摻橡膠顆粒的玻化微珠保溫砂漿抗凍性能研究

蔣連接 朱方之 馬 靜 高 立 施 云

（宿遷學(xué)院建筑工程學(xué)院，宿遷223800）

0 引 言

我國(guó)每年產(chǎn)生大量的的廢橡膠，并以5%～8%的速度增長(zhǎng)。統(tǒng)計(jì)表明，2018 年我國(guó)產(chǎn)生廢橡膠輪胎約3.8億條，重達(dá)1 400多萬(wàn)噸，報(bào)廢的摩托車胎、電動(dòng)車胎、膠管、膠鞋和橡膠墊圈等廢橡膠制品亦有幾百萬(wàn)噸。廢橡膠是可以再生利用的寶貴資源，將其破碎成橡膠顆粒應(yīng)用于普通混凝土、瀝青混凝土、砂漿、防水材料以及其他建筑材料中，既能處理大量廢橡膠，又能改善材料性能，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益［1］。

玻化微珠保溫砂漿是一種綠色節(jié)能的建筑材料，保溫隔熱性能、防火性能、抗裂性能和抗老化性能好，廣泛應(yīng)用于建筑物外墻和屋面保溫系統(tǒng)中［2］。在我國(guó)北方嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，?；⒅楸厣皾{受凍融環(huán)境的影響較大，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和拉伸粘結(jié)強(qiáng)度等逐漸降低，長(zhǎng)期使用效果不斷下降［2-4］。如何提高?；⒅楸厣皾{的抗凍性能吸引了學(xué)者和工程人員的高度關(guān)注。研究表明，橡膠顆粒可以提高普通砂漿、普通混凝土和再生混凝土的抗凍性能［5-7］，然而對(duì)?；⒅楸厣皾{抗凍性能的影響研究幾無(wú)相關(guān)報(bào)道。鑒于此，本文將改性橡膠顆粒摻入?；⒅楸厣皾{中，制備了24 組保溫砂漿試塊，進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，選取質(zhì)量損失率和相對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度兩個(gè)指標(biāo)，研究了橡膠顆粒摻量和粒徑對(duì)玻化微珠保溫砂漿抗凍性能的影響規(guī)律，為其推廣應(yīng)用提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

?；⒅楸厣皾{：上海舜安建材有限公司生產(chǎn)的?；⒅闊o(wú)機(jī)保溫砂漿預(yù)拌干粉；橡膠顆粒：宿遷興亞橡膠有限公司生產(chǎn)的0.55～2.36 mm、0.38～0.55 mm、2.36～4 mm 三種細(xì)度的橡膠粒粉；改性劑：硅烷偶聯(lián)劑KH-550；拌合水：自來(lái)水。

1.2 橡膠顆粒改性方式

為減小橡膠顆粒對(duì)?；⒅楸厣皾{強(qiáng)度的不利影響，對(duì)橡膠顆粒表面進(jìn)行改性處理。根據(jù)課題組研究結(jié)果，硅烷偶聯(lián)劑KH-550改性效果較好［8］，故采用此種改性方式。具體步驟如下：稱取1.5%橡膠顆粒質(zhì)量的硅烷偶聯(lián)劑KH-550，按KH-550∶乙醇∶水=20%∶72%∶8%的比例混合、配制偶聯(lián)劑溶液，然后將橡膠顆粒與偶聯(lián)劑溶液充分?jǐn)嚢杈鶆驖?rùn)濕，最后放在陰涼處直至顆粒表面完全干燥［8］。

1.3 保溫砂漿試塊分組

配制?；⒅闊o(wú)機(jī)保溫砂漿時(shí)，取預(yù)拌干粉∶水=1∶0.8（質(zhì)量比）；保持該比例不變，摻入不同摻量和粒徑的橡膠顆粒，摻量分別為預(yù)拌干粉質(zhì)量的0、10%、20%、30%，粒徑范圍分別為0.55～2.36 mm、0.38～0.55 mm、2.36～4 mm，分別用編號(hào)A、B、C 表示；試驗(yàn)過(guò)程中凍融循環(huán)次數(shù)N取 0、15、25、50次。設(shè)計(jì)24組70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm保溫砂漿立方體試塊，每組3個(gè)。試塊分組詳見(jiàn)表1。

