表面改性橡胶水泥砂浆的力学性能试验研究

纪 麟，张 恒，于美明

(吉林省水利水电勘测设计研究院， 吉林 长春 130021)

表面改性橡胶水泥砂浆的力学性能试验研究

纪 麟，张 恒，于美明

(吉林省水利水电勘测设计研究院， 吉林 长春 130021)

分别采用水、EP乳液、聚氨酯乳液、NPU乳液4种材料对橡胶表面进行特殊处理，研究其对橡胶水泥砂浆力学性能的影响。结果显示4种材料的处理方法均不同程度的提升了橡胶水泥砂浆的抗压强度，其中EP乳液改性效果最优，抗压强度较基准橡胶砂浆提高了15.745%；改性后的橡胶水泥砂浆的劈拉强度与未改性的橡胶水泥砂浆相比无明显降低；未处理和处理后的橡胶水泥砂浆，其拉压比均比基准普通水泥砂浆较大，其韧性有所提高。2000倍的电镜观测表明，改性后的橡胶颗粒表面能够提高水泥基体与橡胶颗粒的界面黏结强度，从微观上阐明了改性橡胶砂浆强度提高的机理。

橡胶砂浆；改性；抗压强度；劈裂抗拉强度；拉压比；电镜观测

随着我国经济的飞速发展，废弃橡胶制品日益逐渐增多，目前我国消耗橡胶量仅次于美国，位居世界第二。橡胶具有“不溶、不熔”的特点，因而废弃橡胶的大量堆积不仅产生环境问题，而且会带来严重污染。高效清洁开发废弃橡胶已成为学者争相研究的课题[1]。自20世纪80年代开始，国内外学者和研究人员开始将废旧的轮胎橡胶颗粒(粉)掺加到普通混凝土中制成一种新型的建筑材料橡胶混凝土。将橡胶颗粒(粉)掺加到普通混凝土中不但可以提高混凝土的韧性，抗冲击性，而且使其抗收缩性能和抗冻性能得以改善[2-5]。但是由于橡胶和混凝土在亲水性方面存在较大差异，界面结合效果差，导致混凝土强度，尤其是抗压强度显著下降，从而制约了废旧橡胶的实际应用成果[6]。因此改性橡胶表面使混凝土的抗压强度和劈裂强度提高成为了研究热点。

橡胶混凝土中橡胶颗粒(粉)的黏结问题是橡胶颗粒与水泥石的黏结问题，因此，为排除石子的影响，本实验拟采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm水泥砂浆试件取代混凝土试件。同时由于联接耦合剂的作用与橡胶粒径和掺量影响关系较小，因此橡胶混凝土选取一种橡胶粒径和一种橡胶掺量，即橡胶粒径为1 mm～3 mm，掺量为4%，分别采用清水、聚氨酯乳液、NPU乳液、EP乳液等联接耦合剂改性处理橡胶颗粒(粉)。对不同的联接耦合剂处理改性橡胶颗粒(粉)的方式进行比较分析，研究各种联接耦合剂处理橡胶颗粒(粉)后对水泥砂浆的抗压和劈拉力学性能的影响。通过分析和对比电镜观察结果，研究改性前和改性后的橡胶粉和水泥结合效果，进而得出其改性的原理和机制。

