂漿預拌干粉；橡膠顆粒：宿遷興亞橡膠有限公司生產(chǎn)的0.55～2.36 mm、0.38～0.55 mm、2.36～4 mm 三種細度的橡膠粒粉；改性劑：硅烷偶聯(lián)劑KH-550；拌合水：自來水。

1.2 橡膠顆粒改性方式

為減小橡膠顆粒對?；⒅楸厣皾{強度的不利影響，對橡膠顆粒表面進行改性處理。根據(jù)課題組研究結果，硅烷偶聯(lián)劑KH-550改性效果較好［8］，故采用此種改性方式。具體步驟如下：稱取1.5%橡膠顆粒質(zhì)量的硅烷偶聯(lián)劑KH-550，按KH-550∶乙醇∶水=20%∶72%∶8%的比例混合、配制偶聯(lián)劑溶液，然后將橡膠顆粒與偶聯(lián)劑溶液充分攪拌均勻潤濕，最后放在陰涼處直至顆粒表面完全干燥［8］。

1.3 保溫砂漿試塊分組

配制?；⒅闊o機保溫砂漿時，取預拌干粉∶水=1∶0.8（質(zhì)量比）；保持該比例不變，摻入不同摻量和粒徑的橡膠顆粒，摻量分別為預拌干粉質(zhì)量的0、10%、20%、30%，粒徑范圍分別為0.55～2.36 mm、0.38～0.55 mm、2.36～4 mm，分別用編號A、B、C 表示；試驗過程中凍融循環(huán)次數(shù)N取 0、15、25、50次。設計24組70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm保溫砂漿立方體試塊，每組3個。試塊分組詳見表1。

表1 ?；⒅楸厣皾{試塊分組Table 1 Group of glazed hollow beads thermal insulation mortar samples

1.4 試驗方法

稱取各材料用量，向攪拌機中倒入預拌干粉和橡膠顆粒，干拌2 min，使橡膠顆粒在干粉中分散均勻，然后徐徐加入水，攪拌3 min，倒出均勻膏狀料漿，裝入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 試模中，振搗后用塑料薄膜覆蓋并放入養(yǎng)護室中進行養(yǎng)護。養(yǎng)護28 天后取出試塊放入（80±3）℃環(huán)境下烘干24 h，稱量各組試塊的初始質(zhì)量，然后將凍融試塊浸泡在（15～20）℃的水中，水面高出凍融試塊20 mm 以上，2 天后取出凍融試塊并將其表面水分擦干，利用英貝兒（天津）IMDR-16 型快速凍融試驗機分別完成15 次、25 次、50 次的凍融循環(huán)試驗，每次凍融循環(huán)（3～4）h。在凍結和融化過程中，試塊的最低溫度控制在（-16～-20）℃，最高溫度控制在（3～7）℃。凍融試驗結束后，將凍融試塊放入（80±3）℃的條件下烘干24 h，然后進行稱量，參照《建筑砂漿基本力學性能試驗方法標準》（JGJ/T 70—2009）測定各組試塊的立方體抗壓強度。

2 試驗結果與分析

2.1 質(zhì)量損失率

凍融循環(huán)后保溫砂漿試塊的質(zhì)量損失率按式（1）計算：

式中：Δmm為N次凍融循環(huán)后保溫砂漿試塊的質(zhì)量損失率；m0為凍融循環(huán)前保溫砂漿試塊的質(zhì)量；mn為N次凍融循環(huán)后保溫砂漿試塊的質(zhì)量。

各組保溫砂漿試塊的平均質(zhì)量損失率計算結果如圖1所示。

圖1 保溫砂漿試塊質(zhì)量損失率Fig.1 Mass loss rate of thermal insulation mortar samples

從圖1 可以看出，各組保溫砂漿試塊的質(zhì)量損失率均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大。以未摻橡膠顆粒的試塊W 為例，經(jīng)歷15 次、25 次凍融循環(huán)后，試塊表面開始變得粗糙，少許砂漿脫落，質(zhì)量損失率分別為5.24%、6.89%，經(jīng)歷50 次凍融循環(huán)后，試塊表面非常酥松，極易剝落，破損嚴重，質(zhì)量損失率快速增加到14.28%。

