一種表面改性膠粉混凝土性能的實(shí)驗(yàn)研究

焦俊婷 ，李清輝 ，許金鼓

(1.廈門理工學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院, 福建 廈門 361024；2.廈門博洋材料科技有限公司, 福建 廈門361000)

膠粉混凝土是用廢舊輪胎制成的膠粉取代普通混凝土中部分砂或者粗骨料制成的混凝土，是一種受關(guān)注的新型混凝土。將廢舊輪胎回收、粉碎、加工成膠粉，用在水泥混凝土中，不僅可以減少污染，還能循環(huán)利用，符合綠色環(huán)保發(fā)展理念?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明，膠粉混凝土具有抗凍性、保溫性、輕質(zhì)、耐磨性、抗?jié)B性、抗裂性和降噪等優(yōu)點(diǎn)[1-8]，已逐漸應(yīng)用于土木工程中，特別是路用工程(如機(jī)場(chǎng)跑道、公路工程等)中?，F(xiàn)有研究普遍認(rèn)為膠粉混凝土的強(qiáng)度隨膠粉摻量增加而降低，膠粉混凝土的變形能力隨膠粉摻量增加而有一定提高[1-5]；混凝土加入適量和一定細(xì)度的膠粉后，因膠粉具有一定彈性，故膠粉混凝土的抗裂、抗沖擊、耐磨、抗?jié)B等性能得以提高[2,6-8]。盡管膠粉混凝土具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但膠粉材料本身具有憎水性，同水相容性差，容易產(chǎn)生分層，使得膠粉混凝土抗壓強(qiáng)度下降，從而限制了膠粉混凝土的應(yīng)用。因此，改善和提高膠粉混凝土的性能成為當(dāng)今研究熱點(diǎn)之一。其中，膠粉表面改性則是改善膠粉混凝土性能的一個(gè)重要研究方向。為此，本文采用一種操作簡(jiǎn)便、宜行、實(shí)用的處理方法對(duì)膠粉進(jìn)行表面改性處理，用這種表面改性膠粉代替混凝土中部分砂或粗骨料，制成表面改性膠粉混凝土；此后進(jìn)行了表面改性膠粉與水的相容性試驗(yàn)、表面改性膠粉混凝土試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和表面改性膠粉混凝土試件氯離子抗?jié)B試驗(yàn)，以分析這種表面改性膠粉的性能，驗(yàn)證所采用表面改性膠粉的可行性、有效性和適用性。

1 試驗(yàn)材料及混凝土配合比

1.1 試驗(yàn)材料

1)膠粉。由廈門博洋材料科技有限公司提供，粒徑為60目，密度為1 130 kg/m3，表觀密度為1 020 kg/m3，吸水率小于11%。

2)水泥。采用標(biāo)號(hào)為 42.5 的普通硅酸鹽水泥，其表觀密度為3 075 kg/m3，堆積密度為1 380 kg/m3。

3)骨料。細(xì)骨料砂為河砂，連續(xù)級(jí)配，細(xì)度模數(shù)為 2.55，表觀密度為2 620 kg/m3，堆積密度為1 455 kg/m3，空隙率為43%。粗骨料石子采用 5～20 mm 連續(xù)級(jí)配碎石，其表觀密度為2 655 kg/m3，堆積密度為1 565 kg/m3，空隙率為42%。

4)摻合料。摻合料為GH 礦粉，礦物外觀為灰白色粉末狀，細(xì)度約1 210 m2/kg。

5)減水劑。采用 Sika-3301型高效減水劑，減水率為25%，密度為1 055 kg/m3，pH 值為6.91。

6)試驗(yàn)用水。為普通自來水。

1.2 混凝土配合比

試驗(yàn)依據(jù)膠粉的摻量不同共成型7 組試件，膠粉摻量(體積比)分別為 0%(基準(zhǔn)組)、3%、5%、7%、10%、12%和 15%。采用的混凝土配合比如表 1 所示。

表1 混凝土配合比及試件分組Table 1 Concrete mix proportions and specimens’ groups

2 試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證膠粉表面改性方法的可行性、有效性、適用性，分別進(jìn)行了表面改性膠粉與水的相容性試驗(yàn)、表面改性膠粉混凝土試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和表面改性膠粉混凝土試件氯離子抗?jié)B試驗(yàn)。

2.1 膠粉與水的相容性試驗(yàn)

將表面改性的60目膠粉、未表面改性的60目膠粉分別和水混合后，觀察膠粉在水中的分布、分層情況。

2.2 膠粉混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)過程如下：

1)試塊制作。按表1中混凝土配合比的不同進(jìn)行分組，每組制作12個(gè)邊長(zhǎng)100 mm的立方體試塊，澆注24 h后拆模，然后放在溫度為(20±1)℃，相對(duì)濕度≥95%的養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)到指定齡期3 d、7 d、28 d。

