談硅烷偶聯劑對橡膠透水混凝土強度提升效果★

陳永鋒 袁松年 任雋豐 耿德華 陸志紅 沈亞芳

(1.江蘇先達建設集團有限公司，江蘇 常州 213016；2.常州市市政工程管理中心，江蘇 常州 213016； 3.東南大學，江蘇 南京 210096)

1 研究背景

目前廢舊橡膠的處理成為了全世界的一大難題，較低的廢舊輪胎橡膠回收利用率也導致了巨大的資源浪費[1]。因而橡膠混凝土這一材料一直是研究的熱點和焦點，廢舊輪胎通過粉碎可以制成橡膠顆粒，然后將其摻入水泥混凝土中，這樣可以提高水泥混凝土的耐久性能和使用性能。另一方面，使用透水混凝土具有不錯的環境效益，可以一定程度上緩解城市的熱島效應、水侵蝕與水質惡化等環境問題。橡膠透水混凝土(Rubberized Pervious Concrete,RPC)材料兼具了橡膠混凝土和透水混凝土的優點，一方面能夠滿足透水、透氣的使用要求，另一方面通過回收利用廢舊橡膠，減少了橡膠產生的污染，并且通過橡膠對水泥混凝土進行改性，提高了材料的韌性，使其變成一種半柔性材料，因此橡膠透水混凝土是一種具有較大發展潛力的環境友好型材料。

橡膠透水混凝土的最大缺陷在于其強度不足，原因有以下幾點：

1)透水混凝土采用單一級配設計，形成骨架孔隙結構，本身強度相對較低，需要通過加入一定量的硅灰、乳膠或玄武巖纖維等增強劑提高材料整體強度。

2)在加入了柔性較強，強度較低的廢舊輪胎橡膠顆粒后，材料的強度大大下降，Mehmet Gesoglu和Erhan Gueneyisi等[2]的研究表明，橡膠的使用可以明顯降低透水混凝土的抗壓強度，強度的降低率與橡膠摻量有關，在摻入質量分數為20%的橡膠顆粒時，強度僅有6.45 MPa，相應的劈裂抗拉強度也僅有0.7 MPa，降幅均超過了60%。

基于上述研究現狀，本課題主要進行了硅烷偶聯劑對橡膠透水混凝土強度的提升效果研究，通過使用不同劑量的、不同型號的硅烷偶聯劑對廢舊橡膠顆粒進行改性處理，對橡膠透水混凝土的立方體抗壓強度和立方體劈裂抗拉強度進行測試。

2 硅烷偶聯劑改性效果理論分析

硅烷偶聯劑是目前品種最多、應用最廣的一種偶聯劑[3]。其化學式通式為Y-R-SiX3，其中,Y是能夠和有機物發生反應的非水解有機基團，主要包括乙烯基和環氧基等；X是結合在硅原子上的特性基團，通過水解作用，Si-X結構轉化為Si-OH結構，從而與無機物結合起來。R結構為脂肪族碳鏈。由于其結構中同時具有能與無機質材料和有機質材料反應的基團，因此硅烷偶聯劑被廣泛應用于表面處理，圖1展示了硅烷偶聯劑的作用機理。

本文根據以上研究結果，選擇使用質量分數為1%,1.5%,2%的硅烷偶聯劑KH550和KH560進行試驗，硅烷偶聯劑對橡膠透水混凝土的改性效果。

3 試驗

3.1 原材料

1)水泥：本實驗采用的是P.Ⅱ42.5硅酸鹽水泥(上海舜安牌)，水泥的強度不小于42.5 MPa(28 d)。

2)水源：實驗室一般自來水。

3)粗集料：本次實驗選用單一級配碎石，其篩孔直徑范圍是5 mm～10 mm(南京產)。

4)廢舊輪胎橡膠顆粒：本實驗采用粒徑范圍是3 mm～6 mm的廢舊橡膠顆粒(廢舊輪胎破碎機破碎制成)。

5)硅灰(硅粉)：本實驗選用常用的普通硅灰，其化學成分主要是非晶態的無定型氧化硅，具有的抗滲性能可提高橡膠透水混凝土的強度。

6)乳膠：本實驗選用常用的普通乳膠，與透水混凝土結合使用可提高其粘結強度及柔韌性。

7)玄武巖纖維：本實驗選用的這種無機纖維材料，以純天然火山巖作為原料，在1 450 ℃～1 500 ℃高溫熔融條件下，結合鉑銠合金經快速拉制形成纖維。此種材料因其具有較高的彈性模量和較強的抗拉強度而能有效地提升橡膠透水混凝土的力學性能。

