真空熱處理對(duì)橡膠砂漿強(qiáng)度影響

張海波，丁雪晨，徐自立，王軍軍，張儀華，秦文軒，管學(xué)茂

(河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，焦作　454000)

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真空熱處理對(duì)橡膠砂漿強(qiáng)度影響

張海波，丁雪晨，徐自立，王軍軍，張儀華，秦文軒，管學(xué)茂

(河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，焦作454000)

目前，提高橡膠混凝土力學(xué)性能的措施主要是對(duì)橡膠顆粒進(jìn)行表面改性。在本研究中，通過(guò)真空熱處理(vacuum heat-treatment，VHT)的方法來(lái)提高橡膠砂漿的力學(xué)性能。結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)真空熱處理后，橡膠砂漿的抗折、抗壓強(qiáng)度提高。摻入用NaOH溶液預(yù)處理后的橡膠顆粒，砂漿強(qiáng)度提高更加顯著。這是由于橡膠顆粒在一定溫度下會(huì)部分分解，而分解產(chǎn)物改善了橡膠顆粒與水泥之間的粘結(jié)。NaOH對(duì)橡膠顆粒的熱分解起到催化作用。橡膠顆粒越小，越容易分解。

橡膠砂漿； 真空熱處理； 抗折強(qiáng)度； 抗壓強(qiáng)度； 分解

1　引　言

目前，將廢舊輪胎加工成橡膠顆粒摻入到水泥混凝土或其他建筑制品中，是對(duì)廢舊輪胎回收利用的一條有效途徑。近十年來(lái)，許多學(xué)者重點(diǎn)研究了橡膠混凝土的各種性能，研究結(jié)果表明：與普通混凝土相比，橡膠混凝土的單位質(zhì)量較輕[1,2]，彈性模量較小[3,4]，韌性較高[5,6]，耐火性能[7]、耐熱性[8]較好，凍融性能明顯提高；而抗折、抗壓強(qiáng)度卻顯著降低。這主要是由于：(1)橡膠顆粒與水泥之間的彈性模量差距很大，容易導(dǎo)致應(yīng)力集中；(2)橡膠顆粒與水泥漿體之間缺乏有效的粘結(jié)。

而通過(guò)對(duì)橡膠顆粒表面進(jìn)行改性，可以有效地提高橡膠顆粒與水泥漿體之間的結(jié)合。這點(diǎn)許多學(xué)者都已驗(yàn)證。Eldin等[9]用堿性溶液(NaOH)浸泡和沖洗橡膠粉表面，處理后的橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度與未處理相比提高了16%；Rostami[10]則使用四氯化碳以及水和乳液混合物來(lái)清洗橡膠顆粒，抗壓強(qiáng)度與未處理相比都有所提高；管學(xué)茂等[11]使用了Si-69偶聯(lián)劑來(lái)對(duì)橡膠粉進(jìn)行改性，橡膠砂漿的抗折抗壓強(qiáng)度達(dá)到了空白試樣的91.5%、99.8%。但在Albano等[12]的研究中，摻入經(jīng)NaOH溶液改性后的橡膠顆粒后，混凝土的力學(xué)性能并沒(méi)有顯著提高。

研究表明橡膠在一定溫度下會(huì)產(chǎn)生分解，而分解產(chǎn)物與水泥漿體之間的粘結(jié)良好[13]。因此,本研究采用真空熱處理方法來(lái)加強(qiáng)橡膠顆粒與水泥漿體的結(jié)合，研究了其對(duì)水泥砂漿強(qiáng)度性能影響。

2　試　驗(yàn)

2.1試驗(yàn)原料

本試驗(yàn)所用原材料為細(xì)集料、水泥和橡膠顆粒。細(xì)集料為天然砂，最大粒徑4.75 mm，細(xì)度模數(shù)2.7；水泥為42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；試驗(yàn)采用兩種不同粒徑的橡膠顆粒，5目橡膠顆粒的粒徑在3～5 mm之間，100目橡膠顆粒的粒徑小于0.2 mm，由載重卡車(chē)廢舊輪胎胎面膠破碎而得。兩種橡膠顆粒表面處理參照文獻(xiàn)[11]所述方法，使用飽和的NaOH溶液浸泡24 h，過(guò)濾烘干。