試驗發(fā)現(xiàn)，摻入橡膠顆粒后，各保溫砂漿試塊的完整性均好于未摻橡膠顆粒的保溫砂漿試塊W，質(zhì)量損失率也有不同程度的降低。圖1（a）反映了橡膠顆粒摻量與保溫砂漿試塊質(zhì)量損失率的變化關系。由圖1（a）可知，經(jīng)歷相同次數(shù)的凍融循環(huán)作用后，保溫砂漿試塊A10、A20、A30 的質(zhì)量損失率均小于試塊W，且橡膠粒摻量越多，質(zhì)量損失率越小。在15 次凍融循環(huán)時，試塊A10、A20、A30 的質(zhì)量損失率相較于試塊W 分別降低了9.9%、15.1%和17.3%；在25 次凍融循環(huán)時，試塊 A10、A20、A30 的質(zhì)量損失率比試塊 W 分別降低了11.6%、15.4%和24.5%；經(jīng)歷50 次凍融循環(huán)后，試塊A10、A20、A30 的質(zhì)量損失率的降低幅度更大，分別達到了20.7%、24.5%和53.8%。同時發(fā)現(xiàn)，試塊A30 的質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大的速度明顯慢于其余試塊，僅由15 次凍融循環(huán)時的4.33%增至50 次凍融循環(huán)時6.6%。這說明橡膠顆粒可以降低凍融循環(huán)作用下保溫砂漿試塊的質(zhì)量損失率，橡膠顆粒摻量越多，試塊的質(zhì)量損失越小，抗凍性越好；當摻量較大（≥30%）時，橡膠顆粒能夠顯著削弱試塊的質(zhì)量損失率峰值，降低試塊的質(zhì)量損失率增幅，對提高試塊的抗凍性更加有利。

圖1（b）反映了橡膠顆粒粒徑與保溫砂漿試塊質(zhì)量損失率的變化關系。結果顯示，在相同次數(shù)的凍融循環(huán)作用后，隨著橡膠顆粒粒徑的增加，保溫砂漿試塊B20、A20和C20的質(zhì)量損失率總體上表現(xiàn)出增大的趨勢，試塊的抗凍性逐漸降低。經(jīng)過 15 次凍融循環(huán)時，試塊 B20、A20 和 C20 的質(zhì)量損失率相差很小，橡膠顆粒粒徑對質(zhì)量損失率的影響差異并不顯著；經(jīng)過25 次凍融循環(huán)時，摻入粗橡膠顆粒的試塊C20 的質(zhì)量損失率增加較多，約為試塊 A20 和 B20 的 1.4 倍；經(jīng)過 50 次凍融循環(huán)后，摻入細橡膠顆粒的試塊B20 的質(zhì)量損失率最小，僅為7.44%，而試塊A20、C20 的質(zhì)量損失率分別為10.78%、11.2%，分別增大1.45 倍、1.51倍。整個凍融循環(huán)過程中，試塊B20 的完整性始終最好，質(zhì)量損失率最小，增長速度也最為緩慢，說明細顆粒橡膠更有助于提高試塊的抗凍性。

2.2 相對立方體抗壓強度

經(jīng)過 0、15 次、25 次、50 次凍融循環(huán)作用后各組保溫砂漿試塊的立方體抗壓強度平均值fcu見表2。

試驗結果表明，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，各組保溫砂漿試塊的立方體抗壓強度均逐漸降低。例如試塊 W，經(jīng)過 15 次、25 次、50 次凍融循環(huán)作用后，試塊的立方體抗壓強度分別降低了6.3%、14.61%、15.22%。為描述凍融后各組試塊立方體抗壓強度的衰減程度，定義不同次數(shù)凍融循環(huán)作用下試塊的立方體抗壓強度與未凍融試塊的立方體抗壓強度之比為相對立方體抗壓強度Δfcu，該值越大，凍融后試塊的立方體抗壓強度衰減越小，抗凍性越好。不同橡膠顆粒摻量、不同橡膠顆粒粒徑的保溫砂漿試塊的相對立方體抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化分別如圖2、圖3所示。

表2 凍融循環(huán)作用下各組保溫砂漿的立方體抗壓強度Table 2 cubic compressive strength of thermal insulation mortar samples under freeze-thaw cycle

