橡膠顆粒品質(zhì)對改性劑改性效果的影響研究

袁群，趙明，杜義超，馮凌云，李廣輝

（1.河南省水利科學(xué)研究院，河南鄭州 450003；2.鄭州大學(xué)，河南鄭州 450002；3.河南省水利工程安全技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，河南鄭州 450003；4.河南水利投資集團(tuán)有限公司，河南鄭州 450003）

橡膠顆粒品質(zhì)對改性劑改性效果的影響研究

袁群1，3，趙明2，杜義超2，馮凌云1，3，李廣輝4

（1.河南省水利科學(xué)研究院，河南鄭州 450003；2.鄭州大學(xué)，河南鄭州 450002；3.河南省水利工程安全技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，河南鄭州 450003；4.河南水利投資集團(tuán)有限公司，河南鄭州 450003）

試驗(yàn)研究了廢橡膠顆粒品質(zhì)對橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度及對改性劑改性效果的影響。結(jié)果表明，未改性前，摻加外胎橡膠顆粒混凝土的抗壓強(qiáng)度較低，而摻加內(nèi)胎和雜制品橡膠顆粒混凝土的抗壓強(qiáng)度較高；橡膠顆粒經(jīng)NaOH溶液和KH570改性后，摻加外胎橡膠顆?；炷恋目箟簭?qiáng)度增幅較大，而摻加內(nèi)胎和雜制品橡膠顆粒混凝土的抗壓強(qiáng)度卻大幅下降；對外胎橡膠顆粒而言，NaOH改性溶液的較優(yōu)濃度為1%～20%，KH570的較優(yōu)用量為0.5%～1.5%。

廢橡膠顆粒品質(zhì)；橡膠混凝土；抗壓強(qiáng)度；改性效果

0　引言

橡膠混凝土是一種新型混凝土材料，與普通混凝土相比，具有較好的抗裂與耐久性能及較低的抗壓強(qiáng)度[1]。為提高橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度，需要對橡膠顆粒進(jìn)行改性處理[2]，在橡膠顆粒的改性處理方式上，無機(jī)改性劑NaOH溶液和硅烷偶聯(lián)劑KH550、KH560、KH570系列是研究者最常用的2種改性劑[3-6]。目前，生產(chǎn)橡膠顆粒的原材料來源比較復(fù)雜，有廢舊汽車輪胎外胎、輪胎內(nèi)胎及其它橡膠制品等。它們在組成成分、添加劑及生產(chǎn)工藝等各方面都有較大差別。在橡膠成分上，外胎的橡膠主要以天然橡膠、丁苯橡膠和順丁橡膠為主要成分，內(nèi)胎多由丁丙橡膠和丁基橡膠制成[7]。由于橡膠成分的不同，使得外胎橡膠顆粒具有很強(qiáng)的彈性、強(qiáng)度和良好的耐熱、耐磨和絕緣性能；內(nèi)胎橡膠顆粒的彈性、強(qiáng)度、粘著性較差，但其透氣率低，氣密性優(yōu)異，其化學(xué)穩(wěn)定性、電絕緣性也很好。雜制品橡膠顆粒，由于其原材料來源比較混雜，化學(xué)成分也較為復(fù)雜，使得它與輪胎橡膠顆粒在性能上有所差異。因而，用改性劑處理橡膠顆粒時(shí)，由于橡膠顆粒品質(zhì)不同，其改性效果也會有所不同，對此問題需要深入研究。為此，針對廢舊汽車輪胎外胎橡膠顆粒（以下簡稱外胎橡膠顆粒）、廢舊汽車輪胎內(nèi)胎橡膠顆粒（以下簡稱內(nèi)胎橡膠顆粒）和雜制品橡膠顆粒，研究用這3種橡膠顆粒配制的橡膠混凝土和改性橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度，以探明橡膠顆粒品質(zhì)對混凝土性能及改性劑改性效果的影響。

1　試驗(yàn)

