橡胶废料对防渗混凝土的改性效果及机理研究

李志鸢 梁仁旺 祁术洪

摘 要：橡胶废料可作为掺和料用于对防渗混凝土改性。为了研究橡胶废料对混凝土防渗性能的改善效果，制备了3种粒径、4种掺量的橡胶混凝土试样，开展渗透试验和核磁共振扫描试验，从而分析混凝土防渗性能与孔隙分布的关系。结果表明：橡胶废料的粒径越小，其渗透高度值越小，且防渗性能随橡胶含量增加呈先增后减的趋势;随橡胶废料掺量增加，表征孔隙结构的核磁共振T2分布曲线发生显著改变;掺入20%橡胶废料的混凝土防渗性能最佳，且密实程度也最高，大裂隙完全被填充，中、小孔隙数量相继减少;掺入橡胶废料对混凝土防渗性能的改性存在积极和消极两种效果，橡胶废料含量是控制防渗效果的关键。

关键词：橡胶废料;防渗混凝土;渗透试验;核磁共振;孔隙分布

中图分类号：TU52文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.030

引用格式：李志鸢，梁仁旺，祁术洪.橡胶废料对防渗混凝土的改性效果及机理研究[J].人民黄河，2021，43（1）：148-151.

Study on Modification Effect and Mechanism of Rubber Waste on Impervious Concrete

LI Zhiyuan1， LIANG Renwang2， QI Shuhong3

（1.Chongqing Water Resources and Electric Engineering College， Chongqing 402160， China;

2.College of Architecture and Civil Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China;

3.Department of Architectural Engineering， Zhengzhou Shengda Economics and Management College， Zhengzhou 451191， China）

Abstract： Rubber waste is a new kind of environmental protection and high-performance material， which can be used in the production of impervious concrete material. In order to study the improvement effect of rubber waste on the impermeability of concrete， three kinds of particle sizes and four kinds of admixtures of rubber concrete were designed to conduct the tests. The results show that the smaller the rubber particle size is， the better the impermeability is. And with the increase of the particle content， the impermeability increases first and decreases later. And the T2 distribution curves from NMR tests showsthat the pore structure changes significantly. The impermeability of rubber concrete with 20% rubber powder has the best impermeability in the tests. The pore structure of the sample changes significantly with the increase of the proportion of rubber powder. With the content of 20% rubber particles mixed into the concrete samples， the large cracks are fully filled and the density is increased significantly. Rubber particles have the both favorable and unfavorable effects on the impermeability of concrete and the content of rubber particles is the key to control the effect of modification.

Key words： rubber waste; impervious concrete; penetration test; nuclear magnetic resonance; pore distribution

隨着现代汽车工业的迅猛发展，废旧橡胶轮胎的保有量急剧增加，全世界汽车轮胎年报废量高达10 亿条以上[1]。废弃轮胎橡胶在自然条件下难降解，日益增加的废橡胶的处理问题已成为全球性环境及资源难题，因此对其进行合理回收与利用对于环境保护和节约资源具有重要意义[2-3]。通过掺橡胶颗粒配制出橡胶混凝土，一方面可改善混凝土材料的基本性能，另一方面可拓展废弃橡胶的应用领域，使废旧橡胶由黑色废物和环境公害变成土木工程材料领域的绿色资源。

当前，提高防渗性能已成为渠道混凝土改性研究的一个热点。经研究发现在普通水泥砂浆中掺加橡胶废料可以有效改善混凝土的防渗效果[4-6]。目前，许多学者开展了橡胶废料改善混凝土性质的研究。ISSA等[7]研究了在混凝土中掺入橡胶粒以提高其耐久性能。杨春峰等[8]通过混凝土的渗透试验发现掺入橡胶细料可以在一定程度上降低渗透率。张克等[9]对一定含量橡胶废料混入水泥浆料进行改性，橡胶含量对混凝土强度性能改善效果的影响非常显著。

显然，橡胶对于混凝土的防渗效果改良起到显著作用，但对具体掺和量与防渗性能的关系以及改性微观机理的分析相对薄弱，对于橡胶废料和水泥浆料充分拌和后孔隙结构特点的改变也需要进一步开展微观测试。低场核磁共振扫描技术（NMR）通过评估材料孔隙中水分子的氢元素流动路径探测材料微观结构特征[10-11]。目前利用NMR进行混凝土细观结构的研究已取得一系列成果[12-14]。笔者基于普通渠道混凝土防渗性能较差的缺陷，设计不同粒径和掺量的橡胶废料进行掺和改性试验，以获得混凝土的防渗性能指标，并从孔隙结构角度解释掺入橡胶引起混凝土防渗性能改良的微观机理。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

