谈硅烷偶联剂对橡胶透水混凝土强度提升效果★

陈永锋 袁松年 任隽丰 耿德华 陆志红 沈亚芳

(1.江苏先达建设集团有限公司，江苏 常州 213016；2.常州市市政工程管理中心，江苏 常州 213016； 3.东南大学，江苏 南京 210096)

1 研究背景

目前废旧橡胶的处理成为了全世界的一大难题，较低的废旧轮胎橡胶回收利用率也导致了巨大的资源浪费[1]。因而橡胶混凝土这一材料一直是研究的热点和焦点，废旧轮胎通过粉碎可以制成橡胶颗粒，然后将其掺入水泥混凝土中，这样可以提高水泥混凝土的耐久性能和使用性能。另一方面，使用透水混凝土具有不错的环境效益，可以一定程度上缓解城市的热岛效应、水侵蚀与水质恶化等环境问题。橡胶透水混凝土(Rubberized Pervious Concrete,RPC)材料兼具了橡胶混凝土和透水混凝土的优点，一方面能够满足透水、透气的使用要求，另一方面通过回收利用废旧橡胶，减少了橡胶产生的污染，并且通过橡胶对水泥混凝土进行改性，提高了材料的韧性，使其变成一种半柔性材料，因此橡胶透水混凝土是一种具有较大发展潜力的环境友好型材料。

橡胶透水混凝土的最大缺陷在于其强度不足，原因有以下几点：

1)透水混凝土采用单一级配设计，形成骨架孔隙结构，本身强度相对较低，需要通过加入一定量的硅灰、乳胶或玄武岩纤维等增强剂提高材料整体强度。

2)在加入了柔性较强，强度较低的废旧轮胎橡胶颗粒后，材料的强度大大下降，Mehmet Gesoglu和Erhan Gueneyisi等[2]的研究表明，橡胶的使用可以明显降低透水混凝土的抗压强度，强度的降低率与橡胶掺量有关，在掺入质量分数为20%的橡胶颗粒时，强度仅有6.45 MPa，相应的劈裂抗拉强度也仅有0.7 MPa，降幅均超过了60%。

基于上述研究现状，本课题主要进行了硅烷偶联剂对橡胶透水混凝土强度的提升效果研究，通过使用不同剂量的、不同型号的硅烷偶联剂对废旧橡胶颗粒进行改性处理，对橡胶透水混凝土的立方体抗压强度和立方体劈裂抗拉强度进行测试。

2 硅烷偶联剂改性效果理论分析

硅烷偶联剂是目前品种最多、应用最广的一种偶联剂[3]。其化学式通式为Y-R-SiX3，其中,Y是能够和有机物发生反应的非水解有机基团，主要包括乙烯基和环氧基等；X是结合在硅原子上的特性基团，通过水解作用，Si-X结构转化为Si-OH结构，从而与无机物结合起来。R结构为脂肪族碳链。由于其结构中同时具有能与无机质材料和有机质材料反应的基团，因此硅烷偶联剂被广泛应用于表面处理，图1展示了硅烷偶联剂的作用机理。

本文根据以上研究结果，选择使用质量分数为1%,1.5%,2%的硅烷偶联剂KH550和KH560进行试验，硅烷偶联剂对橡胶透水混凝土的改性效果。

3 试验

3.1 原材料

1)水泥：本实验采用的是P.Ⅱ42.5硅酸盐水泥(上海舜安牌)，水泥的强度不小于42.5 MPa(28 d)。

2)水源：实验室一般自来水。

3)粗集料：本次实验选用单一级配碎石，其筛孔直径范围是5 mm～10 mm(南京产)。

4)废旧轮胎橡胶颗粒：本实验采用粒径范围是3 mm～6 mm的废旧橡胶颗粒(废旧轮胎破碎机破碎制成)。

5)硅灰(硅粉)：本实验选用常用的普通硅灰，其化学成分主要是非晶态的无定型氧化硅，具有的抗渗性能可提高橡胶透水混凝土的强度。

6)乳胶：本实验选用常用的普通乳胶，与透水混凝土结合使用可提高其粘结强度及柔韧性。

7)玄武岩纤维：本实验选用的这种无机纤维材料，以纯天然火山岩作为原料，在1 450 ℃～1 500 ℃高温熔融条件下，结合铂铑合金经快速拉制形成纤维。此种材料因其具有较高的弹性模量和较强的抗拉强度而能有效地提升橡胶透水混凝土的力学性能。

