橡胶颗粒表面处理方式对橡胶砼力学性能的影响

李亮亮，张韬宇，姚佳良

（长沙理工大学交通运输工程学院，湖南　长沙　410004）

橡胶颗粒表面处理方式对橡胶砼力学性能的影响

李亮亮，张韬宇，姚佳良

（长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙410004）

现代工业带来了大量废旧橡胶，很多专家提出将废旧橡胶掺入水泥砼中改进其性质。为了获得更优的使用性能，文中通过砼抗压强度、抗折强度、劈裂强度等力学性能试验，比较分析了在一定橡胶颗粒粒径和掺量范围下，已有不同橡胶颗粒表面处理方式对砼力学性能的影响。

公路；橡胶砼；力学性能；橡胶颗粒表面处理方式

随着中国工业的发展，废旧橡胶尤其是废旧轮胎的处理成为十分棘手的环保问题。鉴于水泥砼路面的刚度较大，易出现裂缝、断板、唧泥、错台等病害，而橡胶粉颗粒具有良好的韧性、抗疲劳、保温隔热等特点，国内外专家学者提出把废旧橡胶制成一定粒径的胶粒或胶粉以等体积代替部分集料的方式按不同比例掺加到普通砼中形成一种新型复合材料。橡胶粉的掺入能填充空隙，约束微裂缝产生和发展，形成吸收应变能的结构，提高砼的抗冲击性和抗震性。刘锋等研究指出掺加橡胶后，砼的强度有一定程度下降且随着橡胶掺量的增加，橡胶砼的抗压强度呈降低趋势，同时建立有限元模型进行细观数值分析，指出增强橡胶颗粒与砼基体界面粘结强度是提高橡胶砼强度的有效措施。

废旧橡胶特别是轮胎、胶鞋类制品，由于长期与地面接触，夹杂着很多泥沙、灰尘等杂质，若回收后粉碎至一定粒径不经过任何表面处理就掺入砼中，会因为杂质的存在而影响橡胶和水泥砂浆之间的粘结强度进而影响水泥砼强度。因此，研究废旧橡胶的表面处理方式成为提高橡胶砼强度的一种途径。曹宏亮等利用电镜辅以抗压强度、劈裂强度试验，研究了橡胶颗粒经过水洗、NaCl溶液和MgSO4溶液处理后的表面，证明这些表面处理方式能在一定程度上改善橡胶砼强度。橡胶砼颗粒表面处理方式主要包括水洗、NaOH、偶联剂处理等。目前，大多数研究仅针对不同颗粒表面处理方式对于抗压强度的影响及不同掺量橡胶颗粒掺入砼后对其力学性能的影响。该文在一定橡胶颗粒粒径和掺量范围下进行水泥砼力学性能试验，比较分析不同橡胶颗粒表面处理方式对橡胶砼力学性能的影响，以找出更加经济、有效的处理方式。

1　原材料和试验方法

1.1原材料及砼配合比设计

采用海南省天源化工有限公司的橡胶颗粒，粒径分为粗、中、细3种，粒径分别为20～40（胶粒A）、10～18（胶粒B）、5～8目（胶粒C），橡胶颗粒的性能指标见表1。查阅相关资料，考虑到橡胶颗粒掺量过高会使橡胶砼的强度下降过多，失去其改性意义，选择橡胶颗粒掺量为10％，采用等体积代替石屑的方式。

表1　橡胶颗粒的技术指标

水泥选用海南昌江鸿启实业有限公司生产的海南椰树牌32.5#复合硅酸盐水泥。粗集料选用石灰岩碎石，分为4.75～9.50、9.50～19.00 mm两个粒级，其技术性能指标见表2，筛分结果见表3。细集料采用河砂，等级为Ⅱ级，细度模数为2.88，含泥量为1.8％，表观密度为2 680 kg/m3，堆积密度为1 490 kg/m3，空隙率为44.8％，吸水率为1.6％，其筛分结果见表4。外加剂采用由迈地砼外加剂有限公司生产的减水剂，减水效率15％，其中减水剂的质量为水泥的0.7％。

