橡膠廢料對防滲混凝土的改性效果及機理研究

李志鳶 梁仁旺 祁術洪

摘 要：橡膠廢料可作為摻和料用于對防滲混凝土改性。為了研究橡膠廢料對混凝土防滲性能的改善效果，制備了3種粒徑、4種摻量的橡膠混凝土試樣，開展?jié)B透試驗和核磁共振掃描試驗，從而分析混凝土防滲性能與孔隙分布的關系。結果表明：橡膠廢料的粒徑越小，其滲透高度值越小，且防滲性能隨橡膠含量增加呈先增后減的趨勢;隨橡膠廢料摻量增加，表征孔隙結構的核磁共振T2分布曲線發(fā)生顯著改變;摻入20%橡膠廢料的混凝土防滲性能最佳，且密實程度也最高，大裂隙完全被填充，中、小孔隙數量相繼減少;摻入橡膠廢料對混凝土防滲性能的改性存在積極和消極兩種效果，橡膠廢料含量是控制防滲效果的關鍵。

關鍵詞：橡膠廢料;防滲混凝土;滲透試驗;核磁共振;孔隙分布

中圖分類號：TU52文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.030

引用格式：李志鳶，梁仁旺，祁術洪.橡膠廢料對防滲混凝土的改性效果及機理研究[J].人民黃河，2021，43（1）：148-151.

Study on Modification Effect and Mechanism of Rubber Waste on Impervious Concrete

LI Zhiyuan1， LIANG Renwang2， QI Shuhong3

（1.Chongqing Water Resources and Electric Engineering College， Chongqing 402160， China;

2.College of Architecture and Civil Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China;

3.Department of Architectural Engineering， Zhengzhou Shengda Economics and Management College， Zhengzhou 451191， China）

Abstract： Rubber waste is a new kind of environmental protection and high-performance material， which can be used in the production of impervious concrete material. In order to study the improvement effect of rubber waste on the impermeability of concrete， three kinds of particle sizes and four kinds of admixtures of rubber concrete were designed to conduct the tests. The results show that the smaller the rubber particle size is， the better the impermeability is. And with the increase of the particle content， the impermeability increases first and decreases later. And the T2 distribution curves from NMR tests showsthat the pore structure changes significantly. The impermeability of rubber concrete with 20% rubber powder has the best impermeability in the tests. The pore structure of the sample changes significantly with the increase of the proportion of rubber powder. With the content of 20% rubber particles mixed into the concrete samples， the large cracks are fully filled and the density is increased significantly. Rubber particles have the both favorable and unfavorable effects on the impermeability of concrete and the content of rubber particles is the key to control the effect of modification.

Key words： rubber waste; impervious concrete; penetration test; nuclear magnetic resonance; pore distribution

隨著現代汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，廢舊橡膠輪胎的保有量急劇增加，全世界汽車輪胎年報廢量高達10 億條以上[1]。廢棄輪胎橡膠在自然條件下難降解，日益增加的廢橡膠的處理問題已成為全球性環(huán)境及資源難題，因此對其進行合理回收與利用對于環(huán)境保護和節(jié)約資源具有重要意義[2-3]。通過摻橡膠顆粒配制出橡膠混凝土，一方面可改善混凝土材料的基本性能，另一方面可拓展廢棄橡膠的應用領域，使廢舊橡膠由黑色廢物和環(huán)境公害變成土木工程材料領域的綠色資源。

當前，提高防滲性能已成為渠道混凝土改性研究的一個熱點。經研究發(fā)現在普通水泥砂漿中摻加橡膠廢料可以有效改善混凝土的防滲效果[4-6]。目前，許多學者開展了橡膠廢料改善混凝土性質的研究。ISSA等[7]研究了在混凝土中摻入橡膠粒以提高其耐久性能。楊春峰等[8]通過混凝土的滲透試驗發(fā)現摻入橡膠細料可以在一定程度上降低滲透率。張克等[9]對一定含量橡膠廢料混入水泥漿料進行改性，橡膠含量對混凝土強度性能改善效果的影響非常顯著。

顯然，橡膠對于混凝土的防滲效果改良起到顯著作用，但對具體摻和量與防滲性能的關系以及改性微觀機理的分析相對薄弱，對于橡膠廢料和水泥漿料充分拌和后孔隙結構特點的改變也需要進一步開展微觀測試。低場核磁共振掃描技術（NMR）通過評估材料孔隙中水分子的氫元素流動路徑探測材料微觀結構特征[10-11]。目前利用NMR進行混凝土細觀結構的研究已取得一系列成果[12-14]。筆者基于普通渠道混凝土防滲性能較差的缺陷，設計不同粒徑和摻量的橡膠廢料進行摻和改性試驗，以獲得混凝土的防滲性能指標，并從孔隙結構角度解釋摻入橡膠引起混凝土防滲性能改良的微觀機理。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