圖2 不同橡膠顆粒摻量的試塊相對立方體抗壓強度Fig.2 Relative compressive strength of thermal insulation

圖3 不同橡膠顆粒粒徑的試塊相對立方體強度Fig.3 Relative compressive strength of thermal

分析圖2 可得，摻加橡膠顆粒后，在相同次數(shù)的凍融循環(huán)作用下，保溫砂漿試塊A10、A20、A30的相對立方體抗壓強度均大于試塊W，且隨著橡膠顆粒摻量的增加，試塊的相對立方體抗壓強度呈現(xiàn)增大的趨勢，抗凍性不斷提高。在凍融循環(huán)15 次、25 次時，試塊W 的相對立方體抗壓強度分別為0.937、0.854，凍融后抗壓強度衰減較快，而試塊A10、A20、A30 的相對立方體抗壓強度均在0.98以上，凍融后抗壓強度幾乎無損傷，說明橡膠顆粒大大減緩了凍融后試塊的抗壓強度的下降幅度，但摻量影響的差異較?。辉趦鋈谘h(huán)50 次時，橡膠顆粒摻量越大，試塊的相對立方體抗壓強度也越大，但試塊A10、A20 的相對立方體抗壓強度已與試塊 W 相差不大，在 0.85～0.87 之間，凍融后試塊的抗壓強度下降較多，而試塊A30 的相對立方體抗壓強度仍在0.9以上，凍融后試塊的抗壓強度損傷不超過10%，依然保持良好的抗凍性能。總體來看，橡膠顆粒摻量越大，試塊的相對立方體抗壓強度越大，折線變化越平緩，凍融后試塊的抗壓強度衰減越緩慢，抗凍性越好。

圖3 反映了橡膠顆粒粒徑對保溫砂漿試塊相對立方體抗壓強度的影響。在相同次數(shù)的凍融循環(huán)作用下，隨著橡膠顆粒粒徑的增加，試塊B20、A20 和C20 的相對立方體抗壓強度隨之下降，抗凍性能逐漸劣化。在凍融循環(huán)15 次、25 次時，試塊B20 的相對立方體抗壓強度分別為0.996、0.986，凍融后抗壓強度幾乎無下降，試塊A20、C20 的相對立方體抗壓強度略有下降，但仍在0.96 以上，抗壓強度降低不多；在凍融循環(huán)50 次時，試塊B20的相對立方體抗壓強度為0.911，而試塊A20、C20 的相對立方體抗壓強度分別下降到0.871、0.862，抗壓強度損傷接近15%，抗凍性能退化較多。因此，細橡膠顆粒更有利于減緩試塊的立方體抗壓強度降低幅度，提高試塊的抗凍性能。

綜上所述，橡膠顆粒能夠改善保溫砂漿試塊的抗凍性能，橡膠顆粒摻量越高、橡膠顆粒粒徑越小，經(jīng)歷相同次數(shù)的凍融循環(huán)后，試塊的質(zhì)量損失率和立方體抗壓強度損傷越小，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試塊的質(zhì)量損失率和立方體抗壓強度的下降幅度越平緩，試塊的抗凍性越好。在橡膠顆粒摻量為10%～30%、橡膠顆粒粒徑為0.38～4 mm 的范圍內(nèi)，摻量為30%、粒徑范圍為0.38～0.55 mm的玻化微珠保溫砂漿的抗凍性能最好。

2.3 機理分析

玻化微珠保溫砂漿的抗凍性主要與砂漿內(nèi)部的孔隙結構有關。橡膠顆粒容易包裹空氣，將其摻入到砂漿中，會在砂漿內(nèi)部引入封閉氣孔，增大砂漿的含氣量；橡膠顆粒摻量越大，砂漿的含氣量越大，硬化后孔隙率越高，可以緩沖凍融循環(huán)時對砂漿的膨脹壓力作用，減緩凍融裂縫的擴展，保持砂漿的完整性，降低砂漿的質(zhì)量損失和抗壓強度衰減，從而提高砂漿的抗凍性。再者，橡膠顆粒具有良好的彈性特征，也可在一定程度上緩沖凍融時的膨脹壓力作用，提高砂漿的抗凍性。

當摻入相同質(zhì)量的橡膠顆粒時，橡膠顆粒粒徑越小，比表面積越大，在砂漿內(nèi)部引入的微小封閉孔隙越多，從而越有利于改善砂漿的抗凍性。

3 結 論

（1）隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，?；⒅楸厣皾{的質(zhì)量損失率逐漸增大、立方體抗壓強度逐漸降低，凍融損傷不斷加劇。

（2）橡膠顆?？梢栽诓；⒅楸厣皾{內(nèi)部引入微小封閉氣孔，增大砂漿的含氣量，緩沖凍融循環(huán)對砂漿的膨脹壓力作用，提高砂漿的抗凍性；橡膠顆粒摻量越高、橡膠顆粒粒徑越小，保溫砂漿的抗凍性越好。

（3）在橡膠顆粒摻量為10%～30%、橡膠顆粒粒徑為 0.38～4 mm 的范圍內(nèi)，摻加 30%、0.38～0.55 mm 的橡膠顆粒時，經(jīng)歷相同次數(shù)的凍融循環(huán)后，?；⒅楸厣皾{的質(zhì)量損失率和抗壓強度衰減最小，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，?；⒅楸厣皾{的質(zhì)量損失率和抗壓強度的下降幅度最平緩，抗凍性能最好。