2)試塊測(cè)試方法。當(dāng)試塊在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至齡期后，將其放在壓力機(jī)底座中心上，按GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[9]規(guī)定進(jìn)行測(cè)試。以0.5～0.8 MPa ·s-1速度加荷，當(dāng)試塊破壞后，記錄最大荷載，計(jì)算得到試塊立方體抗壓強(qiáng)度值。

2.3 膠粉混凝土氯離子抗?jié)B試驗(yàn)

A.60 V直流穩(wěn)壓電源，精度±0.1 V；B.有機(jī)玻璃試模；C.銅網(wǎng)；D.Φ100 mm×50 mm混凝土試件； E.3.0%NaCl溶液；F.0.3 mol·L-1 NaOH溶液；G.數(shù)字式電流表，量程20 A，精度±1.0%；H.密封材料。圖1 混凝土試件通電試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Electrical test device for concrete specimens

采用天津市建筑科學(xué)研究院研制的氯離子滲透性測(cè)試儀，測(cè)量養(yǎng)護(hù)28 d不同混凝土配合比的圓柱形混凝土試件(Φ100 mm×50 mm)在60 V直流電壓下6 h通過的總電量，混凝土試件通電試驗(yàn)裝置示意圖見圖1。

試驗(yàn)過程為：

1)制作混凝土試塊，按混凝土配合比不同分組，每組制作6個(gè)Φ100 mm×50 mm的圓柱體試件，澆注24 h后拆模，然后放在溫度為(20±1)℃，相對(duì)濕度≥95%的養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)到28 d后取出，放在空氣中至表面干燥，再以樹脂密封材料施涂于試件側(cè)面。

2)干燥后進(jìn)行真空飽水，把試件放在真空干燥器中，啟動(dòng)真空泵，數(shù)分鐘后使真空度達(dá)到 133 Pa 以下，保持真空3 h后，維持這一真空度注入足夠的蒸餾水，至淹沒試件，浸泡1 h 后恢復(fù)常壓，繼續(xù)浸泡(18±2) h。

3)將試件從水中取出，抹掉多余水分，安裝于試驗(yàn)槽內(nèi)，用密封膠密封，并用螺桿將兩試驗(yàn)槽和試件夾緊(如圖1所示)，以確保不滲漏。

4)將濃度為3.0%的NaCL溶液、0.3 mol·L-1(相當(dāng)于1.2%質(zhì)量濃度)的NaOH溶液分別注入試件兩側(cè)的試驗(yàn)槽中(如圖1所示)，注入NaCL溶液的試驗(yàn)槽內(nèi)銅網(wǎng)連接電源負(fù)極，注入NaOH溶液的試驗(yàn)槽內(nèi)的銅網(wǎng)連接電源正極。

5)通過變壓器將220 V交流電電壓調(diào)至60 V的直流電電壓加在混凝土試件兩端，每隔30 min測(cè)量一次通過試件的電流，持續(xù)試驗(yàn) 6 h，按式(1)計(jì)算 6 h內(nèi)通過試件的總電量Q：

Q=I1+ 2I2+ 2I3+…+ 2I12+I13。

(1)

式(1)中:Q表示混凝土試件6 h通過的總電量,單位為C；I表示電流，單位為A。

采用馮乃謙等[10-11]給出的計(jì)算公式(2)，計(jì)算氯離子擴(kuò)散系數(shù)：

D=2.577 65+0.004 92Q。

(2)

式(2)中：D表示氯離子擴(kuò)散系數(shù)，單位為10-9cm2·s-1。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2 膠粉與水的相容性比較Fig.2 Compatibility of rubber powder with water

3.1 膠粉與水的相容性

將表面改性膠粉和水的相容結(jié)果與未表面改性膠粉和水的相容結(jié)果進(jìn)行比較，比較結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，在親水性方面，表面改性膠粉優(yōu)于未表面改性膠粉。

3.2 膠粉混凝土抗壓強(qiáng)度與變形性能

表面改性膠粉混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2可以看出，混凝土早期抗壓強(qiáng)度和后期抗壓強(qiáng)度隨著膠粉摻量的增加均有不同程度的降低。主要原因?yàn)椋耗z粉彈性模量較小，與混凝土中砂漿的彈性模量相比很小，在變形大小相同的情況下，膠粉的應(yīng)力比周邊砂漿體的應(yīng)力小得多，從而在周邊砂漿體中引起較大應(yīng)力集中,從而導(dǎo)致試件破壞。膠粉摻得越多，應(yīng)力集中現(xiàn)象會(huì)越嚴(yán)重，試件破壞越早，從而混凝土抗壓強(qiáng)度越低。此外，由于膠粉與水泥砂漿界面處存在大量微型氣泡，氣泡削弱了橡膠粉與水泥石的粘結(jié)，這也使得混凝土強(qiáng)度降低。

