废旧橡胶铁尾矿砂砂浆力学性能

赵江山，武立伟，张会峰，张丽素

(1.华北理工大学 建筑工程学院，河北 唐山 063210；2.河南亚新投资集团，河南 郑州 450000；3.唐山昊宇建筑设计有限公司，河北 唐山 063000)

引言

橡胶铁尾矿砂砂浆由水泥、铁尾矿砂、废旧橡胶集料、水经过均匀搅拌制成。国内外学者对橡胶砂浆进行了大量试验研究，试验研究结果表明[1-3,6-10]：橡胶颗粒性能稳定，表面具有憎水性，表观密度与水相近，掺入橡胶的砂浆与普通砂浆相比，韧性、抗冲击性显著提高，但强度有所降低。

混凝土作为世界上最基本的建筑材料之一，其75%的体积由天然砂、石组成，混凝土的大量使用造成天然砂、石处于日益枯竭的困境。与此同时，在矿山选矿过程中，产生数量巨大的铁尾矿砂，铁尾矿砂已成为我国产出量最大、利用率最低的工业固体废弃物之一，其储存占用大面积土地并严重污染生态环境。已有研究结果表明[4, 5]，铁尾矿砂在物理化学性质、矿物成分、坚固性等方面符合建筑用砂质量要求，其代替天然砂应用到建筑行业中，既可以解决天然砂的枯竭问题，又可以实现废物利用，而且绿色环保。

目前，关于废旧橡胶集料和铁尾矿砂共同制备砂浆的研究较少，故该项目对废旧橡胶铁尾矿砂砂浆的力学性能进行试验研究，并对其力学性能变化机理进行分析。

1材料基本特性与试验设计

1.1 试验原材料

水：普通自来水；铁尾矿砂：细度模数2.2，含水率0.5%，表观密度为2 939 kg/m3，堆积密度为1 475 kg/m3，铁尾矿砂级配曲线如图1所示；水泥：冀东水泥股份有限公司的普通42.5级硅酸盐水泥；橡胶：5目橡胶的表观密度是1 163 kg/m3，40目橡胶的表观密度是1 116 kg/m3，橡胶集料级配曲线如图2所示。

图1 铁尾矿砂级配曲线 图2 橡胶集料级配曲线

1.2 试验配合比

砂浆配合比为水泥：铁尾矿砂：水=1:2:0.5，橡胶集料等体积取代铁尾矿砂，取代量分别为0%、10%、20%、30%和40%，具体砂浆配合比见表1与表2。

表1 40目橡胶铁尾矿砂砂浆配合比

表2 5目橡胶铁尾矿砂砂浆配合比

1.3 试验方法

按既定的配合比称量水泥、铁尾矿砂、橡胶集料，然后依次慢慢倒入水泥胶砂搅拌机中，待搅拌均匀后，再加入水，继续搅拌，砂浆搅拌均匀时停止搅拌，将搅拌好的砂浆倒入40 mm×40 mm×160 mm模具中，并用铲子把搅拌机内壁附着的砂浆清理干净，并置于振动台上振动密实成型，标准养护3 d、7 d、28 d后，对试件进行力学性能试验。

2试验结果

图3为不同橡胶颗粒取代量下，5目和40目橡胶铁尾矿砂砂浆稠度曲线。

2.1 砂浆稠度试验结果及分析

由图3可知，两者均近似呈线性关系。随着橡胶颗粒取代量增加，40目橡胶砂浆的稠度值逐渐降低，而5目橡胶砂浆的稠度值逐渐升高。出现图3所示现象的主要原因是：橡胶颗粒相当于引气剂，橡胶颗粒周围的气泡与拌合物之间产生滚珠效应，摩擦阻力减小，稠度值变大。但是在搅拌过程中粗糙的橡胶颗粒表面导致吸附更多水，降低砂浆稠度。40目橡胶颗粒由于粗糙表面吸附水导致的稠度降低幅度大于滚珠效应引起稠度值升高的幅度，而5目橡胶颗粒正好相反，所以，随着橡胶颗粒掺量的增加，40目橡胶砂浆的稠度值逐渐降低。而5目橡胶砂浆的稠度值逐渐升高。

