胶粉表面改性对LC50高强轻质混凝土力学性能的影响及机理研究*

崔 磊 陈艳华

(山东交通职业学院公路与建筑学院 潍坊 261206)

胶粉表面改性对LC50高强轻质混凝土力学性能的影响及机理研究*

崔 磊 陈艳华

(山东交通职业学院公路与建筑学院 潍坊 261206)

为有效利用废旧橡胶粉，改善LC50高强轻质混凝土的力学性能，利用三种改性剂对橡胶粉进行表面改性，研究改性剂类型、橡胶粉掺量和细度对混凝土强度和弯曲韧性的影响，并利用扫描电镜对其微观机理进行分析.结果表明，改性后橡胶粉表面极性增强，圆润度增加，其中司盘40改性后橡胶粉表面的连续性最好.橡胶粉表面改性使混凝土的抗压强度和弯曲韧性得到明显改善，其中司盘40改性的混凝土力学性能最佳，当橡胶粉掺量为6%，粒度为180 μm时混凝土在具有良好力学性能的同时能有效利用橡胶粉.改性后的橡胶粉加入混凝土中后，混凝土内部的连续性和密实度更优；相比于粒径为380 μm橡胶粉，添加粒度为180 μm橡胶粉后，混凝土内部的孔洞更少.

废旧橡胶粉；高强轻质混凝土；力学性能；微观机理

0 引 言

高强轻质混凝土是用高强轻骨料、细集料、胶凝材料、水及其他外加剂和矿物掺和料按照一定比例混合均匀硬化后形成的一种强度等级在LC40以上的轻质混凝土[1-3].相比于普通混凝土，高强轻质混凝土具有质量轻、强度高、保温性和隔热性能好等优点，因此在海洋工程、桥梁工程及高层建筑中得到了广泛应用[4-6].然而，与普通混凝土相比，轻骨料混凝土存在抗折强度低、脆性大、韧性差和耐疲劳性能差等缺点[7-9]，因此,限制了其进一步应用.相关研究表明，在轻骨料混凝土中添加橡胶粉能够显著改善混凝土的抗折强度和韧性，但会使轻骨料混凝土抗压强度大幅降低.水泥石属于无机材料，而橡胶粉属于有机材料，两者的极性具有很大差异，造成两者粘结性能较差.对橡胶粉进行表面改性，能够极大的提高其表面的极性，使其与水泥石之间具有较高的粘结性能，从而能够提高轻骨料混凝土的抗压强度.基于此，文中以三种改性剂对橡胶粉进行表面改性，对比研究了不同改性剂对LC50高强轻质混凝土力学性能的影响，为促进轻骨料混凝土的大范围推广提供理论参考.

1 原材料

水泥：某公司生产的P·O52.5普通硅酸盐水泥，其相关的性能指标分别见表1.细骨料：潍坊安丘河沙，级配基本符合Ⅱ区要求，细度模数为2.6，堆积密度为1 474 kg/m3.轻骨料：山东淄博产碎石型高强页岩陶粒，粒径选择为5～16 mm连续级配，堆积密度为827.2 kg/m3，筒压强度为7.3 MPa.矿物掺合料：华电潍坊发电有限公司I级粉煤灰.外加剂：某公司生产的聚羧酸高效减水剂，减水率为30%.橡胶粉由某公司生产，粒度分别为380，250，180，150，120 μm，表面不规则且有不规则的蜂窝状孔洞.改性剂分别选用司盘40、十二烷基苯磺酸钠和二氯异氰尿酸钠，其中司盘40可溶于油及有机溶剂，在热水中呈分散状，十二烷基苯磺酸钠为黄色油状体，经纯化可形成六角形片状结晶，二氯异氰尿酸钠为白色粉末状固体，具有较高的氧化性，常作为消毒剂使用.LC50高强轻质混凝土配合比见表2.

