真空热处理对橡胶砂浆强度影响

张海波，丁雪晨，徐自立，王军军，张仪华，秦文轩，管学茂

(河南理工大学材料科学与工程学院，焦作　454000)



真空热处理对橡胶砂浆强度影响

张海波，丁雪晨，徐自立，王军军，张仪华，秦文轩，管学茂

(河南理工大学材料科学与工程学院，焦作454000)

目前，提高橡胶混凝土力学性能的措施主要是对橡胶颗粒进行表面改性。在本研究中，通过真空热处理(vacuum heat-treatment，VHT)的方法来提高橡胶砂浆的力学性能。结果表明：经过真空热处理后，橡胶砂浆的抗折、抗压强度提高。掺入用NaOH溶液预处理后的橡胶颗粒，砂浆强度提高更加显著。这是由于橡胶颗粒在一定温度下会部分分解，而分解产物改善了橡胶颗粒与水泥之间的粘结。NaOH对橡胶颗粒的热分解起到催化作用。橡胶颗粒越小，越容易分解。

橡胶砂浆； 真空热处理； 抗折强度； 抗压强度； 分解

1　引　言

目前，将废旧轮胎加工成橡胶颗粒掺入到水泥混凝土或其他建筑制品中，是对废旧轮胎回收利用的一条有效途径。近十年来，许多学者重点研究了橡胶混凝土的各种性能，研究结果表明：与普通混凝土相比，橡胶混凝土的单位质量较轻[1,2]，弹性模量较小[3,4]，韧性较高[5,6]，耐火性能[7]、耐热性[8]较好，冻融性能明显提高；而抗折、抗压强度却显著降低。这主要是由于：(1)橡胶颗粒与水泥之间的弹性模量差距很大，容易导致应力集中；(2)橡胶颗粒与水泥浆体之间缺乏有效的粘结。

而通过对橡胶颗粒表面进行改性，可以有效地提高橡胶颗粒与水泥浆体之间的结合。这点许多学者都已验证。Eldin等[9]用碱性溶液(NaOH)浸泡和冲洗橡胶粉表面，处理后的橡胶混凝土抗压强度与未处理相比提高了16%；Rostami[10]则使用四氯化碳以及水和乳液混合物来清洗橡胶颗粒，抗压强度与未处理相比都有所提高；管学茂等[11]使用了Si-69偶联剂来对橡胶粉进行改性，橡胶砂浆的抗折抗压强度达到了空白试样的91.5%、99.8%。但在Albano等[12]的研究中，掺入经NaOH溶液改性后的橡胶颗粒后，混凝土的力学性能并没有显著提高。

研究表明橡胶在一定温度下会产生分解，而分解产物与水泥浆体之间的粘结良好[13]。因此,本研究采用真空热处理方法来加强橡胶颗粒与水泥浆体的结合，研究了其对水泥砂浆强度性能影响。

2　试　验

2.1试验原料

本试验所用原材料为细集料、水泥和橡胶颗粒。细集料为天然砂，最大粒径4.75 mm，细度模数2.7；水泥为42.5级普通硅酸盐水泥；试验采用两种不同粒径的橡胶颗粒，5目橡胶颗粒的粒径在3～5 mm之间，100目橡胶颗粒的粒径小于0.2 mm，由载重卡车废旧轮胎胎面胶破碎而得。两种橡胶颗粒表面处理参照文献[11]所述方法，使用饱和的NaOH溶液浸泡24 h，过滤烘干。

2.2配合比

橡胶颗粒以不同粒径、不同掺量等体积取代砂子，具体配合比见表1。编号中M表示砂浆；R表示橡胶；TR表示掺入的橡胶颗粒经过NaOH溶液表面改性。例如：MR5-2表示5目橡胶颗粒以2%的体积率等体积取代砂掺入砂浆中；而MTR100-10表示经NaOH溶液表面处理过的100目橡胶颗粒以10%的体积率等体积取代砂掺入砂浆中。水灰比固定为0.5。

表1普通砂浆和橡胶砂浆配合比

Tab.1Mixture proportions for control mortar and rubberized mortar

MortarmixCement(g)Sand(g)Water(g)Untreated/treatedrubber(g)MR01350±24050±5675±10MR100-2MTR100-21350±23969±5675±118±1MR100-5MTR100-51350±23848±5675±145±1MR100-10MTR100-101350±23645±5675±190±1MR100-20MTR100-201350±23240±5675±1180±1MR5-21350±23969±5675±133±1MR5-51350±23848±5675±182±1MR5-101350±23645±5675±1165±1MR5-201350±23240±5675±1330±1

