纳米高岭土对橡胶水泥砂浆性能影响试验研究

潘 瑾，王鹏举

(1.安徽理工大学 土木建筑学院， 安徽 淮南 232001；2.矿山地下工程教育部工程研究中心(安徽理工大学), 安徽 淮南 232001)

0 前 言

随着社会经济的发展，每年有大量的废弃橡胶产生，因为橡胶材料很难被生物降解[1]，人们对这些废弃轮胎进行不当处理，例如燃烧和填埋对环境造成污染。如今，很多人把废弃橡胶应用到建筑行业，废弃橡胶经过加工处理成橡胶粉末，作为混凝土的掺合料，替代部分骨料[2-4]。大量的试验证明，直接用橡胶颗粒替代部分骨料，混凝土的部分力学性能会下降[5-6]。一些研究人员使用硅粉等超细矿物掺合料使水泥与骨料的界面更加密实[8]。纳米高岭土(NK)是一种新型纳米材料，价格便宜，在众多领域取得了发展和应用，由于NK的填充作用[9]、晶核作用[10]、火山灰效应[11]，使用NK替代部分水泥可以提高水泥基材料的力学性能。本文将NK以水泥质量的一定比例加入橡胶砂浆中，研究其对橡胶砂浆抗压强度、收缩、抗氯离子渗透性能的影响。

1 原材料与配合比

本研究所需细骨料采用最大粒径为4 mm、细度模数为1.39的天然河砂，水泥为淮南舜岳水泥有限责任公司出产的标号为P·O42.5普通硅酸盐水泥。橡胶选用粒径为60～80目的废弃橡胶轮胎颗粒。NK(6 000目)购于富华纳米新材料有限公司。试验所用水灰比为0.45，橡胶等体积替代砂子，体掺率为10%，橡胶混凝土中NK掺量分别为水泥质量的1%、3%、5%、7%。

2 试验内容与方法

1)抗压强度测试按照规范ASTM C348[12]进行。将新拌橡胶砂浆浇筑于模具中，在标准养护条件下带模养护24 h。试块脱模后置于饱和氢氧化钙溶液中分别养护至3、7、28d，测试其抗压强度。

2)根据ASTM C1698[13]，采用波纹管法测量密封条件下橡胶水泥砂浆的线性收缩，按照配比将砂浆拌好后装入波纹管中，装满后振动排气封口。将试样置于标准养护室进行养护。每组3根试样，测量值取平均值。

3)根据ASTM C596[14]对橡胶砂浆的干燥收缩性能进行测试。做好样品放在标准养护条件下养护24 h后拆模。然后置于饱和Ca(OH)2溶液再养护48 h。进行长度和质量的测量。

4)抗氯离子渗透性根据ASTM C1202[15]进行测试，试件为Φ100×50 mm的圆饼。先将试块在标养条件下养护28 d，取出后将试块表面擦干，使用环氧树脂将试块侧面密封，环氧树脂凝固后将试块放入真空饱水机中进行饱水处理。处理后将试块表面水分擦去进行氯离子电通量测试。

3 试验结果与讨论

3.1 抗压强度

NK的加入提高了橡胶砂浆抗压强度，NK是一种纳米颗粒，有着很小的颗粒尺寸，在橡胶砂浆中具有很好的填充效应，从而使橡胶和水泥基体之间有着良好的粘附性。同时NK的加入降低了孔隙率，使砂浆试块更加的密实，从而强度得到提升。Fan等[16]研究发现，NK替代部分水泥的混凝土拌合物，在水化过程中Ca(OH)2晶体的X射线衍射峰强度有所下降，而C-S-H凝胶的峰值强度明显增加，说明了NK促进了水化反应，生成更多的C-S-H，从而提升了强度。

3.2 自收缩

橡胶砂浆试样在前3 d自收缩较小甚至出现了微膨胀，这是胶凝材料与水发生化学反应放热膨胀导致的。3 d龄期过后试样自收缩开始增大，与CON组相比，32d龄期NK0组自收缩有所缓解降低了56.7%，因为低弹性模量的材料已被证明可以减少热应力和收缩应力而橡胶的加入会降低弹性模量[17]，从而降低收缩应力。32d龄期NK1、NK3、NK5、NK7自收缩与NK0相比分别增加了180.1%、145.9%、150.1%、99.8%。这是由于NK具有活性，能促进水化作用，导致了砂浆自收缩变大。

3.3 干缩与质量损失

在10 d之前，各组的干缩曲线大致相同，各组的干缩值相差不大；10d之后，CON组的收缩曲线趋于稳定，其余各组收缩曲线仍有继续下降的趋势，NK7的干缩量相对于其他几组增加的幅度要小，这也与前面的抗压强度规律相吻合。首先由于加入NK的橡胶水泥砂浆自收缩的增大导致了干缩的增大。其次由于NK的填充作用和较大的比表面积并且表面含有大量的亲水基团[18]，从而吸收橡胶水泥砂浆内部的大量水分，导致基体内部水分减少，加大了干燥收缩。橡胶砂浆试样相比普通砂浆质量损失会加大，28d龄期时NK的加入能减小橡胶砂浆质量损失，这是因为NK的加入，使结构更加密实，毛细应力增大，持水能力增加，从而减少了水分的蒸发。同时NK的加入促进了水化反应，生成C-S-H，减少了水分

3.4 渗透性

NK的加入，减小了橡胶砂浆氯离子电通量。这由于NK有着超细的尺寸，充分填充了橡胶颗粒与水泥胶体之间的孔隙，增加了橡胶颗粒与水泥胶体之间的粘结力，降低了孔隙率。另外NK促进了水化反应，也与水泥水化产物发生二次水化生成更多的C-S-H填充内部毛细孔，使结构更加密实，从而阻碍了氯离子的渗透，增强了橡胶砂浆的耐久性。

4 结论

本文通过NK掺量对橡胶水泥砂浆力学、收缩性能和耐久性影响的试验研究，得出以下结论：

1)外掺NK可以大幅度提高橡胶水泥砂浆的抗压强度，且抗压强度随着NK掺量的增加而增加；

2)外掺NK会增大橡胶砂浆的自收缩，但随着NK掺量的增加，收缩作用逐渐减弱；

3)NK可减小橡胶水泥砂浆的干燥收缩，且橡胶水泥砂浆的干缩随着纳米高岭土掺量的增加而减小。从而减小了橡胶混凝土产生的裂缝，使橡胶混凝土可以更广泛的用于工程中；

4)NK的掺入，可以提高橡胶砂浆抗氯离子渗透的能力，且橡胶砂浆的耐久性随着纳米高岭土掺量的增加而提高。有利于保护钢筋不受腐蚀，增加了建筑物的使用年限。

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