本試驗采用廢棄輪胎生產的橡膠顆粒。改性混凝土材料的漿料由粗細集料、硅酸鹽水泥、橡膠廢料（粒徑分別為80目、40目和20目，表觀密度為1 030 kg/m3）、減水劑和水組成，對水泥砂漿進行養(yǎng)護，形成橡膠混凝土。采用密度計法和篩分法獲得細集料的級配曲線，骨料粒徑分布情況見表1，粒徑在1.0 mm以下的細集料成分占總含量的63.2%，粒徑大于1.0 mm的顆粒占36.8%，粗細集料配比對孔隙分布有重要影響。經過多次適配后，得到水泥砂漿基準配合比為水∶水泥∶細集料∶粗骨料 =200∶400∶550∶1 205，減水劑含量為水質量的1%。在混凝土基準配合比的基礎上，將不同粒徑（80目、40目和20目）的橡膠廢料按10%、20%和30%的比例等體積取代普通混凝土細集料，制備不同橡膠含量的改性混凝土試樣。不同粒徑為橡膠粒如圖1所示。

1.2 試驗過程

試驗主要分為樣品制備、滲透試驗和微觀結構觀測三個步驟。

1.2.1 樣品制備

為使橡膠改性的水泥砂漿拌和均勻，首先將粗、細集料與橡膠廢料在攪拌機中拌和1 min;然后加入水泥干拌1 min;最后在攪拌機中加入一定質量的水與減水劑攪拌2 min。在拌和過程中，出現了因橡膠密度較小而導致上浮的現象，故在樣品成型過程中，當坍落度小于70 mm時，用二次短時振動方式成型，首次振動持續(xù)5 s，二次振動采取瞬時振動方式; 當坍落度大于70 mm時，通過手工攪拌，將漿料分兩層加入試模。砂漿入模后，用恒溫恒濕箱進行養(yǎng)護，養(yǎng)護溫度為（20±2） ℃，相對濕度為95%，養(yǎng)護28 d后拆模。

1.2.2 滲透試驗

滲透試驗采用《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》（JTG E30—2005）中水泥基材料的滲水試驗方法。在滲水試驗中控制水壓為0.8 MPa，保持水壓恒定24 h，卸壓后取出混凝土試件測量滲透高度h，取試件的平均滲透高度為防滲性能指標[15]。

1.2.3 微觀結構觀測

通過低場核磁共振掃描（NMR）對混凝土試樣進行微觀結構觀測。NMR是在較低強度磁場中，對材料中流體的氫元素核磁信號進行測定，獲取孔隙中流體的核磁共振T2分布譜。NMR用于分析多孔介質材料的細觀結構特征。在混凝土材料中，弛豫時間T2與孔隙半徑成正比，孔隙規(guī)模越大，弛豫時間越長，反映在T2分布譜上弛豫時間長的核磁信號所占比例就越大[12]。

對4組不同橡膠廢料配合比的樣品開展核磁共振掃描，得到核磁共振T2分布譜。根據NMR的試驗原理，試件內部孔隙的弛豫時間T2與孔隙尺寸的關系用式（1）表示：

1T2=ρSV（1）

式中：ρ為多孔介質的表面弛豫強度，μm/ms，ρ值與材料種類有關;S為孔隙表面積;V為孔隙體積。

2 試驗結果分析

2.1 滲透試驗結果

對改性橡膠混凝土材料進行養(yǎng)護后，橡膠廢料在混凝土內部的孔隙中處于游離的狀態(tài)，橡膠不與水泥等物料進行化學反應，但可以有效地填充材料內部的孔隙（尤其是尺寸較大的孔隙），從而提高了混凝土試件的結構密實程度，改善其防滲性能。

滲透試驗的結果如圖2所示，可以看出摻入橡膠含量一致時，80目橡膠粒徑的混凝土試件的滲水高度最小，40目橡膠粒徑的混凝土試件次之，20目橡膠粒徑的混凝土試件最大。說明摻入橡膠廢料的粒徑越小，混凝土試樣的防滲性能越好，即橡膠提高密實程度的效果也越好。從圖2還看出在一定橡膠廢料摻和量的范圍內，混凝土滲透高度明顯受到橡膠含量的影響。隨橡膠含量增至一定程度后，其滲透高度隨顆粒含量增加而上升，即防滲性能開始降低。試驗結果表明20%摻量的橡膠廢料對渠道混凝土的防滲性能改善最有利。

2.2 微觀結構掃描結果

80目的橡膠作為外摻料的復合混凝土防滲效果最好，對80目橡膠混凝土開展NMR掃描。圖3為摻量為0、10%、20%和30%的橡膠混凝土試樣的核磁共振T2分布曲線，縱坐標表示信號幅度，橫坐標表示弛豫時間T2，弛豫時間越長，孔隙尺寸也越大，而信號幅度越高表示該尺寸下的孔隙數量越多。根據核磁共振掃描的原理，雖然不能直接獲得材料內部具體孔隙的大小與數量，但是通過T2分布曲線不僅能反映不同尺寸級別孔隙的比例大小，還可以分析同一種材料的試樣經過微觀結構變異后孔隙的演化規(guī)律與特點。