表1 ?；⒅楸厣皾{試塊分組Table 1 Group of glazed hollow beads thermal insulation mortar samples

1.4 試驗(yàn)方法

稱取各材料用量，向攪拌機(jī)中倒入預(yù)拌干粉和橡膠顆粒，干拌2 min，使橡膠顆粒在干粉中分散均勻，然后徐徐加入水，攪拌3 min，倒出均勻膏狀料漿，裝入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 試模中，振搗后用塑料薄膜覆蓋并放入養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)28 天后取出試塊放入（80±3）℃環(huán)境下烘干24 h，稱量各組試塊的初始質(zhì)量，然后將凍融試塊浸泡在（15～20）℃的水中，水面高出凍融試塊20 mm 以上，2 天后取出凍融試塊并將其表面水分擦干，利用英貝兒（天津）IMDR-16 型快速凍融試驗(yàn)機(jī)分別完成15 次、25 次、50 次的凍融循環(huán)試驗(yàn)，每次凍融循環(huán)（3～4）h。在凍結(jié)和融化過(guò)程中，試塊的最低溫度控制在（-16～-20）℃，最高溫度控制在（3～7）℃。凍融試驗(yàn)結(jié)束后，將凍融試塊放入（80±3）℃的條件下烘干24 h，然后進(jìn)行稱量，參照《建筑砂漿基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 70—2009）測(cè)定各組試塊的立方體抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量損失率

凍融循環(huán)后保溫砂漿試塊的質(zhì)量損失率按式（1）計(jì)算：

式中：Δmm為N次凍融循環(huán)后保溫砂漿試塊的質(zhì)量損失率；m0為凍融循環(huán)前保溫砂漿試塊的質(zhì)量；mn為N次凍融循環(huán)后保溫砂漿試塊的質(zhì)量。

各組保溫砂漿試塊的平均質(zhì)量損失率計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

圖1 保溫砂漿試塊質(zhì)量損失率Fig.1 Mass loss rate of thermal insulation mortar samples

從圖1 可以看出，各組保溫砂漿試塊的質(zhì)量損失率均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大。以未摻橡膠顆粒的試塊W 為例，經(jīng)歷15 次、25 次凍融循環(huán)后，試塊表面開(kāi)始變得粗糙，少許砂漿脫落，質(zhì)量損失率分別為5.24%、6.89%，經(jīng)歷50 次凍融循環(huán)后，試塊表面非常酥松，極易剝落，破損嚴(yán)重，質(zhì)量損失率快速增加到14.28%。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摻入橡膠顆粒后，各保溫砂漿試塊的完整性均好于未摻橡膠顆粒的保溫砂漿試塊W，質(zhì)量損失率也有不同程度的降低。圖1（a）反映了橡膠顆粒摻量與保溫砂漿試塊質(zhì)量損失率的變化關(guān)系。由圖1（a）可知，經(jīng)歷相同次數(shù)的凍融循環(huán)作用后，保溫砂漿試塊A10、A20、A30 的質(zhì)量損失率均小于試塊W，且橡膠粒摻量越多，質(zhì)量損失率越小。在15 次凍融循環(huán)時(shí)，試塊A10、A20、A30 的質(zhì)量損失率相較于試塊W 分別降低了9.9%、15.1%和17.3%；在25 次凍融循環(huán)時(shí)，試塊 A10、A20、A30 的質(zhì)量損失率比試塊 W 分別降低了11.6%、15.4%和24.5%；經(jīng)歷50 次凍融循環(huán)后，試塊A10、A20、A30 的質(zhì)量損失率的降低幅度更大，分別達(dá)到了20.7%、24.5%和53.8%。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，試塊A30 的質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大的速度明顯慢于其余試塊，僅由15 次凍融循環(huán)時(shí)的4.33%增至50 次凍融循環(huán)時(shí)6.6%。這說(shuō)明橡膠顆?？梢越档蛢鋈谘h(huán)作用下保溫砂漿試塊的質(zhì)量損失率，橡膠顆粒摻量越多，試塊的質(zhì)量損失越小，抗凍性越好；當(dāng)摻量較大（≥30%）時(shí)，橡膠顆粒能夠顯著削弱試塊的質(zhì)量損失率峰值，降低試塊的質(zhì)量損失率增幅，對(duì)提高試塊的抗凍性更加有利。

