橡膠表面改性對橡膠混凝土性能的影響研究

陳 強,黃金城,張大斌

(廣西交科工程咨詢有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

我國高等級公路主要以瀝青路面為主,混凝土路面所占的比例較低,原因之一在于混凝土的韌性差,容易發(fā)生開裂,嚴重影響路面使用耐久性[1-2]。廢舊橡膠具有良好的彈性性質(zhì),在水泥混凝土中加入橡膠顆?？梢栽黾禹g性,有效改善其抗沖擊性能、抗凍性、抗?jié)B性、耐磨性、抗裂性和抗震能力[3-8]。將廢舊輪胎橡膠用于混凝土材料是廢舊輪胎橡膠資源化利用的途徑之一,同時也為混凝土材料在高速公路領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供了支持[9]。

然而,橡膠顆粒是一種典型的憎水性有機高分子材料,且表面存在大量微小凹坑,導(dǎo)致橡膠和水泥基體界面過渡區(qū)的粘結(jié)異常疏松。界面過渡區(qū)附近夾雜的大量空氣導(dǎo)致空隙率增加,造成橡膠與水泥界面處的力學(xué)性能異常薄弱。Bisht等[10]發(fā)現(xiàn),橡膠含量的增加會導(dǎo)致界面過渡區(qū)附近的空隙率增加,最終導(dǎo)致界面過渡區(qū)的厚度增加。除此之外,橡膠集料的加入還可能增加混凝土的收縮。Turatsinze等[11]對摻有4 mm橡膠顆粒的混凝土進行自由收縮試驗,發(fā)現(xiàn)橡膠混凝土的收縮量增加了30%。

為了減輕因添加橡膠集料而導(dǎo)致混凝土的性能劣化,研究人員通常采用物理或化學(xué)處理對橡膠顆粒進行表面改性。常見的物理處理包括水洗和預(yù)涂膠凝材料,水洗的目的在于清除橡膠表面雜質(zhì)[12],而預(yù)涂膠凝材料則是在橡膠表面形成親水性外殼,從而代替疏水性橡膠顆粒與水泥漿相結(jié)合[13]?；瘜W(xué)處理常用的改性劑有NaOH、硅烷偶聯(lián)劑、酸、KMnO4、丙酮、Ca(OH)2、Ca(ClO)2和CS2等[14-15]。化學(xué)改性可以深度清除橡膠表面雜質(zhì),提高橡膠顆粒與水泥基體的界面結(jié)合力。

本研究旨在探究不同的橡膠表面改性方法及其處理時間對橡膠混凝土力學(xué)性能、滲透性和干燥收縮性能的影響。采用水洗、氯化鈣溶液浸泡和NaOH溶液浸泡的方式分別對橡膠顆粒進行表面處理,設(shè)置了2 h、24 h和72 h三組不同的處理時間,開展抗壓強度試驗、劈裂抗拉強度試驗、滲水試驗以及干縮試驗,揭示不同處理劑和處理時間對混凝土性能的影響。利用掃描電子顯微鏡和顯微圖像,研究不同接觸面狀態(tài)對橡膠水泥混凝土路用性能的影響。改性橡膠混凝土在道路工程中具有廣泛的應(yīng)用前景,本研究為改性橡膠混凝土的推廣應(yīng)用提供了思路。

1 材料與試驗

本研究選用的水泥為湖南省通用硅酸鹽水泥P.S.B32.5R,集料由玄武巖加工而成,最大粒徑為26.5 mm,細集料密度為2.34 g/cm3。橡膠集料選用目數(shù)介于4目和80目之間的廢舊輪胎橡膠顆粒,密度為1.03 g/cm3。在所有混合料中,水灰比統(tǒng)一設(shè)定為0.55。

本文設(shè)計了3組不同配合比的橡膠混凝土,即分別以橡膠集料替換10%、15%和20%體積比的細集料,并分別命名為RC10、RC15和RC20。此外,本研究設(shè)置了未摻加橡膠集料的普通水泥混凝土對照組(命名為REF)以形成直觀對比,參考混凝土的密度為2 445.5 kg/m3。粗細集料及橡膠集料的級配曲線如圖1所示,不同混凝土的配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比表