1 试验设计

1.1 原材料

(1) 水：城市用水。

(2) 水泥：复合硅酸盐水泥P·C42.5(长春)。

(3) 砂：河沙，细度模数2.70，最大粒径5 mm，连续级配，表观密度2 506 kg/m3。

(4) 橡胶颗粒：1 mm～3 mm，密度1 119 kg/m3，由长春市某橡胶厂生产。

1.2 改性橡胶的制备

1.2.1 水处理橡胶的制备

用水浸泡橡胶颗粒，清洗橡胶4遍，主要目的为去除表面污物后放入烘干箱烘干。

1.2.2 EP乳液处理橡胶的制备

取EP乳液橡胶质量的45%湿润橡胶，将橡胶放置阴凉处自然晾晒18 h充分浸透后，放入烘箱在80℃下烘3 h，烘干后拿出晾晒至室温。

1.2.3 聚氨酯乳液处理橡胶的制备

取聚氨酯乳液橡胶质量的45%湿润橡胶，阴凉处自然晾约18 h充分浸透后，放入烘箱在80℃下烘3 h，烘干后拿出晾晒至室温。

1.2.4 NPU乳液处理橡胶的制备

取NPU乳液橡胶质量的45%湿润橡胶，阴凉处自然晾晒约18 h充分浸透后，放入烘箱在80℃下烘3 h，烘干后拿出晾晒至室温。

1.3 试验配合比设计

本实验的橡胶(联接耦合剂处理和未处理)等体积取代细骨料，即水泥砂浆配合比中除细骨料成分改变，其余成分不变。具体的水泥砂浆配合比见表1。

表1 水泥砂浆配合比

1.4 试件制作方法与养护

分别称取砂、水泥、水和橡胶颗粒，水泥倒入搅拌器，打开仪器搅拌，同时倒入水，稍后倒入橡胶颗粒，搅拌30 s，第二个30 s开始的同时均匀地将砂子倒入搅拌器，高速搅拌30 s，再低速搅拌60 s。搅拌完毕后装入砂浆试模，均匀分三层加料，每层均振捣。装料稍高出试模，放振动台上振动60 s，抹平放好。3 h后收面，1 d后拆模。将试件放入标准养护室养护28 d。立方体抗压试验和劈拉试验均采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体。本实验依照不同的偶联剂处理橡胶方式分为6组，每组6块试件，其中3块抗压试验，3块劈拉试验，共计36块。

1.5 试验仪器与试验标准

本实验的试验仪器：抗压试验所使用仪器为万能试验机WE-300；水泥砂浆搅拌所使用仪器为UJZ-15水泥砂浆搅拌机、ZS-15型水泥胶砂振动台。试验以《普通混凝土配合比设计规程》[7](JGJ55—2011)和《水工混凝土试验规程》[8](DL/T5150—2001)为参考依据。

2 试验结果分析

表2 改性前后橡胶水泥砂浆的力学性能影响

说明：基准普通水泥砂浆为SM；基准橡胶水泥砂浆为SRM；水洗处理的橡胶水泥砂浆为SRM-W；EP乳液处理的橡胶水泥砂浆为RM-(EP)；聚氨酯乳液处理的橡胶水泥砂浆为RM-P；NPU乳液处理的橡胶水泥砂浆为RM-NPU。

2.1 立方体抗压强度

基准普通水泥砂浆(SM)的抗压强度为11.363 MPa，而基准橡胶水泥砂浆(SRM)的抗压强度小于SM的抗压强度，其抗压强度为9.530 MPa。主要原因为基准橡胶水泥砂浆掺加了4%的未处理的有机橡胶颗粒，该材料与水泥石这种无机材料间所形成的黏结强度远小于砂与水泥石间的黏结强度，导致水泥砂浆抗压性能减小。

橡胶经改性后，橡胶水泥砂浆的抗压强度得到了显著的改善(见图1、图2)，从图1和图2可知，改性橡胶处理的比未改性处理的抗压强度幅度显著提高。

图1 不同改性橡胶水泥砂浆抗压强度

图2 不同改性橡胶水泥砂浆的变化幅值

4种不同的改性橡胶处理方法相比，EP乳液改性橡胶的水泥砂浆抗压强度幅度提高最大，其次依次为NPU乳液处理、水处理、聚氨酯乳液处理。

经EP乳液改性橡胶处理的水泥砂浆抗压强度比基准橡胶水泥砂浆(SRM)的抗压强度提高了15.745%；经NPU乳液处理的橡胶以4%等体积取代细骨料的掺量掺入水泥砂浆中，其抗压强度比基准橡胶水泥砂浆(SRM)的抗压强度提高8.467%；经水处理的橡胶水泥砂浆抗压强度与基准橡胶水泥砂浆(SRM)相比，提高了7.838%；经聚氨酯乳液处理的橡胶水泥砂浆抗压强度也提高了6.508%。

此外，无论橡胶是否经处理，掺加橡胶后的水泥砂浆的抗压强度比基准普通水泥砂浆的都降低，这主要是由于橡胶本身的原因造成的。经EP乳液改性的橡胶水泥砂浆强度比基准水泥砂浆(SM)的抗压强度降低2.934%；经NPU乳液处理的比基准水泥砂浆(SM)的抗压强度降低了9.038%；经水处理的降低9.566%；经聚氨酯乳液处理的比SM的降低10.681%。