圖1（b）反映了橡膠顆粒粒徑與保溫砂漿試塊質(zhì)量損失率的變化關(guān)系。結(jié)果顯示，在相同次數(shù)的凍融循環(huán)作用后，隨著橡膠顆粒粒徑的增加，保溫砂漿試塊B20、A20和C20的質(zhì)量損失率總體上表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，試塊的抗凍性逐漸降低。經(jīng)過(guò) 15 次凍融循環(huán)時(shí)，試塊 B20、A20 和 C20 的質(zhì)量損失率相差很小，橡膠顆粒粒徑對(duì)質(zhì)量損失率的影響差異并不顯著；經(jīng)過(guò)25 次凍融循環(huán)時(shí)，摻入粗橡膠顆粒的試塊C20 的質(zhì)量損失率增加較多，約為試塊 A20 和 B20 的 1.4 倍；經(jīng)過(guò) 50 次凍融循環(huán)后，摻入細(xì)橡膠顆粒的試塊B20 的質(zhì)量損失率最小，僅為7.44%，而試塊A20、C20 的質(zhì)量損失率分別為10.78%、11.2%，分別增大1.45 倍、1.51倍。整個(gè)凍融循環(huán)過(guò)程中，試塊B20 的完整性始終最好，質(zhì)量損失率最小，增長(zhǎng)速度也最為緩慢，說(shuō)明細(xì)顆粒橡膠更有助于提高試塊的抗凍性。

2.2 相對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度

經(jīng)過(guò) 0、15 次、25 次、50 次凍融循環(huán)作用后各組保溫砂漿試塊的立方體抗壓強(qiáng)度平均值fcu見(jiàn)表2。

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，各組保溫砂漿試塊的立方體抗壓強(qiáng)度均逐漸降低。例如試塊 W，經(jīng)過(guò) 15 次、25 次、50 次凍融循環(huán)作用后，試塊的立方體抗壓強(qiáng)度分別降低了6.3%、14.61%、15.22%。為描述凍融后各組試塊立方體抗壓強(qiáng)度的衰減程度，定義不同次數(shù)凍融循環(huán)作用下試塊的立方體抗壓強(qiáng)度與未凍融試塊的立方體抗壓強(qiáng)度之比為相對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度Δfcu，該值越大，凍融后試塊的立方體抗壓強(qiáng)度衰減越小，抗凍性越好。不同橡膠顆粒摻量、不同橡膠顆粒粒徑的保溫砂漿試塊的相對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化分別如圖2、圖3所示。

表2 凍融循環(huán)作用下各組保溫砂漿的立方體抗壓強(qiáng)度Table 2 cubic compressive strength of thermal insulation mortar samples under freeze-thaw cycle

圖2 不同橡膠顆粒摻量的試塊相對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度Fig.2 Relative compressive strength of thermal insulation

圖3 不同橡膠顆粒粒徑的試塊相對(duì)立方體強(qiáng)度Fig.3 Relative compressive strength of thermal

分析圖2 可得，摻加橡膠顆粒后，在相同次數(shù)的凍融循環(huán)作用下，保溫砂漿試塊A10、A20、A30的相對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度均大于試塊W，且隨著橡膠顆粒摻量的增加，試塊的相對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，抗凍性不斷提高。在凍融循環(huán)15 次、25 次時(shí)，試塊W 的相對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度分別為0.937、0.854，凍融后抗壓強(qiáng)度衰減較快，而試塊A10、A20、A30 的相對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度均在0.98以上，凍融后抗壓強(qiáng)度幾乎無(wú)損傷，說(shuō)明橡膠顆粒大大減緩了凍融后試塊的抗壓強(qiáng)度的下降幅度，但摻量影響的差異較?。辉趦鋈谘h(huán)50 次時(shí)，橡膠顆粒摻量越大，試塊的相對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度也越大，但試塊A10、A20 的相對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度已與試塊 W 相差不大，在 0.85～0.87 之間，凍融后試塊的抗壓強(qiáng)度下降較多，而試塊A30 的相對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度仍在0.9以上，凍融后試塊的抗壓強(qiáng)度損傷不超過(guò)10%，依然保持良好的抗凍性能?？傮w來(lái)看，橡膠顆粒摻量越大，試塊的相對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度越大，折線變化越平緩，凍融后試塊的抗壓強(qiáng)度衰減越緩慢，抗凍性越好。