2.2配合比

橡膠顆粒以不同粒徑、不同摻量等體積取代砂子，具體配合比見(jiàn)表1。編號(hào)中M表示砂漿；R表示橡膠；TR表示摻入的橡膠顆粒經(jīng)過(guò)NaOH溶液表面改性。例如：MR5-2表示5目橡膠顆粒以2%的體積率等體積取代砂摻入砂漿中；而MTR100-10表示經(jīng)NaOH溶液表面處理過(guò)的100目橡膠顆粒以10%的體積率等體積取代砂摻入砂漿中。水灰比固定為0.5。

表1普通砂漿和橡膠砂漿配合比

Tab.1Mixture proportions for control mortar and rubberized mortar

MortarmixCement(g)Sand(g)Water(g)Untreated/treatedrubber(g)MR01350±24050±5675±10MR100-2MTR100-21350±23969±5675±118±1MR100-5MTR100-51350±23848±5675±145±1MR100-10MTR100-101350±23645±5675±190±1MR100-20MTR100-201350±23240±5675±1180±1MR5-21350±23969±5675±133±1MR5-51350±23848±5675±182±1MR5-101350±23645±5675±1165±1MR5-201350±23240±5675±1330±1

2.3試樣的制備

將砂子、水泥、橡膠骨料按表1所示的配合比在砂漿攪拌機(jī)中先干拌60 s，再加入水，攪拌120 s。將拌合物在40 mm×40 mm×160 mm的鋼模中成形，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)1 d后脫模，繼續(xù)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至28 d，取出進(jìn)行下一步試驗(yàn)。

2.4VHT處理

將養(yǎng)護(hù)至28 d的試樣取出后，對(duì)照表2，一部分直接進(jìn)行抗折、抗壓試驗(yàn)；另一部分在真空中加熱至250 ℃并保溫6 h或者加熱至280 ℃并保溫3 h。取出試樣后冷卻至室溫。

2.5砂漿強(qiáng)度測(cè)試

參照GB/T 17671-1999方法進(jìn)行抗折抗壓強(qiáng)度測(cè)試和數(shù)據(jù)處理。

3　結(jié)果與討論

3.1抗折強(qiáng)度

抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2所示?？梢钥闯?，摻入橡膠顆粒后，砂漿的強(qiáng)度降低，這與其他學(xué)者的研究結(jié)果相同。經(jīng)VHT處理過(guò)的試樣的抗折強(qiáng)度大于未經(jīng)VHT處理的試樣；經(jīng)VHT處理的普通砂漿的抗折強(qiáng)度較未處理的在250 ℃和280 ℃下分別增長(zhǎng)了6.25%和4.15%；經(jīng)VHT處理過(guò)后，橡膠砂漿的抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度大于普通砂漿。

表2普通砂漿和橡膠砂漿的VHT處理

Tab.2VHT programs for control mortar mix and rubberized mortar mixes

MortarmixHighesttreatingtemperature(℃)Holdingtime(h)MortarmixHighesttreatingtemperature(℃)Holdingtime(h)MR02506MR02803MR100-22506MR100-22803MR100-52506MR100-52803MR100-102506MR100-102803MR100-202506MR100-202803MTR100-22506MR5-22803MTR100-52506MR5-52803MTR100-102506MR5-102803MTR100-202506MR5-202803

圖1所示結(jié)果表明， NaOH溶液表面改性對(duì)橡膠砂漿抗折強(qiáng)度的改善并不明顯。經(jīng)熱處理后，經(jīng)NaOH表面改性的橡膠砂漿與未改性橡膠砂漿相比抗折強(qiáng)度提高，橡膠摻量越大，這種趨勢(shì)越顯著。MR100-2、MR100-5、MR100-10和MR100-20在經(jīng)VHT處理后，與未經(jīng)VHT處理的抗折強(qiáng)度分別提高13.64%、20.63%、6.43%和3.37%。而經(jīng)NaOH表面改性處理后，MTR100-2、MTR100-5、MTR100-10和MTR100-20在經(jīng)VHT處理后，較未經(jīng)VHT處理的抗折強(qiáng)度分別提高21.13%、8.50%、7.82%和19.90%。

