KH-570对胶粉改性水泥砂浆力学性能的影响

郭宏伟， 王林龙

(招商局重庆公路工程检测中心有限公司， 重庆 400067)

废旧橡胶轮胎是伴随汽车工业迅速发展而产生的一种“黑色污染”，目前已成为全球性环境问题[1-2]。据中国橡胶工业协会统计表明，2020年我国废旧橡胶轮胎产量为1 390万t。废旧橡胶轮胎正规化、生态化回收利用，不仅有助于减少环境污染，还能较大程度节约自然资源。目前，橡胶轮胎的回收利用方式[3]主要有：直接利用、粉碎加工利用、热能利用。其中，粉碎加工成胶粉，因其工艺简单、无二次污染物排放，被广泛用于橡胶产业、建筑填料和水泥基材料改性等领域。胶粉具有较好的弹性，可改善水泥砂浆的脆性并提升其隔热保温、吸声、抗冲击、抗震和延展性等[4-5]。为此，通过在普通水泥砂浆中加入一定比例的胶粉，既能有效利用废旧橡胶，又可改善水泥砂浆的力学性能。但国内外相关研究[3,6-7]发现，胶粉对水泥砂浆的力学性能具有明显的抑制作用，一定程度上限制了该项技术的推广应用。

胶粉改性水泥砂浆可视为一种由刚性体和弹性体共同组成的复合材料，它不仅改变了材料内部的微观结构，同时又形成了胶粉-水泥石新界面，而界面直接影响基体相和分散相间的传递性，从而影响复合材料的整体性能[8]。为此，有学者基于材料界面对胶粉改性水泥砂浆的力学性能展开研究，如利用正硅酸乙酯[1]、马来酸酐[9]、氢氧化钠[1,10]等对胶粉颗粒表面进行活化处理，以此增强胶粉与水泥石界面的粘合度，从而提高材料整体的强度。

由于胶粉颗粒表面极性较低且具有一定的憎水性，本文采用硅烷偶联剂KH-570对胶粉颗粒表面进行活化处理，通过试验对比分析普通水泥砂浆、未活化胶粉改性水泥砂浆、活化后胶粉改性水泥砂浆的抗压强度与抗折强度，并基于傅里叶变换衰减全反射红外光谱ATR-FTIR，分析活化前后胶粉颗粒表面官能团的变化情况，同时利用扫描电镜SEM观测了活化胶粉表面形态以及胶粉-水泥石的界面微观形貌，从界面作用机理上探究硅烷偶联剂KH-570对胶粉改性水泥砂浆力学性能的影响。

1 试验

1.1 原材料

1) P·O 42.5普通硅酸盐水泥的技术性能检测结果见表1。采用XRF试验分析水泥的主要化学组成，结果见表2。ISO标准砂由厦门艾思欧标准砂有限公司生产；水为可饮用自来水。

表1 水泥主要技术性能

表2 水泥化学组成

2) 胶粉由四川都江堰市华益橡胶有限公司生产，依据《硫化橡胶粉国家标准》(GB/T 19208—2020)测其技术性能，结果见表3。

表3 胶粉颗粒主要技术性能

3) 硅烷偶联剂KH-570(γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷)性能参数：相对密度1.040 g/cm3，折光率1.429%，沸点255 ℃，闪点88 ℃。

1.2 试验方法

1.2.1 胶粉活化处理

采用KH-570对胶粉表面进行活化处理，试验步骤如下：1) 将质量为m1的硅烷偶联剂溶解于70%质量分数的乙醇溶液中，室温下搅拌10 min后静置待用；2) 将质量为m2的胶粉加入到硅烷偶联剂-乙醇溶液中，充分搅拌10 min后置于80 ℃烘箱中4 h直至其面干状态，制备得到表面活化的胶粉。

胶粉表面活化效果与KH-570浓度有关，相关研究[11]认为KH-570浓度宜为胶粉质量m2的0.5%～1.5%。本文采用KH-570质量m1为待活化胶粉质量m2的1.0%。

1.2.2 试件成型及性能测试

1) 配合比设计

试验方案包括基准组A、试验组B(未活化)、试验组C(活化)。基准组A配合比按照水∶水泥∶标准砂=1∶2∶6成型试件。试验组B在基准组A的条件上，将胶粉等体积代替标准砂[7]。标准砂表观密度2.610 g/cm3，胶粉代替标准砂体积比10%。试验组C除胶粉表面活化处理不同外，砂浆配合比与试验组B保持不变，保证在水灰比以及骨料总体积相同的条件下进行各种性能比较。橡胶砂浆配合比见表4。

表4 胶粉改性水泥砂浆配合比 g

2) 力学性能测试

依据《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)，成型40 mm×40 mm×160 mm的棱柱型水泥胶砂试件；连同试模置于20 ℃±3 ℃、RH≥90%条件下进行养护，24 h±3 h后取出脱模，然后将试件置于20 ℃±1 ℃的水池中养护。养护到一定龄期(3 d、7 d、28 d)后取出试件，测定其抗折、抗压强度。

1.2.3 ATR-FTIR试验

采用ATR-FTIR-650型傅里叶变换红外光谱仪采集活化前后胶粉的光谱数据；采集范围600 cm-1～4 000 cm-1，分辨率1.5 cm-1，扫描信号次数为32次。为消除图谱采集过程中引入的无关信息或噪音对试验结果分析的不利影响，采用OMNIC 7.3软件对所采集的胶粉原始图谱进行基线校正及平滑处理，降低基线漂移、外界噪音等对试验结果的影响[12]。