图3 橡胶铁尾矿砂砂浆稠度图

2.2 砂砂浆力学性能试验结果

图4所示为3 d砂浆抗压强度，图5所示为7 d砂浆抗压强度，图6所示为28 d砂浆抗压强度。

图4 3 d砂浆抗压强度 图5 7 d砂浆抗压强度

图6 28 d砂浆抗压强度

由图4～图6可以看出，当橡胶颗粒取代量增大时，40目和5目的橡胶铁尾矿砂砂浆的抗压强度均降低。当橡胶颗粒取代量少于20%时，40目和5目的橡胶铁尾矿砂砂浆3 d、7 d的抗压强度相差不大；当取代量多于20%，养护龄期为3 d、7 d时，40目橡胶铁尾矿砂砂浆的抗压强度小于5目的抗压强度，养护龄期是28 d时，40目和5目橡胶铁尾矿砂砂浆抗压强度非常接近。当橡胶颗粒取代量是40%时，40目橡胶铁尾矿砂砂浆3 d、7 d和28 d的抗压强度较未掺橡胶的砂浆强度分别降低69.9%、71.5%和76.0%，5目橡胶铁尾矿砂水泥砂浆3 d、7 d、28 d的抗压强度较未掺橡胶的砂浆强度分别降低了62.7%、67.6%和73.7%。

图7所示为3 d砂浆抗折强度，图8所示为7 d砂浆抗折强度，图9所示为28 d砂浆抗折强度。

图7 3 d砂浆抗折强度 图8 7 d砂浆抗折强度

图9 28 d砂浆抗折强度

由图7～图9可以看出，当橡胶颗粒取代量增大时，40目和5目的橡胶铁尾矿砂砂浆抗折强度均降低。当橡胶颗粒取代量少于20%时，在等同配合比的情况下，5目橡胶铁尾矿砂砂浆的抗折强度低于40目橡胶铁尾矿砂砂浆的抗折强度。多于20%时，两者抗折强度相近。当橡胶颗粒取代量是40%时，40目橡胶铁尾矿砂水泥砂浆3 d、7 d和28 d的抗折强度较未掺橡胶的砂浆强度分别降低46.5%、50%和56.8%，5目橡胶铁尾矿砂水泥砂浆3 d、7 d和28 d的抗压强度较未掺橡胶的砂浆强度分别降低了48.8%、48.3%和58.9%。未掺橡胶的砂浆强度分别降低了62.7%、67.6%和73.7%。

将砂浆的韧性大小用折压比来表示，砂浆的韧性指数随着其折压比数值的增大而增大，随着橡胶集料取代量增加，砂浆的折压比增大，即砂浆韧性越来越好，且在同一配合比下，40目橡胶铁尾矿砂砂浆的韧性比5目的更好。

图10所示为3 d折压比，图11所示为7 d折压比，图12所示为28 d折压比。

图10 3 d折压比 图11 7 d折压比

图12 28 d折压比

图13～图16分别为5目和40目橡胶铁尾矿砂砂浆抗压与抗折强度。

图13 40目橡胶铁尾矿砂砂浆抗压强度 图14 40目橡胶铁尾矿砂砂浆抗折强度

当养护龄期从3 d到7 d时，不同取代量的40目橡胶砂浆增长幅度相似，除取代量为40%的5目橡胶砂浆抗压强度增长速度相对较慢外，其他取代量的5目橡胶砂浆抗压强度增长速度比较接近，不同取代量的40目橡胶砂浆抗折强度增长速度接近，取代量为30%的5目橡胶砂浆抗折强度增长较快。养护龄期从7 d到28 d时，40目橡胶取代量是0%和10%时，砂浆的抗压强度增长较快，5目橡胶取代量是0%、10%、20%时，砂浆抗压强度的增长幅度较大，取代量是30%和40%的40目和5目橡胶砂浆抗折强度增长较慢，总体来说，相同时间内，砂浆的抗压强度增长速度大于抗折强度的增长速度。

图15 5目橡胶铁尾矿砂砂浆抗压强度 图16 5目橡胶铁尾矿砂砂浆抗折强度

2.3 试验结果分析

橡胶是一种有机高分子物质，不能与水泥生成有粘结强度的物质，导致橡胶与水泥水化产物结合能力较弱。在砂浆中掺入橡胶，相当于在砂浆中加入软点，所以橡胶砂浆的抗压强度随着橡胶颗粒取代量的增加而降低。由于40目橡胶颗粒比5目橡胶颗粒的比表面积大，砂浆内的薄弱接触面面积大，导致其强度降低量更大。橡胶铁尾矿水泥砂浆块损坏时，橡胶颗粒产生大变形，吸收能量，防止裂缝的进一步扩展，从而提高砂浆的韧性。

3结论

(1)橡胶颗粒取代量增大，橡胶铁尾矿砂砂浆的抗压强度和抗折强度均随之降低。

(2)养护龄期为3 d、7 d和28 d，橡胶砂浆的抗压强度增长速度均大于抗折强度的增长速度。

(3)40目橡胶铁尾矿砂砂浆的稠度随着取代量的增加而减小，5目橡胶铁尾矿砂砂浆的稠度随着取代量的增加而增大。

(4)橡胶颗粒取代量越大，橡胶铁尾矿砂砂浆的韧性指数也越大。