橡膠粉、稻殼灰/硅灰改性 鐵路工程用的水泥砂漿試驗(yàn)

王陽(yáng)

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)鐵路工程用的水泥砂漿抗凍融性和抗?jié)B透性差的問(wèn)題，提出用稻殼灰替代一部分硅灰，用橡膠粉替代一部分水泥對(duì)砂漿進(jìn)行改性。以水泥砂漿性能為指標(biāo)，對(duì)水泥砂漿的配比進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：當(dāng)橡膠粉替代水泥量為8%，稻殼灰摻量為100%時(shí)，28 d水泥基體抗壓抗折強(qiáng)度下降了34.5%，質(zhì)量損失率降低了28.5%，相對(duì)動(dòng)彈性模量降低了 21.8%。

關(guān)鍵詞：水泥砂漿;稻殼灰;力學(xué)性能;耐久性能

中圖分類號(hào)：TQ172 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2022）05-0051-05

Test of cement mortar for railway engineering modified by rubber powder， rice husk ash/silica fume

Abstract： In view of the poor freeze-thaw resistance and permeability of cement mortar used in traditional railway engineering， it is proposed to modify the mortar by replacing part of silica fume with rice husk ash and part of cement with rubber powder. Taking the performance of cement mortar as the index， the proportion of cement mortar is designed. The results show that when the amount of rubber powder replacing cement is 8% and the proportion of rice husk ash replacing silica fume is 100%， the compressive strength， and flexural strength， mass loss rate and relative dynamic elastic modulus of 28 d cement matrix are reduced by 34.5%， 28.5% and 21.8% respectively.

Key words： cement mortar;rice husk ash;mechanical properties;durability

水泥支柱作為鐵路軌道的重要支撐物，為鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩ｑ{護(hù)航。受環(huán)境的影響，鐵路軌道材料長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中，因此對(duì)水泥砂漿的抗凍融性能和抗?jié)B透性能要求較高。但傳統(tǒng)水泥砂漿受材料特性限制，滿足不了鐵路軌道所需要的抗凍融和抗?jié)B透要求。在使用一段時(shí)間，易出現(xiàn)凍融開(kāi)裂的現(xiàn)象，給鐵路安全運(yùn)輸帶來(lái)極大的安全隱患。因此對(duì)鐵路工程用的水泥砂漿改性，受到眾多學(xué)者的研究，如王小凡[1]用多壁羧基碳納米管為增強(qiáng)物質(zhì)，對(duì)水泥砂漿的抗壓性能進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，隨著增強(qiáng)物質(zhì)摻量從0.01%增加至0.10%，砂漿在7 d齡期的抗壓強(qiáng)度從14.9%提升至44.8%;梁秋爽[2]則嘗試以水性環(huán)氧樹(shù)脂為主要原材料，對(duì)堿礦渣水泥砂漿進(jìn)行改性。結(jié)果表明：摻入適量聚合物環(huán)氧樹(shù)脂溶液可以有效地改善水泥砂漿的力學(xué)和耐SO42-腐蝕性能。但堿礦渣水泥砂漿還存在體積穩(wěn)定性較差的問(wèn)題，使其無(wú)法在鐵路工程中得到應(yīng)用。為增強(qiáng)水泥砂漿在鐵路工程中的應(yīng)用，本文首先將橡膠粉摻入水泥砂漿中，增強(qiáng)水泥砂漿的延性，但單摻橡膠粉可能對(duì)水泥砂漿的力學(xué)性能產(chǎn)生一些不利影響。稻殼的穹形結(jié)構(gòu)中富含硅元素，其燃燒產(chǎn)物具備較為優(yōu)良的火山灰活性和微集料填充效應(yīng)，化學(xué)成分與硅灰較為類似，且價(jià)格低廉，在橡膠粉水泥砂漿中用稻殼灰替代一部分硅灰，不僅可以補(bǔ)償橡膠粉對(duì)水泥砂漿力學(xué)性能的缺陷，還能與橡膠對(duì)水泥砂漿性能的改善起疊加作用，滿足目前廢棄資源回收利用的要求。借此研究，為橡膠和稻殼灰在水泥砂漿中的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

