一种表面改性胶粉混凝土性能的实验研究

焦俊婷 ，李清辉 ，许金鼓

(1.厦门理工学院土木工程与建筑学院, 福建 厦门 361024；2.厦门博洋材料科技有限公司, 福建 厦门361000)

胶粉混凝土是用废旧轮胎制成的胶粉取代普通混凝土中部分砂或者粗骨料制成的混凝土，是一种受关注的新型混凝土。将废旧轮胎回收、粉碎、加工成胶粉，用在水泥混凝土中，不仅可以减少污染，还能循环利用，符合绿色环保发展理念。现有研究结果表明，胶粉混凝土具有抗冻性、保温性、轻质、耐磨性、抗渗性、抗裂性和降噪等优点[1-8]，已逐渐应用于土木工程中，特别是路用工程(如机场跑道、公路工程等)中。现有研究普遍认为胶粉混凝土的强度随胶粉掺量增加而降低，胶粉混凝土的变形能力随胶粉掺量增加而有一定提高[1-5]；混凝土加入适量和一定细度的胶粉后，因胶粉具有一定弹性，故胶粉混凝土的抗裂、抗冲击、耐磨、抗渗等性能得以提高[2,6-8]。尽管胶粉混凝土具有诸多优点，但胶粉材料本身具有憎水性，同水相容性差，容易产生分层，使得胶粉混凝土抗压强度下降，从而限制了胶粉混凝土的应用。因此，改善和提高胶粉混凝土的性能成为当今研究热点之一。其中，胶粉表面改性则是改善胶粉混凝土性能的一个重要研究方向。为此，本文采用一种操作简便、宜行、实用的处理方法对胶粉进行表面改性处理，用这种表面改性胶粉代替混凝土中部分砂或粗骨料，制成表面改性胶粉混凝土；此后进行了表面改性胶粉与水的相容性试验、表面改性胶粉混凝土试件抗压强度试验和表面改性胶粉混凝土试件氯离子抗渗试验，以分析这种表面改性胶粉的性能，验证所采用表面改性胶粉的可行性、有效性和适用性。

1 试验材料及混凝土配合比

1.1 试验材料

1)胶粉。由厦门博洋材料科技有限公司提供，粒径为60目，密度为1 130 kg/m3，表观密度为1 020 kg/m3，吸水率小于11%。

2)水泥。采用标号为 42.5 的普通硅酸盐水泥，其表观密度为3 075 kg/m3，堆积密度为1 380 kg/m3。

3)骨料。细骨料砂为河砂，连续级配，细度模数为 2.55，表观密度为2 620 kg/m3，堆积密度为1 455 kg/m3，空隙率为43%。粗骨料石子采用 5～20 mm 连续级配碎石，其表观密度为2 655 kg/m3，堆积密度为1 565 kg/m3，空隙率为42%。

4)掺合料。掺合料为GH 矿粉，矿物外观为灰白色粉末状，细度约1 210 m2/kg。

5)减水剂。采用 Sika-3301型高效减水剂，减水率为25%，密度为1 055 kg/m3，pH 值为6.91。

6)试验用水。为普通自来水。

1.2 混凝土配合比

试验依据胶粉的掺量不同共成型7 组试件，胶粉掺量(体积比)分别为 0%(基准组)、3%、5%、7%、10%、12%和 15%。采用的混凝土配合比如表 1 所示。

表1 混凝土配合比及试件分组Table 1 Concrete mix proportions and specimens’ groups

2 试验方案

为验证胶粉表面改性方法的可行性、有效性、适用性，分别进行了表面改性胶粉与水的相容性试验、表面改性胶粉混凝土试件抗压强度试验和表面改性胶粉混凝土试件氯离子抗渗试验。

2.1 胶粉与水的相容性试验

将表面改性的60目胶粉、未表面改性的60目胶粉分别和水混合后，观察胶粉在水中的分布、分层情况。

2.2 胶粉混凝土抗压强度试验

试验过程如下：

1)试块制作。按表1中混凝土配合比的不同进行分组，每组制作12个边长100 mm的立方体试块，浇注24 h后拆模，然后放在温度为(20±1)℃，相对湿度≥95%的养护室养护到指定龄期3 d、7 d、28 d。