8)減水劑：JM-A高效減水劑。

3.2 試驗方案

根據相關研究結果，選定試驗變量為硅烷偶聯劑用量(1.0%,1.5%和2.0%)和硅烷偶聯劑種類(KH550和KH560)。各組采用相同的配合比，橡膠顆粒摻量占集料總質量的20%，配合比中各項組分的用量如表1所示。

表1 設計配合比

硅烷偶聯劑是一種無色無味液體，溶于水，因此采用水溶液的方式對各組橡膠顆粒進行處理，處理方式如下：將橡膠顆粒攤鋪于金屬盤中，先加入少量水使其表面濕潤，隨后加入質量分數為橡膠顆粒的1%～2%的硅烷偶聯劑，加入適量水分使其充分溶解，保證橡膠顆粒與溶液充分接觸，靜置直到水分完全蒸發，各組的處理方式和硅烷偶聯劑用量見表2。

表2 各組的處理方式和硅烷偶聯劑用量

3.3 試驗方法

試件規格采用以100 mm為邊長的立方體，采用標準養護條件養護至相應的齡期以進行強度試驗，其中抗壓強度以7 d和28 d為齡期，立方體劈裂抗拉強度以28 d為齡期。其制作、成型及養護依JTG E30—2005公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程[5]進行。每組采用3個試件進行測試，以均值為測定值。若存在一個測值與中值的差超其15%，則以中值為測定值；若兩個測值與中值的差均超其15%，則結果作廢。

4 試驗結果及分析

4.1 試驗結果

拆模后的試件養護達7 d或28 d齡期時取出進行相應強度試驗，7 d的立方體抗壓強度、28 d的立方體抗壓強度以及28 d的立方體劈裂強度，試驗結果見表3。

表3 各組的抗壓強度列表

4.2 硅烷偶聯劑改性效果分析

KH560，KH550測試結果見圖2，圖3。

由圖2可知，在其他條件不變的情況下，KH560的使用顯著的提升了橡膠透水混凝土的28 d立方體抗壓強度，最大值出現在第3組，即摻量為1.5%的組，強度增幅超過了50%；KH560的摻入對7 d立方體抗壓強度有一定提升效果，但幅度不大，而且摻量變化對提升幅度影響較??；而KH560對立方體劈裂抗折強度的提升效果較不明顯，提升幅度不大；由圖3可知，KH550對橡膠顆粒也有一定的改性效果，各項測試結果最高值均出現在第7組，即摻量為2%的組，28 d立方體抗壓強度提升幅度接近40%，對結構強度也有較好的改善效果，與KH560類似，KH550對橡膠透水混凝土的7 d立方體抗壓強度和28 d立方體劈裂抗拉強度提升不大。

對以上試驗結果進行分析如下：

1)KH550的分子式為H2NCH2CH2CH2Si(OC2H5)3，中文名為3-氨基丙基三乙氧基硅烷，是一種氨基官能團硅烷；KH560的分子式為CH2CHCH2O(CH2)3Si(OCH3)3，中文名為γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，是一種環氧官能團硅烷。環氧官能團與橡膠顆粒的結合能力更強，因此KH560的改性效果優于KH550。

2)隨著水泥水化反應的進行，硅烷偶聯劑在橡膠透水混凝土中形成了更多連接鍵，即橡膠顆粒與水泥漿體的結合能力是逐步提升的，因此7 d的立方體抗壓強度提升幅度較小，而在28 d時，隨著兩者的粘結基本完成，材料的強度有了較大幅度的提升。

3)硅烷偶聯劑對橡膠透水混凝土的28 d立方體劈裂抗拉強度的提升效果較小，原因分析如下[5]：橡膠顆粒因其具有一定的彈塑性性質，其模量遠小于水泥砂漿和集料，因此在劈裂荷載作用下，橡膠顆粒的形變量與周圍的水化產物不一致，在連接界面產生了較大的應力，產生了大量的微裂縫，導致立方體劈裂抗拉強度提升幅度不大。

4)對比各組結果，試驗組3，即采用質量分數為1.5%的KH560硅烷偶聯劑有最好的改性效果，抗壓強度達到15 MPa，同時經過試驗測試，該組材料也滿足透水性要求，因此該組具有較好的路用價值，建議用在人行道、路肩、停車場等輕交通地區。

5 結語

硅烷偶聯劑作為一種能夠同時與有機物和無機物形成連接鍵的化合物，能夠有效的提高橡膠透水混凝土結構中橡膠與水泥砂漿的粘結效果，試驗中28 d立方體抗壓強度最多提升了接近60%，極大地改善了橡膠透水混凝土的強度性能，而由于硅烷偶聯劑對材料的透水性影響不大，使橡膠透水水泥混凝土的使用成為了可能，最終建議在橡膠透水混凝土中加入質量分數為1.5%的硅烷偶聯劑KH560對其進行改性處理，推薦使用在人行道等輕交通地區。