圖1 級配曲線圖

為研究不同處理方式對橡膠混凝土的性能影響,制備了20% NaOH溶液和5%Ca(ClO)2溶液。在混凝土攪拌前,將橡膠集料分別在兩種溶液中浸泡2 h、24 h和72 h。浸泡完成后,用自來水沖洗橡膠集料,直至沖洗液為中性。

通過對比研究不同摻量橡膠顆粒對混凝土性能的影響,得到最佳摻量為10%,故在10%摻量的基礎(chǔ)上對橡膠進行改性,探究改性效果。采用NaOH溶液處理不同時間的橡膠混凝土分別以符號RC10-N2h、RC10-N24h和RC10-N72h表示,而采用Ca(ClO)2溶液處理不同時間的橡膠混凝土則分別以符號RC10-C2h、RC10-C24h和RC10-C72h表示。此外,僅用水洗處理的橡膠顆粒也在研究范圍內(nèi),分別以符號RC10-W2h、RC10-W24h和RC10-W72h表示。

為了驗證橡膠表面改性對混凝土強度的提升效果,對混凝土試樣展開了抗壓強度及劈裂抗拉強度試驗。混凝土試樣尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,在標準養(yǎng)護條件下固化7 d和28 d,并在養(yǎng)護齡期的最后一天浸水24 h。養(yǎng)生結(jié)束后,采用微機控制電液伺服壓力試驗機進行試驗,壓力機型號為YAW-2000B,加載速率控制在1 mm/min。試驗的平行樣品數(shù)量為4個。

為研究橡膠表面改性對混凝土透水性的影響,制備尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件進行透水性試驗。試樣固化28 d后,采用混凝土數(shù)字透水儀在試樣表面施加約600 kPa的水壓,持續(xù)72 h。試驗結(jié)束后,通過劈裂試驗將試樣分成兩部分,并確定水的滲透深度,共測試4個樣品。

同時,設(shè)計了橡膠混凝土的干縮試驗,以驗證橡膠表面改性對混凝土收縮性能的影響。試驗采用尺寸為100 mm×100 mm×515 mm的棱柱體試樣。固化7 d后,將試樣飽水24 h,隨后放置在收縮儀上,并在試樣和收縮儀之間放置四根玻璃棒,以保證試樣能夠自由收縮。試驗設(shè)置了4組平行樣品,并額外設(shè)置了兩組試樣,用于記錄失水率。

此外,采用掃描電鏡(SEM)和數(shù)字顯微鏡對橡膠混凝土試件的微觀結(jié)構(gòu)進行研究,測試水洗、NaOH溶液處理和氯化鈣溶液處理的三組樣品,以比較表面改性處理后的橡膠集料與膠凝基質(zhì)之間的接觸狀態(tài)。

2 結(jié)果與討論

2.1 最佳橡膠替換量

圖2所示為不同橡膠替換量下的混凝土7 d和28 d抗壓強度值。試驗結(jié)果表明,隨著橡膠集料含量的增加,混凝土的抗壓強度明顯降低。相比REF,RC10、RC15和RC20的7 d抗壓強度分別下降了32.2%、44.2%和56.1%,而28 d抗壓強度分別下降了27.5%、43.6%和60.2%。

圖2 不同混凝土的抗壓強度試驗結(jié)果柱狀圖

隨著齡期的增長,橡膠摻量越高的混凝土強度增長越低,RC20的28 d強度僅比7 d強度提升2.5 MPa。這說明橡膠集料含量過高對水泥水化過程具有一定的阻礙作用,導(dǎo)致混凝土不能有效形成強度?？紤]到混凝土強度隨橡膠摻量的變化規(guī)律,確定橡膠顆粒的最佳摻量為10%。

2.2 抗壓強度

經(jīng)表面處理的7 d和28 d抗壓強度如下頁圖3～4所示。圖3顯示,試件固化7 d后,RC10的抗壓強度比REF降低了32.2%。橡膠集料水洗處理后,RC10-W2h、RC10-W24h和RC10-W72h的抗壓強度分別降低了29.7%、22.8%和14.9%;橡膠集料經(jīng)NaOH處理后,RC10-N2h、RC10-N24h和RC10-N72h的抗壓強度分別降低了18.5%、10.1%和16.3%;橡膠集料經(jīng)Ca(ClO)2處理后,RC10-C2h、RC10-C24h和RC10-C72h的抗壓強度分別降低了16.3%、8.7%和2.9%。

