橡胶集料对水泥砂浆孔结构的影响

杨林虎，朱 涵,2，张亚梅

橡胶集料对水泥砂浆孔结构的影响

杨林虎1，朱 涵1,2，张亚梅3

(1. 天津大学建筑工程学院，天津 300072；2. 天津大学土木工程结构及新材料天津市重点实验室，天津 300072；3. 东南大学材料科学与工程系，南京 210096)

采用压汞法(MIP)测试了掺加橡胶集料的水泥砂浆的孔径分布和孔隙率，研究了橡胶集料对水泥砂浆孔结构的影响．通过橡胶集料含量与孔隙率和含气量之间的关系，分析了橡胶集料的引气作用．测试结果表明，掺入橡胶集料后，砂浆的最可几孔径、平均孔径、中值孔径以及孔隙率均增大，但砂浆的孔径分布趋于均匀．橡胶集料的引气作用随其含量的增加而增强．

砂浆；橡胶集料；孔结构；孔径分布；孔隙率

随着汽车工业的迅猛发展，回收利用汽车废旧轮胎成为重要研究课题之一．2006年11月28日，在中国济南隆重召开了首届(中国)国际废轮胎、废塑料裂解技术研讨会；2007年8月，中国化工企业管理协会在北京中国国际展览中心发起并主办了“2007中国国际废旧橡胶、轮胎资源再生及循环利用展览会”以及相关的主题论坛．这些工作有力推动了汽车废旧轮胎的回收利用．其中，由汽车废旧轮胎加工而成的橡胶集料在建筑材料中的应用是回收利用废旧轮胎的一条新途径，给建筑材料带来了一系列独特的工程性能．例如，掺加橡胶集料的混凝土(crumb rubber concrete，CRC)具有变形能力大、抗渗抗侵蚀性能强、脆性低的工程特点[1-2]．Li等[3]的研究表明，加入25.4,mm×25.4,mm×5,mm的橡胶块后，混凝土的弹性模量降低了16.8%．Wong和Ting[4]对80,MPa的普通混凝土破坏模式的描述是“瞬间与炸裂”(sudden and explosive)的脆性破坏；而掺加橡胶集料的混凝土展现的则是“渐进的弱脆性”(gradual and less brittle)的破坏．张亚梅等[5]的研究结果表明，当橡胶粉(140 μm)的体积掺量为2%～4%时，橡胶粉的颗粒中心距为330～660,μm，远高于引气混凝土建议的间距(20～200 μm)．刘春生等[6]的研究表明，掺加橡胶集料后，水泥砂浆的抗压强度有了一定降低，但变形能力大幅提升，其中，极限弯拉应变达到了4,600×10-6．上述研究主要集中在橡胶集料对水泥砂浆、混凝土等建筑材料物理力学性能的影响．而橡胶集料对这些材料孔结构的影响尚鲜见报道．

吴中伟等[7]将混凝土中的孔隙划分为4类，分别是无害孔(≤20,nm)、少害孔(20～100,nm)、有害孔(100～200,nm)和多害孔(≥200,nm)．压汞法(mercury intrusion porosimeter，MIP)是研究孔结构的有效方法，分为低压测孔和高压测孔2种，低压测孔压力为0.15,MPa；可测孔径为5,nm～750,μm；而高压测孔压力达到300,MPa以上，可测孔径为3,nm～11,μm[8]．高压测孔是目前使用较多而有效的研究孔级配的方法．压汞测孔的原理是：汞和固体之间的接触角大于90°，必须在一定外力压力作用下才能使汞进入多孔固体中的微小孔内．因此，某一测孔压力与孔径以及大于等于该孔径的孔隙中汞的体积三者之间存在一一对应关系．只要知道测孔压力，就可以求出该压力下汞进入的最小孔的孔径以及该等级孔隙的体积．本文采用高压测孔方法研究了橡胶集料对水泥砂浆孔径分布和孔隙率的影响，分析了橡胶集料的引气作用．

1 试验方法与试验材料

采用天津科威橡胶厂生产的橡胶细集料，表观密度为1,050,kg/m3．80%以上的粒径在1～2,mm之间，最大粒径不超过2.5,mm，见图1，其他技术指标如表1所示．水泥为天津水泥厂生产的骆驼牌P·O42.5普通硅酸盐水泥．试验用砂为连续级配的河沙，细度模数为2.55.