以C30普通混凝土為基準(zhǔn)混凝土，用外胎橡膠顆粒、內(nèi)胎橡膠顆粒及雜制品橡膠顆粒，單獨(dú)分別以10%和15%摻量等體積取代砂配制橡膠混凝土，并用NaOH和KH570改性劑處理上述橡膠顆粒后，配制相應(yīng)的改性橡膠混凝土，研究不同品質(zhì)橡膠顆粒及不同品質(zhì)改性橡膠顆粒對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1.1試驗(yàn)材料

水泥：河南孟電集團(tuán)生產(chǎn)的P·O42.5水泥；砂：河砂，細(xì)度模數(shù)2.65，表觀密度2500 kg/m3；石：石灰?guī)r碎石，5～20 mm連續(xù)級配，表觀密度2732 kg/m3；廢橡膠顆粒：外胎橡膠顆粒、內(nèi)胎橡膠顆粒及雜制品橡膠顆粒均由河南新鄉(xiāng)某橡膠廠生產(chǎn)，粒徑為1～3 mm；NaOH溶液：天津市北辰方正試劑廠生產(chǎn)；KH570：南京品寧牌；水：農(nóng)村井水。

1.2橡膠顆粒改性處理方法

（1）無處理：橡膠顆粒不經(jīng)過任何處理，直接使用。

（2）NaOH改性處理：分別以濃度為1%、5%、10%、15%、20%、25%的NaOH溶液浸泡橡膠顆粒24 h后，用清水沖洗，室外自然晾干備用。

（3）KH570改性處理：分別取橡膠顆粒質(zhì)量0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%的KH570，用適量的乙醇溶液稀釋后充分潤濕橡膠顆粒，晾干30 min備用。

1.3混凝土配合比

C30基準(zhǔn)混凝土、橡膠混凝土及改性橡膠混凝土的設(shè)計(jì)配合比見表1。

表1　混凝土的配合比

1.4試件成型與養(yǎng)護(hù)

試件采用上述不同的橡膠顆粒、改性處理方式和摻量，制作標(biāo)準(zhǔn)立方體（150 mm×150 mm×150 mm）試件，每組3個(gè)，共219個(gè)試件。按照DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中混凝土的成型和養(yǎng)護(hù)方法進(jìn)行試驗(yàn)試件的制備，并在試件28 d齡期時(shí)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1橡膠顆粒品質(zhì)對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響分析

基準(zhǔn)混凝土和10%、15%摻量橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度見表2。

表2　基準(zhǔn)混凝土和橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度

由表2可見，未摻橡膠顆粒的基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度為30.9 MPa；橡膠顆粒摻量為10%時(shí)，摻加外胎、內(nèi)胎和雜制品橡膠顆粒的混凝土抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土分別降低8.1%、7.8%、3.2%；橡膠顆粒摻量為15%時(shí)，摻加外胎、內(nèi)胎和雜制品橡膠顆粒的混凝土抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土分別降低17.2%、11.3%、13.6%。顯然，摻加外胎橡膠顆粒的混凝土抗壓強(qiáng)度下降幅度較大，而摻加內(nèi)胎和雜制品橡膠顆粒的混凝土抗壓強(qiáng)度下降幅度則較小。

分析認(rèn)為，橡膠顆粒屬有機(jī)材料，與無機(jī)水泥石的粘結(jié)性能較差，是導(dǎo)致橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度降低的一個(gè)重要原因，而橡膠顆粒中含有的硬脂酸鋅可以改善橡膠的硬化度[8]，品質(zhì)較好的外胎橡膠顆粒的硬脂酸鋅含量較大，內(nèi)胎和雜制品次之。硬脂酸鋅含量高，不利于橡膠顆粒與水泥石的粘結(jié)[9]，硬脂酸鋅含量低，情況正相反；另外，外胎橡膠顆粒表面光滑無明顯孔隙（見圖1），與水泥石粘結(jié)較差，而雜制品橡膠顆粒表面多孔隙，與水泥石粘結(jié)較好。