表1 水泥的物理性能

表2 LC50高强轻质混凝土配合比

注：预湿时间为24 h.

2 橡胶粉表面改性

称取一定质量不同粒度的橡胶粉，分别将1%(相对橡胶粉的质量比例)的司盘40和十二烷基苯磺酸钠倒入一定质量，温度为60 ℃的水中，并将称好的橡胶粉倒入两组溶液中浸泡1 h，均匀搅拌，过滤后放入烘箱中烘干，得到司盘40和十二烷基苯磺酸钠改性橡胶粉.将二氯异氰尿酸钠和60 ℃水按25∶2 的比例混合，再将称好的橡胶粉倒入溶液中浸泡30 min，并均匀搅拌，过滤后放入烘箱中烘干，得到二氯异氰尿酸钠改性橡胶粉.

2.1 能谱分析

使用EDS(能谱仪)对未改性和改性后的橡胶粉进行能谱分析，并计算橡胶粉表面各化学元素的质量分数和原子比例，结果见表3.

表3 橡胶粉能谱成分 %

由表3可知，经司盘40改性后，橡胶粉表面的氧元素比例增大，而经十二烷基磺酸钠和二氯异氰尿酸钠改性后，橡胶粉表面的钠元素比例增多，这主要是因为氧元素是司盘40的主要成分，而钠元素是十二烷基磺酸钠和二氯异氰尿酸钠的主要成分.三种改性剂使橡胶粉表面元素比例发生变化，表明橡胶粉表面被改性剂包裹，不会因其他原因导致橡胶粉表面改性剂的脱落.橡胶粉表面为非极性，而经改性后表面元素和原子比例发生变化，增加了橡胶粉表面的极性，使其与水的相容性提高.

2.2 扫描电镜分析

利用扫描电镜，得到未改性和三种改性剂改性后的橡胶粉表面放大3 000倍的ESM图像，分析改性前后橡胶粉表面微观形貌的变化，结果见图1.

图1 橡胶粉表面SEM图

由图1可知，未改性的橡胶粉表面较松散，且表面粗糙不平，小毛刺和小凹洞较多，而改性后的橡胶粉表面聚集成团程度较高，表面毛刺圆润，没有棱角，表面更加连续.表明改性后橡胶粉的圆形度增加，孔隙率降低，其中司盘40改性的橡胶粉表面连续程度最高，毛刺和小凹洞最少.

3 橡胶粉对LC50高强轻质混凝土力学性能的影响

3.1 抗压强度

将未改性和改性后不同粒度(380，250，180，150和120 μm)的橡胶粉分别按3%，6%和9%的质量比例外掺至LC50高强轻质混凝土中，成型标准的立方体抗压试件，并养护至一定龄期后测定混凝土抗压强度，分析橡胶粉表面改性对混凝土力学性能的影响，试验结果见表4～表6.其中将未改性、司盘40改性、十二烷基磺酸钠改性和二氯异氰尿酸钠改性橡胶粉对应的试件依次标号为J1，J2，J3和J4.

表4 橡胶粉改性LC50高强轻质混凝土3 d抗压强度

表5 橡胶粉改性LC50高强轻质混凝土7 d抗压强度

表6 橡胶粉改性LC50高强轻质混凝土28 d抗压强度

由表4～6可知，相同条件下各龄期抗压强度都随着橡胶粉粒度的增大呈先增大后减小的变化趋势，当橡胶粉粒度为180 μm时，抗压强度最高.其原因主要为，随着粒度的减小，橡胶粉粒径逐渐减小，表面的圆润度增加，且表面棱角状的纤维逐渐减少，纤维代入到混凝土中多余的水分和含气量逐渐减少，因而使混凝土密实度增加，抗压强度增大.随着粒度的继续减小，橡胶粉表面棱角状的纤维进一步减少，使橡胶粉和水泥基体的摩擦力减小，橡胶粉和水泥基体的界面粘结强度变弱，因此,反而会使抗压强度降低.