本试验采用废弃轮胎生产的橡胶颗粒。改性混凝土材料的浆料由粗细集料、硅酸盐水泥、橡胶废料（粒径分别为80目、40目和20目，表观密度为1 030 kg/m3）、减水剂和水组成，对水泥砂浆进行养护，形成橡胶混凝土。采用密度计法和筛分法获得细集料的级配曲线，骨料粒径分布情况见表1，粒径在1.0 mm以下的细集料成分占总含量的63.2%，粒径大于1.0 mm的颗粒占36.8%，粗细集料配比对孔隙分布有重要影响。经过多次适配后，得到水泥砂浆基准配合比为水∶水泥∶细集料∶粗骨料 =200∶400∶550∶1 205，减水剂含量为水质量的1%。在混凝土基准配合比的基础上，将不同粒径（80目、40目和20目）的橡胶废料按10%、20%和30%的比例等体积取代普通混凝土细集料，制备不同橡胶含量的改性混凝土试样。不同粒径为橡胶粒如图1所示。

1.2 试验过程

试验主要分为样品制备、渗透试验和微观结构观测三个步骤。

1.2.1 样品制备

为使橡胶改性的水泥砂漿拌和均匀，首先将粗、细集料与橡胶废料在搅拌机中拌和1 min;然后加入水泥干拌1 min;最后在搅拌机中加入一定质量的水与减水剂搅拌2 min。在拌和过程中，出现了因橡胶密度较小而导致上浮的现象，故在样品成型过程中，当坍落度小于70 mm时，用二次短时振动方式成型，首次振动持续5 s，二次振动采取瞬时振动方式; 当坍落度大于70 mm时，通过手工搅拌，将浆料分两层加入试模。砂浆入模后，用恒温恒湿箱进行养护，养护温度为（20±2） ℃，相对湿度为95%，养护28 d后拆模。

1.2.2 渗透试验

渗透试验采用《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30—2005）中水泥基材料的渗水试验方法。在渗水试验中控制水压为0.8 MPa，保持水压恒定24 h，卸压后取出混凝土试件测量渗透高度h，取试件的平均渗透高度为防渗性能指标[15]。

1.2.3 微观结构观测

通过低场核磁共振扫描（NMR）对混凝土试样进行微观结构观测。NMR是在较低强度磁场中，对材料中流体的氢元素核磁信号进行测定，获取孔隙中流体的核磁共振T2分布谱。NMR用于分析多孔介质材料的细观结构特征。在混凝土材料中，弛豫时间T2与孔隙半径成正比，孔隙规模越大，弛豫时间越长，反映在T2分布谱上弛豫时间长的核磁信号所占比例就越大[12]。

对4组不同橡胶废料配合比的样品开展核磁共振扫描，得到核磁共振T2分布谱。根据NMR的试验原理，试件内部孔隙的弛豫时间T2与孔隙尺寸的关系用式（1）表示：

1T2=ρSV（1）

式中：ρ为多孔介质的表面弛豫强度，μm/ms，ρ值与材料种类有关;S为孔隙表面积;V为孔隙体积。

2 试验结果分析

2.1 渗透试验结果

对改性橡胶混凝土材料进行养护后，橡胶废料在混凝土内部的孔隙中处于游离的状态，橡胶不与水泥等物料进行化学反应，但可以有效地填充材料内部的孔隙（尤其是尺寸较大的孔隙），从而提高了混凝土试件的结构密实程度，改善其防渗性能。

渗透试验的结果如图2所示，可以看出掺入橡胶含量一致时，80目橡胶粒径的混凝土试件的渗水高度最小，40目橡胶粒径的混凝土试件次之，20目橡胶粒径的混凝土试件最大。说明掺入橡胶废料的粒径越小，混凝土试样的防渗性能越好，即橡胶提高密实程度的效果也越好。从图2还看出在一定橡胶废料掺和量的范围内，混凝土渗透高度明显受到橡胶含量的影响。随橡胶含量增至一定程度后，其渗透高度随颗粒含量增加而上升，即防渗性能开始降低。试验结果表明20%掺量的橡胶废料对渠道混凝土的防渗性能改善最有利。

2.2 微观结构扫描结果

80目的橡胶作为外掺料的复合混凝土防渗效果最好，对80目橡胶混凝土开展NMR扫描。图3为掺量为0、10%、20%和30%的橡胶混凝土试样的核磁共振T2分布曲线，纵坐标表示信号幅度，横坐标表示弛豫时间T2，弛豫时间越长，孔隙尺寸也越大，而信号幅度越高表示该尺寸下的孔隙数量越多。根据核磁共振扫描的原理，虽然不能直接获得材料内部具体孔隙的大小与数量，但是通过T2分布曲线不仅能反映不同尺寸级别孔隙的比例大小，还可以分析同一种材料的试样经过微观结构变异后孔隙的演化规律与特点。