橡胶颗粒表面处理方式主要有3种，即硅烷偶联剂、NaOH溶液和水洗。硅烷偶联剂由佛山市矽美有机硅材料有限公司生产，其用量约为橡胶颗粒用量的1.3％。偶联剂的处理法：将待处理的橡胶颗粒放入盆中，利用滴管将所需量的偶联剂滴入其中进行充分搅拌，直至全部润湿为止，然后把处理后的橡胶颗粒晾干。查阅相关文献，NaOH溶液最佳浓度约为1％，处理方式：按NaOH溶液与橡胶颗粒质量4∶1的比例进行处理，将处理后的橡胶颗粒晾干再掺入砼试件。水泥砼的配合比为水∶水泥∶砂∶碎石∶石屑=1∶1.13∶2.9∶0.23∶0.23。

表2　粗集料的主要技术性能指标

表3　粗集料的筛分结果

1.2试验方法

选取抗压强度、抗折强度、劈裂强度指标研究不同橡胶颗粒表面处理方式对砼性能的影响。

（1）立方体抗压强度试验。采用150 mm×150 mm×150 mm标准试件，通过机械搅拌和机械振捣压实制作，试件成型后放入标准养护箱中静置24 h后脱模，养护温度为（20±5）℃，相对湿度90％以上，并采用室内雾化加湿。采用GB/T 50081-2002《普通混凝凝土力学性能试验方法标准》中的立方体抗压试验方法，试件成型28 d后进行试验，试验仪器为MTS810万能试验机，加载速度为0.3～ 0.5 MPa/s。

（2）棱柱体抗折强度试验。采用100 mm×100 mm×400 mm非标准试件，试件制作与养护方法同立方体抗压强度试验。采用GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》中的棱柱体抗折试验方法，试件成型28 d后进行试验，试验仪为MTS810万能试验机。

（3）立方体劈裂抗拉强度试验。采用150 mm ×150 mm×150 mm标准试件，试件制作与养护方法同立方体抗压强度试验。采用GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》中的劈裂抗拉试验方法，试件成型28 d后进行试验。

各强度试验均设置3个试件，共设置108个试件。试验组分见表5。

表5　试验组分情况

2　试验结果

按上述方法对试件进行抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度试验，试验结果见表6。

同一粒径情况下，不同表面处理方式对橡胶砼力学性能的影响见图1～3，不同处理方式及不同粒径橡胶颗粒对砼力学性能的影响见图4～7。

3　结论

由图1可得：橡胶粒径为细，偶联剂处理对抗压强度的提升最为明显，水洗法次之。抗折强度和劈裂强度的结果也近似，数值差别不大。

表6　橡胶颗粒水泥砼力学性能指标值MPa

图1　胶粒A不同处理方式对砼力学性能的影响（单位：MPa）

图2　胶粒B不同处理方式对砼力学性能的影响（单位：MPa）

图3　胶粒C不同处理方式对砼力学性能的影响（单位：MPa）

图4　未表面处理对不同粒径橡胶颗粒砼力学性能的影响（单位：MPa）

图5　水洗法处理对不同粒径橡胶颗粒砼力学性能的影响（单位：MPa）

图6　NaOH溶液处理对不同粒径橡胶颗粒砼力学性能的影响（单位：MPa）

图7　偶联剂处理对不同粒径橡胶颗粒砼力学性能的影响（单位：MPa）

由图2可得：橡胶粒径为中，1％NaOH溶液处理后抗压强度最大，劈裂强度和抗折强度的规律也近似，同样差别不太大。

由图3可得：橡胶粒径为粗，1％NaOH溶液处理后抗压强度最大，偶联剂处理后反而会比未处理的降低，推测可能原因是同等体积分数的粗橡胶粒径的比表面积更小，同样浓度的偶联剂会有剩余，从而使砼的强度有一定下降。

由图4可得：未经过处理的橡胶砼的粒径越大，各种力学性能指标都有提升。

由图5、图6可得：水洗和1％NaOH溶液处理，对于中颗粒的抗压强度提升效果最好，对于粗颗粒的抗劈裂强度提升最好。

由图7可得：粒径越大，经偶联剂处理后抗压强度和劈裂强度都越低，抗折强度反而越大。

综合考虑橡胶的物理破碎方法和颗粒表面处理方法、经济性等原则，建议将废旧橡胶破碎至平均粒径为3.35 mm，将1％NaOH溶液与橡胶颗粒按质量4∶1的比例进行处理，将处理后的橡胶颗粒晾干再掺入砼试件中。

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U416.2

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2015-04-09