2.3试样的制备

将砂子、水泥、橡胶骨料按表1所示的配合比在砂浆搅拌机中先干拌60 s，再加入水，搅拌120 s。将拌合物在40 mm×40 mm×160 mm的钢模中成形，放入标准养护室中养护1 d后脱模，继续在标准养护室中养护至28 d，取出进行下一步试验。

2.4VHT处理

将养护至28 d的试样取出后，对照表2，一部分直接进行抗折、抗压试验；另一部分在真空中加热至250 ℃并保温6 h或者加热至280 ℃并保温3 h。取出试样后冷却至室温。

2.5砂浆强度测试

参照GB/T 17671-1999方法进行抗折抗压强度测试和数据处理。

3　结果与讨论

3.1抗折强度

抗折强度试验结果如图1、图2所示。可以看出，掺入橡胶颗粒后，砂浆的强度降低，这与其他学者的研究结果相同。经VHT处理过的试样的抗折强度大于未经VHT处理的试样；经VHT处理的普通砂浆的抗折强度较未处理的在250 ℃和280 ℃下分别增长了6.25%和4.15%；经VHT处理过后，橡胶砂浆的抗折强度增长幅度大于普通砂浆。

表2普通砂浆和橡胶砂浆的VHT处理

Tab.2VHT programs for control mortar mix and rubberized mortar mixes

MortarmixHighesttreatingtemperature(℃)Holdingtime(h)MortarmixHighesttreatingtemperature(℃)Holdingtime(h)MR02506MR02803MR100-22506MR100-22803MR100-52506MR100-52803MR100-102506MR100-102803MR100-202506MR100-202803MTR100-22506MR5-22803MTR100-52506MR5-52803MTR100-102506MR5-102803MTR100-202506MR5-202803

图1所示结果表明， NaOH溶液表面改性对橡胶砂浆抗折强度的改善并不明显。经热处理后，经NaOH表面改性的橡胶砂浆与未改性橡胶砂浆相比抗折强度提高，橡胶掺量越大，这种趋势越显著。MR100-2、MR100-5、MR100-10和MR100-20在经VHT处理后，与未经VHT处理的抗折强度分别提高13.64%、20.63%、6.43%和3.37%。而经NaOH表面改性处理后，MTR100-2、MTR100-5、MTR100-10和MTR100-20在经VHT处理后，较未经VHT处理的抗折强度分别提高21.13%、8.50%、7.82%和19.90%。

图2所示为橡胶颗粒粒径对砂浆抗折强度的影响。掺有5目橡胶颗粒试样的抗折强度较掺有100目的抗折强度高。经280 ℃VHT处理后，得出的结论却相反。经VHT处理后，MR100-2、MR100-5、MR100-10和MR100-20与未经VHT处理的试样相比，抗折强度分别提高14.24%、18.72%、17.86%和21.35%。而MR5-2、MR5-5、MR5-10和MR5-20抗折强度分别提高11.11%、0.93%、8.33%和3.55%。

图1　250 ℃VHT处理前后的改性和未改性100目橡胶砂浆的抗折强度试验结果折线图Fig.1　The flexural strength of modified/unmodified 100 mesh rubber mortar mixes before/after heat treatment at 250 ℃

图2　掺有5目和100目橡胶砂浆在经过280 ℃VHT处理前后的抗折强度试验结果折线图Fig.2　The flexural strength of 100 mesh and 5 mesh rubber mortar specimens before/after heat treatment at 280 ℃

3.2抗压强度

图3、图4所示为试样的抗压强度试验结果，得出与之前其他研究试验结果相同的结论。橡胶颗粒等体积取代砂掺入砂浆中，试样的抗压强度降低。而经VHT处理后，可以有效的提高橡胶砂浆的抗压强度。

如图3所示，经VHT处理后，MR0，MR100-2、MR100-5、MR100-10和MR100-20与未经VHT处理的试样相比，抗压强度分别增加了5.21%、31.89%、13.92%、7.68%和7.89%。而掺入经NaOH处理过的橡胶颗粒，MTR100-2、MTR100-5、MTR100-10和MTR100-20在经VHT处理后，抗压强度分别增长了30.05%、15.07%、21.08%和17.49%。由此，橡胶颗粒的表面改性对VHT处理后的试样的抗压强度的增长起到了促进作用。