本試驗(yàn)主要材料：水泥（濟(jì)寧嘉砼水泥制品有限公司，P.O42.5）、稻殼灰（自制，比表面積：62.1 m2/g）、硅灰（靈壽縣石航建材有限公司，比表面積：25 m2/g）、河沙（靈壽縣順誠(chéng)礦產(chǎn)品加工廠，粒徑 0～4.75 mm ）、橡膠粉（靈壽縣茂卓建材有限公司，40 目）、聚羧酸高效減水劑（濟(jì)南源飛偉業(yè)化工有限公司，CP）。

本試驗(yàn)主要設(shè)備為：全自動(dòng)水泥抗壓抗折試驗(yàn)機(jī)（濟(jì)南友創(chuàng)試驗(yàn)機(jī)有限公司，YAW-300E）、微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)（濟(jì)南九望儀器有限公司，YAW-2000B）、自動(dòng)數(shù)控低溫冰箱（山東博華醫(yī)療科技有限公司，DW-40W128）、混凝土攪拌機(jī)（濟(jì)寧市鼎誠(chéng)工礦設(shè)備有限公司，MJZC-150）、混凝土電通量測(cè)定儀（邢臺(tái)智冠機(jī)械科技有限公司，DTL-6）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)在水泥取代率為8%的前提下，橡膠粉替代細(xì)骨料，稻殼灰逐步替代硅灰。具體配合比設(shè)計(jì)如表1所示。

1.2.2 試件制備

（1）將橡膠粉、硅灰和稻殼灰依次放入MJZC-150型混凝土攪拌機(jī)內(nèi)干拌，干拌時(shí)間為2 min，然后將剩余材料放入攪拌機(jī)內(nèi)，攪拌3 min。

（2）將攪拌均勻的材料倒入制作好的模具中。為避免橡膠粉在基體上出現(xiàn)上浮，制作試件時(shí)，振搗時(shí)間稍微延長(zhǎng)，為10 s。養(yǎng)護(hù)1 d后，置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至指定齡期。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱溫度和相對(duì)濕度分別為（20±2） ℃和95%。

1.3 性能測(cè)定

1.3.1 力學(xué)性能測(cè)試

參照GB/T 50081─2002標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)定水泥砂漿抗壓強(qiáng)度[3]。

抗壓強(qiáng)度表達(dá)式為：

式中：fcc為抗壓強(qiáng)度;A為實(shí)際承壓面積;F為破壞荷載。

參照GB/T 17671─1999標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)定水泥砂漿抗折強(qiáng)度[4-5]。

抗折強(qiáng)度表達(dá)式為：

式中：Rf為抗折強(qiáng)度;b為試件截面邊長(zhǎng);L為支撐間距;Ff為中部荷載。

1.3.2 耐久性能測(cè)試

參照GB/T 50082─2009的標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)定水泥砂漿抗凍性能[6]。

相對(duì)動(dòng)彈性模量表達(dá)式為：

式中：fni為橫向基頻;Pi為相對(duì)動(dòng)彈量模量;foi為橫向基頻初始值。

質(zhì)量損失率表達(dá)式為：

式中：Wni為質(zhì)量損失率;Woi、Wni分別為凍融循環(huán)前、后試件質(zhì)量。

參照GB/T 50082─2009測(cè)定水泥砂漿抗氯離子滲透性能[7]。測(cè)試參數(shù)如表2所示。

6 h總電通量表達(dá)式：

式中：Q為總電通量;I0為初始電流量;It為t時(shí)刻通過(guò)試件電流值。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