分析图1、图2可知，经EP-1乳液处理的橡胶水泥砂浆抗压强度效果最明显，其余的依次为NPU乳液处理、水处理、聚氨酯乳液处理。

2.2 立方体劈拉强度

基准普通水泥砂浆(SM)的劈拉强度为1.070 MPa(见图3)，而掺入了未经处理的橡胶后劈拉强度稍有减小但减小的幅度不大，其幅度为0.748%(见图4)。

图3 不同改性橡胶水泥砂浆28 d劈拉强度

图4 不同改性橡胶水泥砂浆的变化幅度值

橡胶经改性后，橡胶水泥砂浆的劈拉强度除水处理外，其余的都比未处理的强度低，但是降低幅度不大。从图3和图4可以看出，经水处理的劈拉强度比未处理的和其余处理的劈拉强度高，其改性效果比较明显。

比较4种改性橡胶处理方法，NPU乳液处理改性橡胶的水泥砂浆劈拉强度降低幅度最小，其次依次为EP乳液、聚氨酯乳液。经水处理的比基准橡胶水泥砂浆的劈拉强度提高了。

经NPU乳液处理的橡胶以4%等体积取代细骨料的掺量掺入水泥砂浆中，其劈拉强度比基准橡胶水泥砂浆(SRM)的降低1.224%；经EP乳液改性橡胶处理的水泥砂浆劈拉强度比基准橡胶水泥砂浆(SRM)的降低2.542%；经聚氨酯乳液处理橡胶的水泥砂浆劈拉强度比SRM的降低6.403%。经水处理的橡胶水泥砂浆劈拉强度比基准橡胶水泥砂浆(SRM)提高1.6%。

此外，经水处理后的橡胶水泥砂浆劈拉强度比基准普通水泥砂浆(SM)稍有提高，提高0.841%，可能原因是由于检测误差造成的。其余橡胶处理后的水泥砂浆的劈拉强度比基准普通水泥砂浆均降低，经NPU乳液处理的比基准普通水泥砂浆(SM)的劈拉强度降低1.963%；经EP乳液改性的橡胶水泥砂浆劈拉强度比基准水泥砂浆(SM)的降低3.271%；经聚氨酯乳液处理的比SM的降低7.103%。

2.3 立方体拉压比

如图5所示，基准普通水泥砂浆(SM)的拉压比为0.094，基准橡胶水泥砂浆(RSM)的拉压比比基准普通水泥砂浆有所增大，但是当利用本实验采用处理橡胶后制成的水泥砂浆的拉压比均比RSM降低，RM-(EP)比基准普通水泥砂浆(SM)的拉压比略小，其余三种橡胶水泥砂浆与SM拉压比相比稍有增大。四种处理方法中经水处理的橡胶水泥砂浆拉压比最大，其次依次为RM-NPU、RM-P、RM-(EP)。

图5 不同改性水泥砂浆拉压比

2.4 电镜观测结果分析

根据水泥砂浆的抗压强度和劈拉强度指标，选取不同改性的橡胶颗粒，利用扫描电镜研究改性后橡胶颗粒的表面形貌(见图6)，并分析其改性机理。

图6 不同改性的橡胶表观

由图6可知，在2000倍的SEM图中，橡胶颗粒表面粗糙，凹凸不平，含较多微孔隙。未处理橡胶表面的微孔隙相对较小，不很粗糙，且表面多为杂质覆盖，较大程度的影响了橡胶颗粒与水泥石黏结性能，导致其抗压强度降低。橡胶颗粒经过水洗之后，部分杂质被洗掉，表面相对洁净，微孔隙显著明显，相对于未处理橡颗粒，其与水泥石的黏结强度有所提高。橡胶表面被4种不同聚合乳液均匀覆盖，不同程度上改善了橡胶与水泥间的黏合和表面性能，进一步改变了橡胶水泥砂浆的力学性能。