2)试块测试方法。当试块在标准条件下养护至龄期后，将其放在压力机底座中心上，按GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[9]规定进行测试。以0.5～0.8 MPa ·s-1速度加荷，当试块破坏后，记录最大荷载，计算得到试块立方体抗压强度值。

2.3 胶粉混凝土氯离子抗渗试验

A.60 V直流稳压电源，精度±0.1 V；B.有机玻璃试模；C.铜网；D.Φ100 mm×50 mm混凝土试件； E.3.0%NaCl溶液；F.0.3 mol·L-1 NaOH溶液；G.数字式电流表，量程20 A，精度±1.0%；H.密封材料。图1 混凝土试件通电试验装置示意图Fig.1 Electrical test device for concrete specimens

采用天津市建筑科学研究院研制的氯离子渗透性测试仪，测量养护28 d不同混凝土配合比的圆柱形混凝土试件(Φ100 mm×50 mm)在60 V直流电压下6 h通过的总电量，混凝土试件通电试验装置示意图见图1。

试验过程为：

1)制作混凝土试块，按混凝土配合比不同分组，每组制作6个Φ100 mm×50 mm的圆柱体试件，浇注24 h后拆模，然后放在温度为(20±1)℃，相对湿度≥95%的养护室养护到28 d后取出，放在空气中至表面干燥，再以树脂密封材料施涂于试件侧面。

2)干燥后进行真空饱水，把试件放在真空干燥器中，启动真空泵，数分钟后使真空度达到 133 Pa 以下，保持真空3 h后，维持这一真空度注入足够的蒸馏水，至淹没试件，浸泡1 h 后恢复常压，继续浸泡(18±2) h。

3)将试件从水中取出，抹掉多余水分，安装于试验槽内，用密封胶密封，并用螺杆将两试验槽和试件夹紧(如图1所示)，以确保不渗漏。

4)将浓度为3.0%的NaCL溶液、0.3 mol·L-1(相当于1.2%质量浓度)的NaOH溶液分别注入试件两侧的试验槽中(如图1所示)，注入NaCL溶液的试验槽内铜网连接电源负极，注入NaOH溶液的试验槽内的铜网连接电源正极。

5)通过变压器将220 V交流电电压调至60 V的直流电电压加在混凝土试件两端，每隔30 min测量一次通过试件的电流，持续试验 6 h，按式(1)计算 6 h内通过试件的总电量Q：

Q=I1+ 2I2+ 2I3+…+ 2I12+I13。

(1)

式(1)中:Q表示混凝土试件6 h通过的总电量,单位为C；I表示电流，单位为A。

采用冯乃谦等[10-11]给出的计算公式(2)，计算氯离子扩散系数：

D=2.577 65+0.004 92Q。

(2)

式(2)中：D表示氯离子扩散系数，单位为10-9cm2·s-1。

3 试验结果与分析

图2 胶粉与水的相容性比较Fig.2 Compatibility of rubber powder with water

3.1 胶粉与水的相容性

将表面改性胶粉和水的相容结果与未表面改性胶粉和水的相容结果进行比较，比较结果如图2所示。从图2可以看出，在亲水性方面，表面改性胶粉优于未表面改性胶粉。

3.2 胶粉混凝土抗压强度与变形性能

表面改性胶粉混凝土抗压强度试验结果见表2。由表2可以看出，混凝土早期抗压强度和后期抗压强度随着胶粉掺量的增加均有不同程度的降低。主要原因为：胶粉弹性模量较小，与混凝土中砂浆的弹性模量相比很小，在变形大小相同的情况下，胶粉的应力比周边砂浆体的应力小得多，从而在周边砂浆体中引起较大应力集中,从而导致试件破坏。胶粉掺得越多，应力集中现象会越严重，试件破坏越早，从而混凝土抗压强度越低。此外，由于胶粉与水泥砂浆界面处存在大量微型气泡，气泡削弱了橡胶粉与水泥石的粘结，这也使得混凝土强度降低。