图1 橡胶集料的形貌Fig.1 Outlook of crumb rubber

表1 橡胶集料的组成(质量分数)Tab.1 Chemical ingredients of crumb rubber(mass fraction)

样品制备过程中有2个重点，第一是终止样品混凝土中进行的水化反应；第二是除去样品中的可蒸发水．通常做法是将规定龄期的样品置入加入酒精的广口瓶中来终止水化，然后再放入105 ℃烘箱内烘烤6 h以除去样品中的酒精和可挥发水[9-10]．考虑到橡胶的温度依赖性特点，不宜在温度较高的烘箱内长时间烘烤．本试验采用了一年前预留封存好的试件制备样品，样品龄期为365 d，水化反应基本完成，不存在可自由挥发的水分．试验前将试件用尖铁锤敲击成3～5,mm颗粒状，经短暂干燥处理(＜40,℃，3 h)，密封，编号后进行试验．

本试验在北京市理化分析测试中心进行，所用压汞仪型号为PoreMasterGT60．该仪器测孔范围为3.6,nm≤D≤1×106,nm，最大压力可达到400,MPa，可进行连续和步进加压．共进行了4组试验，橡胶集料的掺量水平分别为0、5%、10%、15%．配合比中，固定水、水泥和砂的质量比为1∶2∶4.材料详细用量及力学性能见表2.

表2 样品配合比与力学性能Tab.2 Mixes and mechanical properties of the samples

2 试验结果与分析

2.1 孔径分布

图2 样品A、B、C和D的孔径分布Fig.2 Pore size distributions of Sample A，B，C and D

通过高压测孔得到样品A～D的孔径分布曲线，如图2所示．孔径分布的统计数据和各试验参数统计值分别列于表3和表4中．根据广义胡克定律，泊松比为0.5的材料为不可压缩材料．橡胶的泊松比在0.470～0.499之间，几乎为不可压缩材料，以下分析中视其为不可压缩材料．

表3 各样品孔径分布统计值Tab.3 Statistics of pore size distribution in samples

表4 各统计参数的试验结果Tab.4 Experimental results of statistic parameters

样品A～D的孔径分布及孔径统计表明，橡胶集料对水泥砂浆孔结构的影响并不遵循十分严格的变化规律．但统观全部试验结果后可以发现，掺入橡胶集料后水泥砂浆所表现出的整体变化规律有以下3条．

(1) 最可几孔径的总体趋势向大孔方向移动．样品A的最可几孔径为93 nm；文献[7]中给出水灰比在0.35～0.65之间的水泥石的最可几孔径在4.5～210,nm范围内；文献[11]测得的普通混凝土的最可几孔径在72,nm左右．然而需要指出的是根据本文测试结果，最可几孔径并没有严格随着橡胶集料掺量的增加而增大(如样品C)，这可能与压汞试验中样品的选择具有较大离散性有关．平均孔径和中值孔径也具有同样的变化趋势．

(2) 孔径分布更趋于均匀．孔径分布曲线表明未掺加橡胶集料样品的孔径分布曲线比较“削瘦”；而掺入橡胶集料样品的孔径分布曲线比较“宽大”．从孔径分布统计表可以看出，掺加橡胶集料的砂浆10,nm以下的微孔略有降低，而1,000,nm以上的毛细孔有所增加．