在图4中，经VHT处理后，掺入100目橡胶颗粒试样的抗压强度大于掺入5目橡胶颗粒的试样。280 ℃下恒温3 h，MR100-2、MR100-5、MR100-10和MR100-20与未经VHT处理的试样相比，抗压强度分别增大了5.21%、32.15%、13.90%和27.10%。而相同条件下，MR5-2、MR5-5、MR5-10和MR5-20与未经VHT处理的试样相比，抗压强度分别增大了12.46%、3.62%、7.03%和3.47%。

图3　250 ℃VHT处理前后的改性和未改性100目橡胶砂浆的抗压强度试验结果折线图Fig.3　Compressive strength of modified/unmodified 100 mesh rubber mortar specimens before/after heat treatment at 250 ℃

图4　掺有5目和100目橡胶砂浆在经过280 ℃VHT处理前后的抗压强度试验结果折线图Fig.4　Compressive strength of 100 mesh and 5 mesh rubber mortar specimens before/after heat treatment at 280 ℃

3.3结果分析

经过真空热处理后的橡胶砂浆强度的影响因素主要有两个。首先，由图1～4中普通砂浆对照组可以看出，在真空250 ℃或280 ℃处理下，砂浆基体强度普遍较未处理的大；第二，橡胶骨料在热作用下会有所膨胀，同时有部分降解，降解的橡胶具有一定的粘性[13]，这使橡胶水泥基体界面孔隙减小，界面结合得到加强，橡胶砂浆抗压抗折强度明显提高。橡胶水泥基体界面热处理前后的SEM观测结果(图5)证明了以上分析。热处理的方法改善橡胶水泥基体界面，为充分利用橡胶混凝土优良性能，同时不强烈降低混凝土强度提供了一种新的途径，可以在水泥混凝土制品制备方面进行应用。

图5　橡胶硬化水泥浆体界面的扫描电镜照片(a)R.T; (b) 250 ℃Fig.5　SEM images of rubber-hardened cement paste interface (a)R.T; (b) 250 ℃

掺入经NaOH溶液表面改性的橡胶颗粒的试样，经VHT(250 ℃下恒温6 h)处理后，强度大于掺入未处理的橡胶颗粒试样的。这是由于NaOH对砂浆中橡胶颗粒的受热分解起到促进作用。

而掺入5目橡胶颗粒的橡胶砂浆的强度大于掺入100目橡胶颗粒的。橡胶含量越大，这种趋势越显著。但在280 ℃下恒温3 h后，得到的结果却相反。造成此现象的原因可能是：100目橡胶颗粒的比表面积大于5目橡胶颗粒的。当掺入砂浆中，100目橡胶颗粒会与水泥浆体之间形成较大的弱界面区。经VHT处理后，与5目橡胶颗粒相比，100目橡胶颗粒更容易受热分解，使得100目橡胶颗粒比5目的与水泥表面的粘结更强。

4　结　论

(1)经真空热处理后，掺量相同的橡胶砂浆的抗折、抗压强度大于未经真空热处理的。掺入经NaOH溶液表面改性的橡胶颗粒的橡胶砂浆的抗折、抗压强度大于掺入未经NaOH溶液表面改性的橡胶颗粒的橡胶砂浆的；

(2)与掺入100目橡胶颗粒相比，掺入5目橡胶颗粒的橡胶砂浆的力学性能较好。但在经过真空处理后，得到的结果却相反。

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Effect of Vacuum Heat-treatment on the Strength of Rubberized Mortar

ZHANGHai-bo,DINGXue-chen,XUZi-li,WANGJun-jun,ZHANGYi-hua,QINWen-xuan,GUANXue-mao

(College of Materials Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China)

The previous methods of improving the strength of rubberized concrete are surface modifications of the rubber particles. In this paper, the vacuum heat-treatment (VHT) method is used to improve the strength of rubberized mortar. The obtained results show that the VHT can raise the flexural and compressive strength of rubberized mortars. The rising are more obvious on the rubberized mortars incorportiating pretreated rubber particles with NaOH or smaller size rubber particles. The reasons may be that the rubber will partially decompose at heat-treatment temperature and the decomposition products can enhance the adhesion between rubber and cement, the NaOH can catalyze the decomposition of rubber, and the smaller rubber particle is easier to decompose.

rubberized mortar;vacuum heat-treatment;flexural strength;compressive strength;decomposition

国家自然基金(U1204513)

张海波(1974-)，男，博士，副教授.主要从事废旧物在水泥混凝土中应用的相关研究

管学茂，教授，博导.

TU528

A

1001-1625(2016)05-1637-05