从图3可以看出：掺量为0的1#混凝土试样的T2曲线存在3个峰，第一个峰表示微小孔隙，第二个峰表示中等大小孔隙，第三个峰表示尺寸较大的孔隙。1#试样T2曲线的第三个峰的峰值明显比其他试样的大，表明试件内部的原生大孔隙较多，并形成贯通的大裂隙，对于混凝土防渗性能有极大的影响。

在混凝土中掺入橡胶粒后，内部结构发生变化，随着掺入橡胶粒比例的增大，试样内部孔隙结构变化情况有所差异。在普通混凝土中掺入10%橡胶粒后，2#试样的T2曲线的第三个峰的峰值明显减小，第二个峰的峰值略有下降，而第一个峰的峰值有所上升，表明2#试样经过改性后大孔隙和裂隙的含量有所降低，中孔隙含量略有下降，而小孔隙的含量有所上升;掺入质量比例为20%的橡胶粒后，3#试样的T2曲线只存在两个峰，且峰值相对于2#试样出现了较大幅度的下降，说明在进一步增加橡胶粒掺和量后试样的大裂隙完全被填充，且中小孔隙也相继减少，试样的密实程度显著提高;掺入30%橡胶粒复合混凝土T2曲线又重新出现了第三个峰，相对于3#试样，其第一个峰升高，第二个峰基本不变，表明试件中掺入30%的橡胶粒后，试样重新出现了大孔隙（裂隙），小孔隙数量有所增加。

谱面积是指T2分布曲线与横轴包围的面积。不同橡胶掺入量的混凝土T2分布谱面积能表示内部孔隙体积的分布规律，T2分布谱中各峰所占比例可以反映小、中或大孔（裂隙）的体积占总孔隙体积比例。不同橡胶掺和量试样的T2分布谱的面积和不同尺寸孔隙所占比例见表2。首先，T2分布谱的面积随橡胶粒含量增加呈现先减后增的趋势，在掺量为20%时达到最小值，说明20%掺量下的复合混凝土防渗性能最佳。其次，从三个峰的面积比例可以看出第三个峰的变化幅度最大，其变化规律与渗透高度有很好的一致性。因此，大孔隙（裂隙）的發育程度是混凝土防渗性能的关键影响因素。

2.3 防渗性能变化规律的机制

由试验结果可以看出橡胶废料对混凝土进行防渗性能改性，其效果可分为有利和不利两方面。 一方面，掺入一定量橡胶废料对大孔隙（裂隙）起到填充作用，可以有效提高材料的密实度，从而给防渗性能带来有利影响;另一方面，掺入过多橡胶浆料，混凝土的骨料与橡胶颗粒的接触界面占用大量凝胶材料，使砂浆的流动性降低，导致其密实度明显下降，孔隙的数量与规模反而增大，混凝土防渗性能下降。对比NMR的结果和渗透试验的扫描结果，发现在橡胶掺量为0～20%时，橡胶废料的有利改性效果占主导，掺量超过30%后，其不利效果占据主导。而大孔隙（裂隙）是控制防渗性能的主要因素，改性混凝土试样的大孔隙（裂隙）在橡胶掺量为20%时达到最小，此时其防渗性能也最佳，说明孔隙结构改变是混凝土防渗性能改善的根本内在原因。因此，对复合混凝土的性能改良时，橡胶粒径的含量是控制改性效果最重要的因素。

3 结 论

通过开展不同粒径与掺量的橡胶废料对混凝土的防渗性能进行改性，同时开展核磁共振扫描（NMR）试验，得到如下结论。

（1）掺入橡胶废料后，混凝土试件的防渗性能大幅改善，橡胶废料的粒径越小，防渗性能改善效果越好;随颗粒含量的增加，混凝土的防渗性能呈先增后减趋势。

（2）由NMR得到4种掺量的橡胶混凝土试样的T2分布曲线，曲线变化规律反映了在不同掺量的橡胶混凝土中，内部孔隙分布的变化规律：孔隙的发育程度随橡胶含量增加呈现先减后增趋势。

（3）当橡胶废料的掺量为20%时，孔隙发育程度最低，此时的渗透高度最小，说明橡胶对孔隙结构的改变是混凝土防渗性能改善的根本原因。

（4）在水泥砂浆中加入橡胶废料后，一方面对材料内大孔隙与裂隙起到填充作用;另一方面，橡胶与骨料的接触界面占用了大量凝胶材料，可使流动性降低，从而导致密实度下降。因此，控制橡胶废料的含量是提高防渗性能的关键因素。

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【责任编辑 崔潇菡】