圖2所示為橡膠顆粒粒徑對(duì)砂漿抗折強(qiáng)度的影響。摻有5目橡膠顆粒試樣的抗折強(qiáng)度較摻有100目的抗折強(qiáng)度高。經(jīng)280 ℃VHT處理后，得出的結(jié)論卻相反。經(jīng)VHT處理后，MR100-2、MR100-5、MR100-10和MR100-20與未經(jīng)VHT處理的試樣相比，抗折強(qiáng)度分別提高14.24%、18.72%、17.86%和21.35%。而MR5-2、MR5-5、MR5-10和MR5-20抗折強(qiáng)度分別提高11.11%、0.93%、8.33%和3.55%。

圖1　250 ℃VHT處理前后的改性和未改性100目橡膠砂漿的抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果折線(xiàn)圖Fig.1　The flexural strength of modified/unmodified 100 mesh rubber mortar mixes before/after heat treatment at 250 ℃

圖2　摻有5目和100目橡膠砂漿在經(jīng)過(guò)280 ℃VHT處理前后的抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果折線(xiàn)圖Fig.2　The flexural strength of 100 mesh and 5 mesh rubber mortar specimens before/after heat treatment at 280 ℃

3.2抗壓強(qiáng)度

圖3、圖4所示為試樣的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，得出與之前其他研究試驗(yàn)結(jié)果相同的結(jié)論。橡膠顆粒等體積取代砂摻入砂漿中，試樣的抗壓強(qiáng)度降低。而經(jīng)VHT處理后，可以有效的提高橡膠砂漿的抗壓強(qiáng)度。

如圖3所示，經(jīng)VHT處理后，MR0，MR100-2、MR100-5、MR100-10和MR100-20與未經(jīng)VHT處理的試樣相比，抗壓強(qiáng)度分別增加了5.21%、31.89%、13.92%、7.68%和7.89%。而摻入經(jīng)NaOH處理過(guò)的橡膠顆粒，MTR100-2、MTR100-5、MTR100-10和MTR100-20在經(jīng)VHT處理后，抗壓強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了30.05%、15.07%、21.08%和17.49%。由此，橡膠顆粒的表面改性對(duì)VHT處理后的試樣的抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)起到了促進(jìn)作用。

在圖4中，經(jīng)VHT處理后，摻入100目橡膠顆粒試樣的抗壓強(qiáng)度大于摻入5目橡膠顆粒的試樣。280 ℃下恒溫3 h，MR100-2、MR100-5、MR100-10和MR100-20與未經(jīng)VHT處理的試樣相比，抗壓強(qiáng)度分別增大了5.21%、32.15%、13.90%和27.10%。而相同條件下，MR5-2、MR5-5、MR5-10和MR5-20與未經(jīng)VHT處理的試樣相比，抗壓強(qiáng)度分別增大了12.46%、3.62%、7.03%和3.47%。

圖3　250 ℃VHT處理前后的改性和未改性100目橡膠砂漿的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果折線(xiàn)圖Fig.3　Compressive strength of modified/unmodified 100 mesh rubber mortar specimens before/after heat treatment at 250 ℃

圖4　摻有5目和100目橡膠砂漿在經(jīng)過(guò)280 ℃VHT處理前后的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果折線(xiàn)圖Fig.4　Compressive strength of 100 mesh and 5 mesh rubber mortar specimens before/after heat treatment at 280 ℃