圖1　外胎橡膠顆粒與雜制品橡膠顆粒表觀BSE圖像

2.2橡膠顆粒品質(zhì)對改性效果的影響分析

2.2.1NaOH溶液改性

經(jīng)不同濃度NaOH溶液改性后，摻加外胎、內(nèi)胎橡膠顆粒的混凝土抗壓強(qiáng)度和含氣量分別見圖2～圖4。

圖2　NaOH溶液濃度對橡膠顆粒摻量為10%的混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖3　NaOH溶液濃度對橡膠顆粒摻量為15%的混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖4　NaOH溶液濃度對橡膠顆粒摻量為10%的混凝土含氣量的影響

由圖2可見，橡膠顆粒摻量為10%時(shí)，經(jīng)NaOH溶液改性后，摻加外胎、內(nèi)胎橡膠顆粒的混凝土抗壓強(qiáng)度有所提高，前者提高幅度較大，當(dāng)NaOH濃度為1%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度最高，較未改性混凝土提高了20%，隨著NaOH濃度繼續(xù)增大，改性效果變差；摻加雜制品橡膠顆粒的混凝土抗壓強(qiáng)度不增反降，NaOH濃度越高，改性效果越差。

由圖3可見，與橡膠顆粒摻量為10%摻量時(shí)相似，15%摻量的橡膠顆粒經(jīng)NaOH溶液改性后，摻加外胎橡膠顆粒混凝土的抗壓強(qiáng)度有所提高，當(dāng)NaOH濃度為1%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度最高，較未改性混凝土提高了12%；隨著NaOH濃度繼續(xù)增大，改性效果變差；摻加內(nèi)胎、雜制品橡膠顆粒混凝土的抗壓強(qiáng)度有所降低，NaOH濃度增大，改性效果變差，其中雜制品橡膠顆粒的改性效果最差。

宏觀上，不同品質(zhì)橡膠顆粒的改性效果與其含氣量變化有關(guān)，由圖4可見，摻加外胎和內(nèi)胎橡膠顆粒的混凝土拌合物的含氣量增幅較小，摻加雜制品橡膠顆粒的混凝土拌合物的含氣量增幅較大。本質(zhì)上，不同品質(zhì)橡膠顆粒的改性效果與橡膠顆粒性能（彈性、強(qiáng)度等）有關(guān)：由于輪胎對不同部位的橡膠性能要求不同，外胎橡膠顆粒性能較好，在混凝土中能吸收更多的能量，成分上含有較高的硬脂酸鋅，內(nèi)胎和雜制品橡膠顆粒性能較差，硬脂酸鋅含量相對較低。因此，經(jīng)NaOH溶液改性后，NaOH溶液可以從外胎橡膠顆粒表面中溶解析出更多的硬脂酸鋅，增大橡膠顆粒表面的粗糙度[9]，有利于橡膠顆粒與水泥石的粘結(jié)，提高橡膠混凝土的強(qiáng)度。但同時(shí)橡膠顆粒表面粗糙度的增加，又會增強(qiáng)橡膠顆粒的引氣作用，降低橡膠混凝土的強(qiáng)度。然而，最終改性橡膠混凝土強(qiáng)度是提高還是降低取決于上述2種作用的博弈，圖2、圖3中改性外胎橡膠混凝土強(qiáng)度提高較多，說明NaOH溶液對外胎橡膠顆改性的正面作用較大。

2.2.2KH570改性

經(jīng)KH570改性后，摻加外胎、內(nèi)胎橡膠顆粒的混凝土抗壓強(qiáng)度和含氣量分別見圖5～圖7。

圖5　KH570用量對橡膠顆粒摻量為10%的混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖6　KH570用量對橡膠顆粒摻量為15%的混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖7　KH570用量對橡膠顆粒摻量為15%的混凝土含氣量的影響