8)减水剂：JM-A高效减水剂。

3.2 试验方案

根据相关研究结果，选定试验变量为硅烷偶联剂用量(1.0%,1.5%和2.0%)和硅烷偶联剂种类(KH550和KH560)。各组采用相同的配合比，橡胶颗粒掺量占集料总质量的20%，配合比中各项组分的用量如表1所示。

表1 设计配合比

硅烷偶联剂是一种无色无味液体，溶于水，因此采用水溶液的方式对各组橡胶颗粒进行处理，处理方式如下：将橡胶颗粒摊铺于金属盘中，先加入少量水使其表面湿润，随后加入质量分数为橡胶颗粒的1%～2%的硅烷偶联剂，加入适量水分使其充分溶解，保证橡胶颗粒与溶液充分接触，静置直到水分完全蒸发，各组的处理方式和硅烷偶联剂用量见表2。

表2 各组的处理方式和硅烷偶联剂用量

3.3 试验方法

试件规格采用以100 mm为边长的立方体，采用标准养护条件养护至相应的龄期以进行强度试验，其中抗压强度以7 d和28 d为龄期，立方体劈裂抗拉强度以28 d为龄期。其制作、成型及养护依JTG E30—2005公路工程水泥及水泥混凝土试验规程[5]进行。每组采用3个试件进行测试，以均值为测定值。若存在一个测值与中值的差超其15%，则以中值为测定值；若两个测值与中值的差均超其15%，则结果作废。

4 试验结果及分析

4.1 试验结果

拆模后的试件养护达7 d或28 d龄期时取出进行相应强度试验，7 d的立方体抗压强度、28 d的立方体抗压强度以及28 d的立方体劈裂强度，试验结果见表3。

表3 各组的抗压强度列表

4.2 硅烷偶联剂改性效果分析

KH560，KH550测试结果见图2，图3。

由图2可知，在其他条件不变的情况下，KH560的使用显著的提升了橡胶透水混凝土的28 d立方体抗压强度，最大值出现在第3组，即掺量为1.5%的组，强度增幅超过了50%；KH560的掺入对7 d立方体抗压强度有一定提升效果，但幅度不大，而且掺量变化对提升幅度影响较小；而KH560对立方体劈裂抗折强度的提升效果较不明显，提升幅度不大；由图3可知，KH550对橡胶颗粒也有一定的改性效果，各项测试结果最高值均出现在第7组，即掺量为2%的组，28 d立方体抗压强度提升幅度接近40%，对结构强度也有较好的改善效果，与KH560类似，KH550对橡胶透水混凝土的7 d立方体抗压强度和28 d立方体劈裂抗拉强度提升不大。

对以上试验结果进行分析如下：

1)KH550的分子式为H2NCH2CH2CH2Si(OC2H5)3，中文名为3-氨基丙基三乙氧基硅烷，是一种氨基官能团硅烷；KH560的分子式为CH2CHCH2O(CH2)3Si(OCH3)3，中文名为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，是一种环氧官能团硅烷。环氧官能团与橡胶颗粒的结合能力更强，因此KH560的改性效果优于KH550。

2)随着水泥水化反应的进行，硅烷偶联剂在橡胶透水混凝土中形成了更多连接键，即橡胶颗粒与水泥浆体的结合能力是逐步提升的，因此7 d的立方体抗压强度提升幅度较小，而在28 d时，随着两者的粘结基本完成，材料的强度有了较大幅度的提升。

3)硅烷偶联剂对橡胶透水混凝土的28 d立方体劈裂抗拉强度的提升效果较小，原因分析如下[5]：橡胶颗粒因其具有一定的弹塑性性质，其模量远小于水泥砂浆和集料，因此在劈裂荷载作用下，橡胶颗粒的形变量与周围的水化产物不一致，在连接界面产生了较大的应力，产生了大量的微裂缝，导致立方体劈裂抗拉强度提升幅度不大。

4)对比各组结果，试验组3，即采用质量分数为1.5%的KH560硅烷偶联剂有最好的改性效果，抗压强度达到15 MPa，同时经过试验测试，该组材料也满足透水性要求，因此该组具有较好的路用价值，建议用在人行道、路肩、停车场等轻交通地区。

5 结语

硅烷偶联剂作为一种能够同时与有机物和无机物形成连接键的化合物，能够有效的提高橡胶透水混凝土结构中橡胶与水泥砂浆的粘结效果，试验中28 d立方体抗压强度最多提升了接近60%，极大地改善了橡胶透水混凝土的强度性能，而由于硅烷偶联剂对材料的透水性影响不大，使橡胶透水水泥混凝土的使用成为了可能，最终建议在橡胶透水混凝土中加入质量分数为1.5%的硅烷偶联剂KH560对其进行改性处理，推荐使用在人行道等轻交通地区。