除J3组各龄期抗压强度随橡胶粉掺量的增多呈现先增大后减小的变化趋势外，其他各组的抗压强度都随着橡胶粉掺量的增多逐渐降低.相比于水泥基体，橡胶粉的模量较低，无法有效承受荷载作用，且混凝土抵抗外部荷载的有效横截面积随着橡胶粉掺量的增多而减小，因此,导致抗压强度的降低.综合各龄期强度，当橡胶粉掺量由3%增大至6%时，抗压强度降低幅度不大，且能有效的利用废旧橡胶粉，因此推荐合适的橡胶粉掺量为6%.

橡胶粉表面改性会使抗压强度得到提升，且经过司盘40改性后的混凝土强度最高.其原因主要为，橡胶粉属于亲油性非极性物质，而水泥基体属于亲水性极性物质，橡胶粉表面未改性时，其与水泥基体的粘结性较差，荷载作用时粘结界面极易发生破坏，因此抗压强度较低，橡胶粉表面改性使其极性增加，与水泥基体的粘结更牢固，因此使抗压强度提高.司盘40改性后橡胶粉表面更加连续，混凝土中的缺陷越少，荷载作用时越不容易发生破坏，因此经司盘40改性的混凝土强度最高.

与普通混凝土一样，加入橡胶粉后LC50高强轻质混凝土抗压强度随龄期的延长逐渐增大，且前期抗压强度发展较快，后期强度发展较慢.主要是因为水泥基体的水化是从表层开始的，水化初期，水化速率较快，水化产物析出较多，因此,抗压强度增长幅度较大；水化后期水化产物裹覆在水泥颗粒表面，从一定程度上阻止了未水化水泥颗粒的水化，因此后期抗压强度发展较慢.

3.2 应力-应变曲线

为了研究橡胶粉改性对LC50高强轻质混凝土抗弯曲性能的影响，采用四点弯曲试验测定橡胶粉粒度为180 μm，掺量为6%时，未改性和经司盘40改性后混凝土3 d和28 d的应力-应变曲线，试验结果见图2.

图2 橡胶粉改性L50高强轻质混凝土应力-应变曲线

由表2可知，应力应变曲线可分为：缓慢上升段、快速上升段和下降段三个阶段，其中28 d龄期时应力-应变曲线比3 d龄期时更陡.普通混凝土的应力-应变曲线当应力达到峰值时立即发生破坏，而添加橡胶粉后混凝土没有立即发生破坏，应力-应变曲线较平缓的下降，表明橡胶粉使混凝土的弯曲韧性增强.这是因为混凝土中加入橡胶粉后，荷载作用时橡胶粉能吸收一部分应力，增加了混凝土的延性，使混凝土接近峰值破坏时脆性破坏的几率下降.相比未改性的橡胶粉，经司盘40改性后的橡胶粉加入到混凝土中时，应力峰值对应的应变增大，表明橡胶粉表明改性能够增加轻骨料混凝土的弯曲韧性.其原因主要是，司盘改性40改性后，橡胶粉表面极性增加，连续性增强，与水泥基体的粘结更致密，因此混凝土弯曲韧性得到改善.

4 微观机理分析

为了揭示橡胶粉改性对LC50高强轻质混凝土力学性能的改善机理，通过扫描电镜试验，对未改性和三种改性剂改性后的混凝土试件在100倍条件下成像，结果见图3.

图3 未改性和三种改性剂改性后的混凝土试件在100倍条件下微观形貌图(图已缩小)

由图3a)～b)可知，7 d龄期的混凝土，水泥与骨料的粘结较差，能看到细微的交界口和未完全粘结的裂缝，表明7 d龄期的混凝土水泥还没有完全水化，而28 d龄期的水泥与骨料的粘结较充分，水化产物完全包裹在水泥颗粒表面，形成较厚的水化膜，使混凝土内部的孔洞减少，结构的致密性明显增强.