2.1.1 抗壓強(qiáng)度結(jié)果分析

圖1和圖2分別為橡膠粉、稻殼灰摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度影響。

由圖1可知，摻入橡膠粉后，抗壓強(qiáng)度降低。此原因?yàn)橄鹉z粉并不具備承載能力，在水泥基體內(nèi)部不起承壓作用，抗壓面積有所減小，再加上橡膠粉疏水特性，無(wú)法與水泥基體粘結(jié)，連接界面易形成微型氣泡群，在水泥砂漿基體中分布均勻。因此橡膠粉與砂漿接觸界面屬于缺陷區(qū)域，受荷載時(shí)，易出現(xiàn)應(yīng)力集中產(chǎn)生裂縫，造成水泥基體的破壞[8]。

由圖2知，隨稻殼取代硅灰比例的增加，水泥基體的抗壓強(qiáng)度略微增加，但增長(zhǎng)趨勢(shì)不明顯。這是因?yàn)榈練せ冶旧肀砻娣e較大，在水泥基體內(nèi)部能提高自由水吸收程度，降低水灰。養(yǎng)護(hù)時(shí)間緩慢增加，基體內(nèi)部自由水慢慢釋放，繼續(xù)水化反應(yīng)，進(jìn)而起到內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用[9-10]。同時(shí)，稻殼灰自身粒徑較小，能填充水泥基體內(nèi)部孔隙，在這兩種性能的共同作用下，水泥基體抗壓強(qiáng)度增加。

2.1.2 抗折強(qiáng)度分析

圖3、圖4分別為水泥砂漿抗折強(qiáng)度隨橡膠粉和稻殼灰摻量的變化。

由圖3、圖4可知，隨橡膠粉、稻殼灰摻量變化，水泥砂漿抗折強(qiáng)度變化與抗壓強(qiáng)度變化類似，但相同摻量下，抗折強(qiáng)度優(yōu)于抗壓強(qiáng)度。這是因?yàn)橄鹉z本身抗拉能力較好，因此對(duì)水泥基體的延性有一定提升作用。

2.2 耐久性能測(cè)試結(jié)果

2.2.1 抗凍性能測(cè)試結(jié)果

圖5、圖6為不同橡膠粉摻量水泥砂漿質(zhì)量損失率和動(dòng)彈性模量的影響。

由圖5可知，摻入橡膠粉后，水泥基體質(zhì)量損失率降低，說(shuō)明橡膠粉提升了試件的抗凍性能。這是橡膠粉疏水特性導(dǎo)致的，當(dāng)橡膠粉基體內(nèi)部均勻分布，橡膠粉表面封閉的微小氣泡緩解內(nèi)部冰脹壓力和毛細(xì)水滲透壓。同時(shí)，橡膠粉彈性作用下，基體內(nèi)部孔隙被填充，阻斷了毛細(xì)水的滲透，削弱了凍脹過(guò)程的應(yīng)力，進(jìn)而增加水泥基體的抗凍性能。

由圖6可知，橡膠粉摻量對(duì)水泥基體相對(duì)動(dòng)彈性模量關(guān)系為正相關(guān)。220次凍融循環(huán)后，8%橡膠粉摻量試件具有較高的抗凍，這說(shuō)明橡膠粉可抑制水泥基體內(nèi)部缺陷的開(kāi)展，減輕水泥基體內(nèi)部劣化程度，增加了水泥基體的抗凍性能。

圖7、圖8分別凍融循環(huán)后，水泥砂漿質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)彈性模量變化。

由圖7可知，摻入稻殼灰后，質(zhì)量損失率降低。由圖8可知，經(jīng)凍融后，水泥基體的動(dòng)彈性模量與稻殼灰摻量為正相關(guān)，當(dāng)?shù)練せ姨娲食^(guò)50%時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈性模量趨于穩(wěn)定;當(dāng)替代率為100%時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈性模量比基準(zhǔn)混凝土降低21.8%。這也是因?yàn)榈練せ冶缺砻娣e和活性較高，對(duì)水泥基體內(nèi)部起養(yǎng)護(hù)作用導(dǎo)致。