圖3 反映了橡膠顆粒粒徑對(duì)保溫砂漿試塊相對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度的影響。在相同次數(shù)的凍融循環(huán)作用下，隨著橡膠顆粒粒徑的增加，試塊B20、A20 和C20 的相對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度隨之下降，抗凍性能逐漸劣化。在凍融循環(huán)15 次、25 次時(shí)，試塊B20 的相對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度分別為0.996、0.986，凍融后抗壓強(qiáng)度幾乎無(wú)下降，試塊A20、C20 的相對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度略有下降，但仍在0.96 以上，抗壓強(qiáng)度降低不多；在凍融循環(huán)50 次時(shí)，試塊B20的相對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度為0.911，而試塊A20、C20 的相對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度分別下降到0.871、0.862，抗壓強(qiáng)度損傷接近15%，抗凍性能退化較多。因此，細(xì)橡膠顆粒更有利于減緩試塊的立方體抗壓強(qiáng)度降低幅度，提高試塊的抗凍性能。

綜上所述，橡膠顆粒能夠改善保溫砂漿試塊的抗凍性能，橡膠顆粒摻量越高、橡膠顆粒粒徑越小，經(jīng)歷相同次數(shù)的凍融循環(huán)后，試塊的質(zhì)量損失率和立方體抗壓強(qiáng)度損傷越小，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試塊的質(zhì)量損失率和立方體抗壓強(qiáng)度的下降幅度越平緩，試塊的抗凍性越好。在橡膠顆粒摻量為10%～30%、橡膠顆粒粒徑為0.38～4 mm 的范圍內(nèi)，摻量為30%、粒徑范圍為0.38～0.55 mm的?；⒅楸厣皾{的抗凍性能最好。

2.3 機(jī)理分析

?；⒅楸厣皾{的抗凍性主要與砂漿內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)。橡膠顆粒容易包裹空氣，將其摻入到砂漿中，會(huì)在砂漿內(nèi)部引入封閉氣孔，增大砂漿的含氣量；橡膠顆粒摻量越大，砂漿的含氣量越大，硬化后孔隙率越高，可以緩沖凍融循環(huán)時(shí)對(duì)砂漿的膨脹壓力作用，減緩凍融裂縫的擴(kuò)展，保持砂漿的完整性，降低砂漿的質(zhì)量損失和抗壓強(qiáng)度衰減，從而提高砂漿的抗凍性。再者，橡膠顆粒具有良好的彈性特征，也可在一定程度上緩沖凍融時(shí)的膨脹壓力作用，提高砂漿的抗凍性。

當(dāng)摻入相同質(zhì)量的橡膠顆粒時(shí)，橡膠顆粒粒徑越小，比表面積越大，在砂漿內(nèi)部引入的微小封閉孔隙越多，從而越有利于改善砂漿的抗凍性。

3 結(jié) 論

（1）隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，?；⒅楸厣皾{的質(zhì)量損失率逐漸增大、立方體抗壓強(qiáng)度逐漸降低，凍融損傷不斷加劇。

（2）橡膠顆?？梢栽诓；⒅楸厣皾{內(nèi)部引入微小封閉氣孔，增大砂漿的含氣量，緩沖凍融循環(huán)對(duì)砂漿的膨脹壓力作用，提高砂漿的抗凍性；橡膠顆粒摻量越高、橡膠顆粒粒徑越小，保溫砂漿的抗凍性越好。

（3）在橡膠顆粒摻量為10%～30%、橡膠顆粒粒徑為 0.38～4 mm 的范圍內(nèi)，摻加 30%、0.38～0.55 mm 的橡膠顆粒時(shí)，經(jīng)歷相同次數(shù)的凍融循環(huán)后，?；⒅楸厣皾{的質(zhì)量損失率和抗壓強(qiáng)度衰減最小，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，玻化微珠保溫砂漿的質(zhì)量損失率和抗壓強(qiáng)度的下降幅度最平緩，抗凍性能最好。