當(dāng)摻量超過5%時(shí),表面改性膠粉混凝土抗壓強(qiáng)度在試件受壓破壞后仍能保持完整性，并未發(fā)生整體性解體現(xiàn)象，表現(xiàn)出相對(duì)較好的變形性能。從表面改性膠粉混凝土試塊抗壓強(qiáng)度隨膠粉摻量的變化情況(圖 3)可看出，膠粉體積分?jǐn)?shù)從3%到5%組的抗壓強(qiáng)度下降梯度最大，表明膠粉混凝土較好變形性能的獲得是以強(qiáng)度為代價(jià)換來的。

表2 膠粉混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of compressive strength test of rubber power concrete

圖3 混凝土抗壓強(qiáng)度隨膠粉摻量變化Fig.3 Compressive strengths of concrete varying with change of rubber powder amount

3.3 膠粉混凝土氯離子抗?jié)B試驗(yàn)

表面改性膠粉混凝土氯離子抗?jié)B測(cè)試結(jié)果如表3、圖4和圖5所示。

表3 混凝土氯離子抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of chloride permeability test of concrete

圖4 混凝土導(dǎo)電量隨膠粉摻量的變化Fig.4 Concrete charge passed varying withchange of rubber powder amount

圖5 混凝土氯離子滲透性隨膠粉摻量的變化Fig.5 Chloride permeability of concrete varyingwith change of rubber powder amount

由表3、圖4和圖5可以看出，當(dāng)膠粉摻量≤10%時(shí)，其導(dǎo)電量隨膠粉摻量的增加而減少；氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨膠粉摻量的增加而減小；而當(dāng)膠粉含量>10%，其導(dǎo)電量隨膠粉摻量的增加而增加；氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨膠粉摻量的增加而增加。這表明摻入適量表面改性膠粉的混凝土具有較好的抗氯離子滲透能力。

摻入適量膠粉的混凝土具有較好的抗氯離子滲透能力，主要是因?yàn)樵谀z粉混凝土中，膠粉與水泥砂漿界面處存在大量密閉、互不連通的微型空氣泡*因?yàn)槟z粉在常規(guī)狀態(tài)下不會(huì)與混凝土中的其他材料和水化生成物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但是膠粉表面很粗糙，故膠粉摻加到混凝土中會(huì)在橡膠與水泥砂漿界面處產(chǎn)生大量密閉、互不連通的微型空氣泡群。具體可參見文獻(xiàn)[12] 。。盡管空氣泡的存在是膠粉混凝土抗壓強(qiáng)度降低的原因之一，但是空氣泡起到了切斷混凝土土內(nèi)毛細(xì)孔連續(xù)性的作用，使毛細(xì)管變得細(xì)小、曲折、分散，從而減少了滲透通道，阻礙了氯離子在混凝土中的擴(kuò)散，使混凝土的密實(shí)性和抗?jié)B性得到提高。膠粉含量大于10%組混凝土氯離子滲透性有劣化趨勢(shì)，可能是因?yàn)樵谀z粉高摻量情況下，過多的空氣泡會(huì)形成連續(xù)孔，從而對(duì)混凝土的耐久性、抗?jié)B性產(chǎn)生不良作用。

4 結(jié)論

為驗(yàn)證所采用的表面改性膠粉的性能，通過試驗(yàn)研究了表面改性膠粉與水的相容性、表面改性膠粉混凝土的抗壓強(qiáng)度及變形情況、表面改性膠粉混凝土抵抗氯離子的滲透性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1)表面改性膠粉與水的相容性得到提高。說明表面改性膠粉的親水性優(yōu)于未表面改性膠粉。

2)表面改性膠粉摻得越多，膠粉混凝土抗壓強(qiáng)度越低，表面改性膠粉含量從3%到5%組的抗壓強(qiáng)度下降梯度最大；當(dāng)表面改性膠粉摻量超過5%時(shí), 膠粉混凝土抗壓強(qiáng)度在試件受壓破壞后仍能保持完整性，表現(xiàn)出相對(duì)較好的變形性能?？梢姅v入適量的表面改性膠粉，膠粉混凝土的脆性變形性能會(huì)明顯改善。

3)當(dāng)表面改性膠粉摻量≤10%時(shí)，膠粉混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨膠粉摻量的增加而減??；而當(dāng)表面改性膠粉含量>10%，膠粉混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨膠粉摻量的增加而增加。

可見本文表面改性膠粉具有有效性、可行性和實(shí)用性。