2.2.2 抗氯離子滲透率測(cè)試結(jié)果

圖9為水泥基體6 h電通量與橡膠粉摻量關(guān)系。

由圖9可知，試件6 h電通量隨橡膠粉摻量增加而降低。說(shuō)明摻入橡膠粉后，水泥基體抗氯離子滲透性能增加，這也得力與橡膠疏水性產(chǎn)生的微型氣泡群，對(duì)毛細(xì)孔的連續(xù)性產(chǎn)生影響，出現(xiàn)離散的現(xiàn)象，水分滲透通道減小，阻礙了氯離子的擴(kuò)散。同時(shí)，受橡膠粉粒徑的影響，對(duì)水泥基體內(nèi)部孔隙有填充和分割作用，使之成為無(wú)數(shù)獨(dú)立空間，阻礙水分滲透，降低水泥基體抗氯離子滲透性。

圖10為混凝土6 h電通量對(duì)稻殼灰摻量變化。

由圖10可知，試件6 h電通量隨稻殼灰摻量變化表現(xiàn)出波浪形變化。當(dāng)?shù)練せ胰〈蕿?5%和100%時(shí)，抗氯離子滲透性能較優(yōu)，說(shuō)明稻殼灰增強(qiáng)了水泥基體抗氯離子滲透性能。這也是受稻殼灰表面積和活性較高和“內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用”影響。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）橡膠粉對(duì)水泥基體抗壓抗折強(qiáng)度產(chǎn)生不良影響，可增加水泥基體的延性。而稻殼灰水泥基體抗壓抗折強(qiáng)度有積極影響;

（2）橡膠粉和稻殼粉皆對(duì)水泥基體抗凍性能和抗氯離子滲透性能有積極的影響。稻殼灰最佳取代量為100%。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王小凡，余天琦，陳正，等.一種多壁羧基化碳納米管改性水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度研究[J].混凝土，2021（8）：110-112，121.

[2]梁秋爽.水性環(huán)氧樹(shù)脂改性堿礦渣水泥砂漿的性能增強(qiáng)研究[J].貴陽(yáng)學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，16（1）：100-103.

[3]魏靖，劉杰勝，付彎彎，等.預(yù)處理磷石膏水泥砂漿基本物理性能研究[J].武漢輕工大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，40（2）：45-50，86.

[4]許亮，陳嘉健，夏勇，等.硅溶膠改性海工水泥性能及水化機(jī)理研究[J].佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，39（3）：68-74，80.

[5]徐春一，王凱樂(lè)，閻磊.蒸壓加氣混凝土薄灰縫砌體新型專用粘結(jié)劑性能研究[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，37（3）：462-469.

[6]魏致強(qiáng)，王遠(yuǎn)貴，齊孟，等.沒(méi)食子酸協(xié)同聚羧酸減水劑分散氧化石墨烯及其對(duì)水泥砂漿性能的影響[J].材料導(dǎo)報(bào)，2021，35（10）：10 042-10 047.

[7]李洋，劉楊.聚乙烯醇摻量對(duì)橋面鋪裝混凝土性能的影響[J].山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2021，29（2）：38-42.

[8]唐家云，黎紅兵，薛伶俐，等.磷酸鎂水泥基材料的改性研究[J].新型建筑材料，2021，48（5）：74-77.

[9]朱德舉，彭卓，任京華，等.玄武巖織物增強(qiáng)堿激發(fā)砂漿高溫后抗彎力學(xué)性能[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，48（6）：1-7.

[10]馮玉潔，朱建平，王立，等.氧化石墨烯對(duì)礦渣水泥抗壓強(qiáng)度及微觀結(jié)構(gòu)的影響[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，40（6）：169-175.

收稿日期：2019-11-09;修回日期：2022-04-24

作者簡(jiǎn)介：王? ? 陽(yáng)（1988-），男，本科，工程師，研究方向：鐵路工程試驗(yàn)檢測(cè)。