机理分析：

(1) 一方面由于橡胶的强度远小于细骨料的强度，水泥砂浆中掺加了强度小的成分，因此总体的强度会明显降低的；另一方面由于橡胶为有机相，而水泥浆体为无机相，两者之间的结合面特别弱，内部结构不连续，削弱了水泥砂浆集料的骨架作用。当受到外力作用，水泥砂浆破坏首先发生在界面处，这也导致了其强度降低[6,9-10]。

(2) 本文采用的界面剂是3种不同种类的乳液聚合物，分别为EP乳液、聚氨酯乳液、NPU乳液。水泥在凝结固化过程中，内部会产生许多空隙成为水泥基体最薄弱的界面，分别加入3种不同种类的乳液后，水泥石与聚合乳液形成了双重空间连续网状结构，其相互渗透交接形成更为连续密集的基体结构，从而将橡胶颗粒与水泥基体形成一个整体[11-13]。

(3) EP乳液、聚氨酯乳液、NPU乳液等3种不同种类的乳液中含有大量的表面活性物，其作用就是增强拌合物表面的湿度，浸润橡胶颗粒表面，显著地降低了橡胶颗粒的极性，另一方面乳液还不同程度的降低了橡胶的孔隙率，使聚合物不易穿越橡胶颗粒，而是牢牢的附着于橡胶表面，不仅提高了废弃橡胶的相容性，而且还显著改善了其与水泥间的黏合，较大的改善了橡胶水泥砂浆的力学性能[11,14-16]，有效阻止了微裂缝现象的产生。

3 结 语

(1) 橡胶(未经处理和经处理)水泥砂浆的抗压强度、劈拉强度比基准普通水泥砂浆的较小，但经处理的橡胶水泥砂浆的抗压强度比未处理的橡胶水泥砂浆的有显著的提高。

(2) 经四种改性橡胶方法(水、EP乳液、聚氨酯乳液、NPU乳液)处理后的橡胶水泥砂浆抗压强度明显比基准橡胶水泥砂浆(SRM)的大。经上述分析EP乳液处理橡胶后制成的水泥砂浆的抗压强度增强效果最好，其他的依次为RM-NPU、RM-W、RM-P。

(3) 经四种改性橡胶方法(水、EP乳液、聚氨酯乳液、NPU乳液)处理后的橡胶水泥砂浆的劈拉强度与基准橡胶水泥砂浆相比稍有降低，但降低幅度不大。经上述分析，劈拉强度效果最好的是经水处理的橡胶水泥砂浆，其次依次为NPU乳液、EP乳液、聚氨酯乳液处理的橡胶水泥砂浆。

(4) 经上述分析，无论橡胶未处理或处理，将橡胶掺加到水泥砂浆中，其拉压比比基准橡胶水泥砂浆大，说明掺加了橡胶后，水泥砂浆的韧性提高了。当采用上述四种处理橡胶的方法，其拉压比没有比基准橡胶水泥砂浆的降低太多，仍比基准橡胶水泥砂浆的韧性高。

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Experimental Study on the Mechanical Property of Cement Mortar with Modified Rubber

JI Lin, ZHANG Heng, YU Meiming

(JilinProvincialWaterResourceandHydropowerConsultativeCompanyofP.R,Changchun,Jilin130021,China)

This paper mainly analyzed the mechanical property of rubber cement mortar by adopting different modification methods of adding mixed water, EP emulsion, polyurethane emulsion, NPU emulsion respectively and many others. The result demonstrates that 4 different surface treatments could all enhance compressive strength of rubber cement mortar with EP emulsion having the best effect which has 15.745% increased strength compared with standard rubber cement mortar; while the improved type has no apparent decrease in splitting tensile strength; tensile and compression ratio of non-modified and modified are larger than standard cement mortar, similar situation happens on its toughness. By observing 2000X electron microscope it can be found that improved rubber surface can increase interface bond strength between cement and rubber particles, and expounds the mechanism why improved rubber-sand mud has higher strength at micro level.

rubber cement mortar; modification; the compressive strength; splitting tensile strength; tensile and compression ratio; electron microscope observation

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.038

2017-02-11

2017-03-12

纪 麟(1981—)，男，新疆和静人，高级工程师，主要从事水利水电工程设计工作。 E-mail：839518515@qq.com

TQ177.6+1

A

1672—1144(2017)03—0183—05