1.2.4 SEM观测

采用KYKY-2008B型扫描电子显微镜观测胶粉颗粒、胶粉-水泥石界面的微观形貌。采用养护龄期为28 d的试件，待其力学强度测试后，取其内部碎块并置于40 ℃烘箱中烘干。使用导电胶将碎块粘在载物台上进行表面镀铂处理，然后将其置于电镜舱内观测其形貌。

2 试验结果与分析

2.1 力学性能分析

普通水泥砂浆、胶粉改性水泥砂浆在3 d、7 d及28 d养护龄期条件下试件的抗压强度、抗折强度如图1所示。

(a) 抗压强度

由图1可知：

1) 与普通水泥砂浆(基准组A)相比，掺入未活化胶粉的水泥砂浆(试验组B)其抗压强度、抗折强度明显降低；其中，3 d龄期抗压强度、抗折强度降幅分别为35.9%、28.9%，7 d龄期降幅分别为18.5%、9.2%，而28 d龄期降幅分别为23.3%、2.7%。表明掺入10%胶粉对不同龄期水泥砂浆的抗压强度、抗折强度均表现出一定的抑制作用，且随养护龄期的增加，抑制程度呈减小趋势。另外，胶粉对抗压强度的影响程度明显大于对抗折强度的影响，该现象与已有研究成果[3,13]中结论一致。

2) 与未活化胶粉改性水泥砂浆(试验组B)相比，采用KH-570对胶粉表面活化处理后(试验组C)，可显著提高胶粉改性水泥砂浆的抗压强度、抗折强度。与未活化胶粉相比，活化后3 d抗压、抗折强度增幅分别达23.0%、12.5%，7 d强度增幅达17.1%、6.8%，28 d强度增幅达24.4%、13.9%。其中，龄期为28 d的活化胶粉改性水泥砂浆试件的强度接近于普通水泥砂浆(基准组A)。表明采用硅烷偶联剂KH-570对胶粉颗粒表面进行活化处理，可显著改善胶粉改性水泥砂浆的力学性能。

2.2 红外光谱分析

采用KH-570对胶粉进行表面处理，对比活化前后胶粉表面化学官能团的变化情况，结果如图2所示。

图2 KH-570活化前后胶粉的光谱

硅烷偶联剂是颗粒材料表面改性常用的试剂，因其兼具亲有机官能团和亲无极官能团性能，可较好地改善颗粒表面极性[14]。从图2可见，胶粉在2 920 cm-1和2 848 cm-1附近分别为-C-H键与-CH2-的伸缩振动[1]；采用KH-570改性后在1 790 cm-1处出现了亲水基团羰基C=O特征峰[14]，表明采用KH-570活化胶粉后，其表面接枝亲水基团且极性增强，可较好地与水泥基材料相容，从而有效提高胶粉改性水泥砂浆的力学性能。

2.3 微观形貌观测

采用扫描电镜SEM对KH-570活化前后胶粉颗粒表面形貌以及对应的胶粉-水泥石界面过渡区微观结构进行观测，如图3所示。

未活化、活化后胶粉颗粒微观形貌如图3(a)、(b)所示。胶粉颗粒表面形貌与其材质、加工工艺等有关，但针对同种胶粉颗粒而言，本文所采用的未活化胶粉其表面相对平整、光滑，如图3(a)所示；而采用KH-570活化后胶粉表面变得粗糙，同时形成层状吸附物并产生团聚现象[15]，如图3(b)所示。胶粉颗粒表面出现团聚、糙化现象，一定程度上增加了胶粉颗粒与水泥石之间的接触面积。

(a) 未活化胶粉颗粒

水泥石与未活化胶粉、活化胶粉界面的微观结构如图3(c)、(d)所示。发现未改性胶粉与水泥石之间存在较多微小裂纹，说明在胶粉改性水泥砂浆过程中，胶粉-水泥石界面结合相对薄弱，在外力作用下易产生裂纹。而经过KH-570活化后的胶粉颗粒，与水泥石之间结合相对紧密且无明显裂纹，表明活化后胶粉与水泥石界面形成较好化学键结合作用，较大程度增强了胶粉-水泥石界面的粘结强度，如图4所示。

图4 胶粉-水泥石界面化学键合作用

由图4可知，由于KH-570中的Si-O-CH3较为活泼，可水解形成Si-OH键，且Si-OH键进一步与水泥砂浆中的-OH发生反应，形成Si-O-Si键[13]，使胶粉有机材料与水泥砂浆无机材料较好地粘结在一起，从而提高胶粉改性水泥砂浆力学性能。

3 结论

1) 与普通水泥砂浆相比，添加10%骨料体积的胶粉后，水泥砂浆的抗折强度、抗压强度不同程度降低；其中28 d龄期强度降幅分别达23.3%、2.7%。胶粉对不同龄期水泥砂浆的抗压强度、抗折强度均表现出一定的抑制作用，且随养护龄期的增加，抑制程度呈减小趋势。

2) 采用KH-570对胶粉颗粒表面进行活化处理后，可显著改善胶粉改性水泥砂浆的力学性能。

3) 活化胶粉在1 790 cm-1处出现了亲水基团羰基C=O特征峰，其表面接枝亲水基团且极性增强，有利于提高胶粉颗粒在水泥砂浆中的分散性与相容性。

4) 未活化胶粉颗粒其表面相对平整、光滑，活化后其表面变得粗糙，同时产生团聚现象；活化胶粉与水泥石界面无明显裂纹，界面粘结强度增强。

5) KH-570通过改善胶粉-水泥石界面的粘结强度，可有效提高胶粉改性水泥砂浆的力学性能，有助于胶粉改性水泥砂浆的推广应用。