(3) 比孔容随橡胶集料掺量的增加而增大，而比表面积所表现出的规律则不很明显．

2.2 橡胶集料的引气作用分析

由表5可知，砂浆的孔隙率随着橡胶集料掺量的增加而增大．基准砂浆的孔隙率为5.28%，而橡胶集料掺量为15%砂浆的孔隙率高达12.5%，是前者的2.37倍．与该数据相吻合的是Turatsinze等[12]对掺加橡胶集料的自密实混凝土含气量的测试结果，如表6所示．表6中，不同配合比的橡胶集料含量用其体积与普通骨料体积的比值表示，如SCC10R表示橡胶集料掺量为普通骨料体积10%的配合比；括号中数值为某一配合比含气量与基准配合比含气量的比值．橡胶集料掺量为152.1,kg/m3的混凝土(橡胶集料掺量与本文试验中D组相当)的含气量是基准混凝土的2.32倍．即相同橡胶集料掺量下，孔隙率与含气量增大的幅度十分接近．含气量的增大可能是导致硬化后的混凝土或砂浆孔隙率增大的主要原因．

Reda Taha等[13]认为，含气量的增加是因为橡胶集料表面粗糙，在拌合过程中夹带了大量空气．文献[5]也指出，橡胶集料对混凝土的强度和抗冻性的影响效果与引气剂相当．Turatsinze等[12]的研究证实了橡胶的憎水性有助于增加含气量．

表5 掺橡胶集料的水泥砂浆的孔隙率Tab.5 Porosity of mortar incorporating crumb rubber

表6 掺橡胶集料的混凝土的含气量Tab.6 Air content of concrete incorporating crumb rubber

由表5和表6可以看出，随着橡胶集料掺量的增大，混凝土的含气量以及砂浆的孔隙率均增大．下面根据压汞试验测得的水泥砂浆的孔隙率，采用引气系数r表征橡胶集料的引气作用．

设基准砂浆的孔隙率为p0(橡胶集料掺量为0)；橡胶集料的体积掺量百分比为R；相应砂浆的孔隙率为p(R)，则橡胶集料的引气系数r(R)可表示为

根据式(1)计算出橡胶集料的引气系数，见表7．表7数据表明，橡胶集料的引气作用随其掺量的增大而增强．以B、D为例，当体积掺量为5%时，孔隙的增量仅占橡胶集料体积的19.4%；而当体积掺量为15%时，孔隙的增量已占橡胶集料体积的48.1%．

表7 橡胶集料的引气系数Tab.7 Air-entraining coefficient of crumb rubber

3 结 语

掺加橡胶集料后，水泥砂浆的最可几孔径、平均孔径、中值孔径以及孔隙率均增大，但孔径分布更趋于均匀．橡胶集料具有明显的引气作用，通过引气系数表征了橡胶集料对孔隙率的影响，橡胶集料的引气作用随其掺量的增加而增强．这一试验结论为进一步研究橡胶集料砂浆或橡胶集料混凝土的耐久性能和宏观力学性能提供参考．

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Effect of Crumb Rubber on Pore Structure of Cement Mortar

YANG Lin-hu1，ZHU Han1,2，ZHANG Ya-mei3
(1. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Tianjin Key Laboratory of Civil Engineering Structure & New Materials，Tianjin University，Tianjin 300072，China；3. Department of Materials Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China)

In this paper，mercury intrusion porosimeter(MIP)was used to test pore size distribution and porosity of the mortar incorporating crumb rubber. The effect of crumb rubber on pore structure of mortar was investigated. The air-entraining ability of crumb rubber was analyzed based on the relationship between crumb rubber content and porosity and air content. The test results show that mode pore diameter，mean pore diameter，median pore diameter and porosity of the mortar increase after crumb rubber is incorporated，but the distribution of pore size reveals a uniform distribution tendency. The air-entraining ability of crumb rubber is enhanced as its content increases.

mortar；crumb rubber；pore structure；pore size distribution；porosity

TU528.041

A

0493-2137(2011)12-1083-05

2010-09-13；

2011-01-23.

国家自然科学基金资助项目(50878142)．

杨林虎（1981— ），男，博士研究生，yanglinhu1021@yahoo.com.cn．

朱 涵，hanzhuaz@yahoo.com.cn.