当掺量超过5%时,表面改性胶粉混凝土抗压强度在试件受压破坏后仍能保持完整性，并未发生整体性解体现象，表现出相对较好的变形性能。从表面改性胶粉混凝土试块抗压强度随胶粉掺量的变化情况(图 3)可看出，胶粉体积分数从3%到5%组的抗压强度下降梯度最大，表明胶粉混凝土较好变形性能的获得是以强度为代价换来的。

表2 胶粉混凝土抗压强度试验结果Table 2 Results of compressive strength test of rubber power concrete

图3 混凝土抗压强度随胶粉掺量变化Fig.3 Compressive strengths of concrete varying with change of rubber powder amount

3.3 胶粉混凝土氯离子抗渗试验

表面改性胶粉混凝土氯离子抗渗测试结果如表3、图4和图5所示。

表3 混凝土氯离子抗渗试验结果Table 3 Results of chloride permeability test of concrete

图4 混凝土导电量随胶粉掺量的变化Fig.4 Concrete charge passed varying withchange of rubber powder amount

图5 混凝土氯离子渗透性随胶粉掺量的变化Fig.5 Chloride permeability of concrete varyingwith change of rubber powder amount

由表3、图4和图5可以看出，当胶粉掺量≤10%时，其导电量随胶粉掺量的增加而减少；氯离子扩散系数随胶粉掺量的增加而减小；而当胶粉含量>10%，其导电量随胶粉掺量的增加而增加；氯离子扩散系数随胶粉掺量的增加而增加。这表明掺入适量表面改性胶粉的混凝土具有较好的抗氯离子渗透能力。

掺入适量胶粉的混凝土具有较好的抗氯离子渗透能力，主要是因为在胶粉混凝土中，胶粉与水泥砂浆界面处存在大量密闭、互不连通的微型空气泡*因为胶粉在常规状态下不会与混凝土中的其他材料和水化生成物发生化学反应，但是胶粉表面很粗糙，故胶粉掺加到混凝土中会在橡胶与水泥砂浆界面处产生大量密闭、互不连通的微型空气泡群。具体可参见文献[12] 。。尽管空气泡的存在是胶粉混凝土抗压强度降低的原因之一，但是空气泡起到了切断混凝土土内毛细孔连续性的作用，使毛细管变得细小、曲折、分散，从而减少了渗透通道，阻碍了氯离子在混凝土中的扩散，使混凝土的密实性和抗渗性得到提高。胶粉含量大于10%组混凝土氯离子渗透性有劣化趋势，可能是因为在胶粉高掺量情况下，过多的空气泡会形成连续孔，从而对混凝土的耐久性、抗渗性产生不良作用。

4 结论

为验证所采用的表面改性胶粉的性能，通过试验研究了表面改性胶粉与水的相容性、表面改性胶粉混凝土的抗压强度及变形情况、表面改性胶粉混凝土抵抗氯离子的渗透性，实验结果表明：

1)表面改性胶粉与水的相容性得到提高。说明表面改性胶粉的亲水性优于未表面改性胶粉。

2)表面改性胶粉掺得越多，胶粉混凝土抗压强度越低，表面改性胶粉含量从3%到5%组的抗压强度下降梯度最大；当表面改性胶粉掺量超过5%时, 胶粉混凝土抗压强度在试件受压破坏后仍能保持完整性，表现出相对较好的变形性能。可见搀入适量的表面改性胶粉，胶粉混凝土的脆性变形性能会明显改善。

3)当表面改性胶粉掺量≤10%时，胶粉混凝土氯离子扩散系数随胶粉掺量的增加而减小；而当表面改性胶粉含量>10%，胶粉混凝土氯离子扩散系数随胶粉掺量的增加而增加。

可见本文表面改性胶粉具有有效性、可行性和实用性。