從圖3可以看出：摻量為0的1#混凝土試樣的T2曲線存在3個峰，第一個峰表示微小孔隙，第二個峰表示中等大小孔隙，第三個峰表示尺寸較大的孔隙。1#試樣T2曲線的第三個峰的峰值明顯比其他試樣的大，表明試件內部的原生大孔隙較多，并形成貫通的大裂隙，對于混凝土防滲性能有極大的影響。

在混凝土中摻入橡膠粒后，內部結構發(fā)生變化，隨著摻入橡膠粒比例的增大，試樣內部孔隙結構變化情況有所差異。在普通混凝土中摻入10%橡膠粒后，2#試樣的T2曲線的第三個峰的峰值明顯減小，第二個峰的峰值略有下降，而第一個峰的峰值有所上升，表明2#試樣經過改性后大孔隙和裂隙的含量有所降低，中孔隙含量略有下降，而小孔隙的含量有所上升;摻入質量比例為20%的橡膠粒后，3#試樣的T2曲線只存在兩個峰，且峰值相對于2#試樣出現了較大幅度的下降，說明在進一步增加橡膠粒摻和量后試樣的大裂隙完全被填充，且中小孔隙也相繼減少，試樣的密實程度顯著提高;摻入30%橡膠粒復合混凝土T2曲線又重新出現了第三個峰，相對于3#試樣，其第一個峰升高，第二個峰基本不變，表明試件中摻入30%的橡膠粒后，試樣重新出現了大孔隙（裂隙），小孔隙數量有所增加。

譜面積是指T2分布曲線與橫軸包圍的面積。不同橡膠摻入量的混凝土T2分布譜面積能表示內部孔隙體積的分布規(guī)律，T2分布譜中各峰所占比例可以反映小、中或大孔（裂隙）的體積占總孔隙體積比例。不同橡膠摻和量試樣的T2分布譜的面積和不同尺寸孔隙所占比例見表2。首先，T2分布譜的面積隨橡膠粒含量增加呈現先減后增的趨勢，在摻量為20%時達到最小值，說明20%摻量下的復合混凝土防滲性能最佳。其次，從三個峰的面積比例可以看出第三個峰的變化幅度最大，其變化規(guī)律與滲透高度有很好的一致性。因此，大孔隙（裂隙）的發(fā)育程度是混凝土防滲性能的關鍵影響因素。

2.3 防滲性能變化規(guī)律的機制

由試驗結果可以看出橡膠廢料對混凝土進行防滲性能改性，其效果可分為有利和不利兩方面。 一方面，摻入一定量橡膠廢料對大孔隙（裂隙）起到填充作用，可以有效提高材料的密實度，從而給防滲性能帶來有利影響;另一方面，摻入過多橡膠漿料，混凝土的骨料與橡膠顆粒的接觸界面占用大量凝膠材料，使砂漿的流動性降低，導致其密實度明顯下降，孔隙的數量與規(guī)模反而增大，混凝土防滲性能下降。對比NMR的結果和滲透試驗的掃描結果，發(fā)現在橡膠摻量為0～20%時，橡膠廢料的有利改性效果占主導，摻量超過30%后，其不利效果占據主導。而大孔隙（裂隙）是控制防滲性能的主要因素，改性混凝土試樣的大孔隙（裂隙）在橡膠摻量為20%時達到最小，此時其防滲性能也最佳，說明孔隙結構改變是混凝土防滲性能改善的根本內在原因。因此，對復合混凝土的性能改良時，橡膠粒徑的含量是控制改性效果最重要的因素。

3 結 論

通過開展不同粒徑與摻量的橡膠廢料對混凝土的防滲性能進行改性，同時開展核磁共振掃描（NMR）試驗，得到如下結論。

（1）摻入橡膠廢料后，混凝土試件的防滲性能大幅改善，橡膠廢料的粒徑越小，防滲性能改善效果越好;隨顆粒含量的增加，混凝土的防滲性能呈先增后減趨勢。

（2）由NMR得到4種摻量的橡膠混凝土試樣的T2分布曲線，曲線變化規(guī)律反映了在不同摻量的橡膠混凝土中，內部孔隙分布的變化規(guī)律：孔隙的發(fā)育程度隨橡膠含量增加呈現先減后增趨勢。

（3）當橡膠廢料的摻量為20%時，孔隙發(fā)育程度最低，此時的滲透高度最小，說明橡膠對孔隙結構的改變是混凝土防滲性能改善的根本原因。

（4）在水泥砂漿中加入橡膠廢料后，一方面對材料內大孔隙與裂隙起到填充作用;另一方面，橡膠與骨料的接觸界面占用了大量凝膠材料，可使流動性降低，從而導致密實度下降。因此，控制橡膠廢料的含量是提高防滲性能的關鍵因素。

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【責任編輯 崔瀟菡】