3.3結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)真空熱處理后的橡膠砂漿強(qiáng)度的影響因素主要有兩個(gè)。首先，由圖1～4中普通砂漿對(duì)照組可以看出，在真空250 ℃或280 ℃處理下，砂漿基體強(qiáng)度普遍較未處理的大；第二，橡膠骨料在熱作用下會(huì)有所膨脹，同時(shí)有部分降解，降解的橡膠具有一定的粘性[13]，這使橡膠水泥基體界面孔隙減小，界面結(jié)合得到加強(qiáng)，橡膠砂漿抗壓抗折強(qiáng)度明顯提高。橡膠水泥基體界面熱處理前后的SEM觀測(cè)結(jié)果(圖5)證明了以上分析。熱處理的方法改善橡膠水泥基體界面，為充分利用橡膠混凝土優(yōu)良性能，同時(shí)不強(qiáng)烈降低混凝土強(qiáng)度提供了一種新的途徑，可以在水泥混凝土制品制備方面進(jìn)行應(yīng)用。

圖5　橡膠硬化水泥漿體界面的掃描電鏡照片(a)R.T; (b) 250 ℃Fig.5　SEM images of rubber-hardened cement paste interface (a)R.T; (b) 250 ℃

摻入經(jīng)NaOH溶液表面改性的橡膠顆粒的試樣，經(jīng)VHT(250 ℃下恒溫6 h)處理后，強(qiáng)度大于摻入未處理的橡膠顆粒試樣的。這是由于NaOH對(duì)砂漿中橡膠顆粒的受熱分解起到促進(jìn)作用。

而摻入5目橡膠顆粒的橡膠砂漿的強(qiáng)度大于摻入100目橡膠顆粒的。橡膠含量越大，這種趨勢(shì)越顯著。但在280 ℃下恒溫3 h后，得到的結(jié)果卻相反。造成此現(xiàn)象的原因可能是：100目橡膠顆粒的比表面積大于5目橡膠顆粒的。當(dāng)摻入砂漿中，100目橡膠顆粒會(huì)與水泥漿體之間形成較大的弱界面區(qū)。經(jīng)VHT處理后，與5目橡膠顆粒相比，100目橡膠顆粒更容易受熱分解，使得100目橡膠顆粒比5目的與水泥表面的粘結(jié)更強(qiáng)。

4　結(jié)　論

(1)經(jīng)真空熱處理后，摻量相同的橡膠砂漿的抗折、抗壓強(qiáng)度大于未經(jīng)真空熱處理的。摻入經(jīng)NaOH溶液表面改性的橡膠顆粒的橡膠砂漿的抗折、抗壓強(qiáng)度大于摻入未經(jīng)NaOH溶液表面改性的橡膠顆粒的橡膠砂漿的；

(2)與摻入100目橡膠顆粒相比，摻入5目橡膠顆粒的橡膠砂漿的力學(xué)性能較好。但在經(jīng)過(guò)真空處理后，得到的結(jié)果卻相反。

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Effect of Vacuum Heat-treatment on the Strength of Rubberized Mortar

ZHANGHai-bo,DINGXue-chen,XUZi-li,WANGJun-jun,ZHANGYi-hua,QINWen-xuan,GUANXue-mao

(College of Materials Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China)

The previous methods of improving the strength of rubberized concrete are surface modifications of the rubber particles. In this paper, the vacuum heat-treatment (VHT) method is used to improve the strength of rubberized mortar. The obtained results show that the VHT can raise the flexural and compressive strength of rubberized mortars. The rising are more obvious on the rubberized mortars incorportiating pretreated rubber particles with NaOH or smaller size rubber particles. The reasons may be that the rubber will partially decompose at heat-treatment temperature and the decomposition products can enhance the adhesion between rubber and cement, the NaOH can catalyze the decomposition of rubber, and the smaller rubber particle is easier to decompose.

rubberized mortar;vacuum heat-treatment;flexural strength;compressive strength;decomposition

國(guó)家自然基金(U1204513)

張海波(1974-)，男，博士，副教授.主要從事廢舊物在水泥混凝土中應(yīng)用的相關(guān)研究

管學(xué)茂，教授，博導(dǎo).

TU528

A

1001-1625(2016)05-1637-05