由图3c)～d)可知，添加粒度为380 μm的橡胶粉后，混凝土内部孔洞较多，致密性较差，而添加粒度为180 μm橡胶粉后，混凝土内部孔洞减少，致密性增加，这主要是因为粒度为380 μm橡胶粉相对粒度为180 μm橡胶粉表面有较多楞刺状的纤维，加入混凝土时代入较多的气泡，因此降低了混凝土的密实性，使混凝土力学性能变差.

由图3b)和图3d)～f)可知，未改性的橡胶粉加入到混凝土中时，混凝土内部的连续性较差，有较多的褶皱状物质，且有较小的孔洞和微裂缝，而将改性后的橡胶粉加入到混凝土中时，混凝土内部的连续性明显增强，水化产物对橡胶粉和骨料的包裹更加充分，混凝土密实性增强，因此使力学性能得到较大改善.

5 结 论

1) 经司盘40改性后，橡胶粉表面的氧元素比例明显增加，而经十二烷基磺酸钠和二氯异氰尿酸钠改性使橡胶粉表面的钠元素比例增加，表面改性使橡胶粉的极性明显增强；改性后橡胶粉表面的圆润度和连续性增强，其中司盘40改性的橡胶粉表面连续程度最好.

2) 橡胶粉表面改性使不同龄期的抗压强度得到明显提升；随着橡胶粉目数的增大，抗压强度先增大后降低，当粒度为180 μm时，抗压强度最高；橡胶粉掺量越大，混凝土抗压强度越低；相同条件下经司盘40改性后，混凝土抗压强度更高.

3) LC50轻骨料混凝土中加入橡胶粉后，试件达到应力峰值后应力-应变曲线不会瞬时下降，试件由脆性破坏变成延性破坏，弯曲韧性得到改善；相比未改性的橡胶粉，改性后的橡胶粉使试件应力达到峰值对应的应变增大，延迟了混凝土的弯曲破坏，使混凝土弯曲韧性得到显著改善.

4) 橡胶粉表面改性后加入到混凝土中，混凝土内部的连续状态显著增强，密实度明显提高，因此力学性能得到改善；相比于粒度为380 μm橡胶粉，在混凝土中加入粒度为180 μm橡胶粉时，混凝土内部的连续性更好，混凝土力学性能较好.

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The Effect and Mechanism Research of Powder Surface Modification on Mechanical Properties of LC50 High-strength Lightweight Concrete

CUILeiCHENYanhua

(CollegeofHighwayandArchitecture,ShandongTransportVocationalCollege,Weifang261206,China)

In order to utilize the waste rubber powder effectively and improve the mechanical properties of LC50 high-strength lightweight concrete, three kinds of modifiers are used to modificate the surface of rubber powder and the effects of modification type, rubber powder content and fineness on strength and bending toughness of concrete are studied The microcosmic mechanism is also analyzed by scanning electron microscopy. The results show that the modification improves the polarity of the surface of the rubber powder and enhances the roundness of the rubber powder, and the continuity of the rubber powder surface is the best after modified by Span 40. The compressive strength and flexural toughness of the concrete are improved obviously by the surface modification of the rubber powder. The mechanical properties of the concrete is the best after modified by Span 40. When the content of the rubber powder is 6% and 180 μm, the rubber powder can be effectively used and the concrete has good rational performance. When the modified rubber powder is added into the concrete, the continuity and density of the concrete are better. Compared with the 180 μm rubber powder, the pores inside the concrete are less with 180 μm rubber powder.

waste rubber powder; high-strength lightweight concrete; mechanical properties; Microscopic mechanism

U216.421

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.06.012

2017-09-26

崔磊(1970—)：女，硕士，副教授，主要研究领域为交通土建工程施工与材料

*山东省高等学校科技计划项目资助(J15LG56)