由圖5可見，10%摻量的橡膠顆粒經(jīng)KH570改性后，摻加外胎、內(nèi)胎橡膠顆?；炷恋目箟簭?qiáng)度均有所提高，二者相差不大，KH570用量為橡膠顆粒質(zhì)量的0.5%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度最高，前者較未改性混凝土提高了17%，后者較未改性混凝土提高了16%；摻加雜制品橡膠顆粒混凝土的抗壓強(qiáng)度有所下降，但隨KH570用量的變化不明顯。

由圖6可見，15%摻量的橡膠顆粒經(jīng)KH570改性后，摻加外胎、內(nèi)胎橡膠顆?；炷恋目箟簭?qiáng)度有所提高，KH570用量為0.5%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度最高，前者較未改性混凝土提高了15%，后者較未改性混凝土提高了5%；摻加雜制品橡膠顆?；炷恋目箟簭?qiáng)度有所降低，KH570用量越大，改性效果越差。

KH570一方面能夠在橡膠顆粒與水泥石之間形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵[10]，增強(qiáng)二者的粘結(jié)強(qiáng)度，提高橡膠混凝土的強(qiáng)度；另一方面也會增大橡膠混凝土的含氣量（見圖7），降低其強(qiáng)度。同樣，對外胎橡膠混凝土來講，KH570改性的正面作用較大，這也是KH570改性外胎橡膠混凝土強(qiáng)度提高的原因。

3　結(jié)語

（1）橡膠顆粒改性前，摻加外胎橡膠顆?；炷恋目箟簭?qiáng)度較小，而摻加雜制品橡膠顆粒混凝土的抗壓強(qiáng)度較大；橡膠顆粒改性后，摻加外胎橡膠顆?；炷恋目箟簭?qiáng)度明顯提高，而摻加雜制品橡膠顆?；炷恋目箟簭?qiáng)度明顯下降；摻加內(nèi)胎橡膠顆?；炷恋目箟簭?qiáng)度介于二者之間。

（2）3種橡膠顆粒相比，外胎橡膠顆粒的改性效果最好：與未改性相比，橡膠顆粒摻量為10%時(shí)，橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度最大增幅分別為20%（對應(yīng)NaOH濃度1%）和17%（對應(yīng)KH570用量0.5%）；橡膠顆粒摻量為15%時(shí)，橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度最大增幅分別為12%（對應(yīng)NaOH濃度1%）和15%（對應(yīng)KH570用量0.5%）。

（3）橡膠顆粒的改性效果與改性劑的濃度或用量有關(guān)，對外胎橡膠顆粒而言，NaOH改性溶液的較優(yōu)濃度為1%～20%，KH570的較優(yōu)用量為0.5%～1.5%。

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Study on the influence of rubber particles quality to modification effect of modifier

YUAN Qun1，3，ZHAO Ming2，DU Yichao2，F(xiàn)ENG Lingyun1，3，LI Guanghui4
（1.Henan Water Conservancy Science Academy，Zhengzhou 450003，China；2.Zhengzhou University，Zhengzhou 450002，China；3.Henan Key Laboratory of Hydraulic Engineering Security Technology，Zhengzhou 450003，China；4.Henan Water Conservancy Investment Group Co.Ltd.，Zhengzhou 450003，China）

The experiment studied the quality of the rubber particles on the influence of rubber concrete compressive strength and modifier modification effect.The results showed that compressive strength of concrete mixed with rubber tire particles was smaller than rubber concrete mixed with tube and miscellaneous products of rubber particles before modification.After rubber particles was modified by NaOH solution and KH570 solution，compressive strength of concrete added tire rubber particles increased larger，while compressive strength of concrete added tube and miscellaneous products of rubber particles had dropped significantly. For the tire rubber particles，the better concentration of NaOH modified solution is 1%～20%，and the better mass fraction of KH570 modified solution was 0.5%～1.5%.

quality of the rubber particles，rubber concrete，compressive strength，modification effect

TU528.2

A

1001-702X（2016）10-0049-04

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目（201301027）

2016-01-22；

2016-03-25

袁群，男，1966年生，湖南洞口人，教授級高級工程師，博士，研究方向：混凝土結(jié)構(gòu)新材料的開發(fā)與應(yīng)用。