圖3 不同混凝土的7 d抗壓強度測試結(jié)果柱狀圖

圖4表明,試件固化28 d后,普通橡膠混凝土的抗壓強度比水泥混凝土下降了27.5%。橡膠集料水洗處理后,RC10-W2h、RC10-W24h和RC10-W72h的抗壓強度分別降低了24.2%、19.3%和15.5%;NaOH處理后的橡膠集料RC10-N2h、RC10-N24h和RC10-N72h的抗壓強度分別降低了19.9%、11.4%和13.9%。橡膠集料經(jīng)Ca(ClO)2處理后,RC10-C2h、RC10-C24h和RC10-C72h混凝土抗壓強度分別降低18.8%、10.4%和7.1%。

圖4 不同混凝土的28 d抗壓強度測試結(jié)果柱狀圖

橡膠混凝土抗壓強度較低的主要原因是橡膠的疏水特性導(dǎo)致其與水泥漿體的粘結(jié)性較弱。NaOH溶液可以改變橡膠表面的水接觸角,增加橡膠表面的親水性和粗糙度。同時,NaOH溶液作為一種重型清潔劑,可以深度清除橡膠表面的機油和粉塵雜質(zhì)等,從而提高橡膠與水泥基體的結(jié)合力。同樣,Ca(ClO)2處理橡膠集料聚合鏈所產(chǎn)生的羥基和羧基,比現(xiàn)有橡膠集料的聚合烴反應(yīng)性強得多[16]。也有研究稱,對橡膠集料進行預(yù)處理后,促進水泥的水化作用導(dǎo)致橡膠顆粒周圍形成了硬殼,增加了橡膠和水泥漿體之間的剛度兼容。相比化學(xué)處理方法,水洗橡膠對于提高混凝土的抗壓強度效果不夠顯著。雖然水洗可以除去橡膠表面的部分污垢和粉塵,但難以清除某些不溶于水的雜質(zhì)。如橡膠表面存在不溶于水的硬脂酸鋅,直接水洗無法有效清除,而NaOH溶液可以與硬脂酸鋅反應(yīng)生成溶于水的硬脂酸鈉[17]。

不同的處理時間對橡膠混凝土的性能也存在顯著影響。水洗和Ca(ClO)2處理的橡膠混凝土隨著處理時間的延長而有所提升,且Ca(ClO)2的處理時間對混凝土強度的影響更為明顯。這是因為隨著水洗和Ca(ClO)2溶液處理時間的延長,盡可能多地除去了橡膠表面的雜質(zhì)。此外,延長Ca(ClO)2溶液的處理時間可以促進氯化鋁酸鈣水化物在混凝土中形成Friedel鹽(3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O),其固相體積可膨脹75%,從而填充微結(jié)構(gòu)中的孔隙[18]。然而,NaOH溶液的最佳處理時間為24 h,這是因為NaOH溶液屬于強堿性溶液,長時間的浸泡可能會嚴重侵蝕橡膠表面,甚至導(dǎo)致橡膠顆粒被溶液滲透。綜合試驗結(jié)果可知,Ca(ClO)2是提高混凝土抗壓強度最有效的處理方法,且以處理時間為72 h最佳。

2.3 劈裂抗拉強度

不同混凝土在28 d的劈裂抗拉強度測試結(jié)果如圖5所示。當(dāng)添加10%未處理橡膠集料時,劈裂抗拉強度降低了42%。橡膠集料經(jīng)水洗處理后,RC10-W2h、RC10-W24h、RC10-W72h的劈裂抗拉強度分別比REF低39.3%、35.2%和33.5%。采用NaOH處理時,RC10-N2h、RC10-N24h、RC10-N72h的劈裂抗拉強度分別比REF低29.1%、22.0%和25.3%。Ca(ClO)2處理時,RC10-C2h、RC10-C24h、RC10-C72h的劈裂抗拉強度分別降低26.6%、18.7%和12.6%。不同處理劑和處理時間對橡膠混凝土的劈裂抗拉強度變化規(guī)律與抗壓強度規(guī)律基本一致。由試驗結(jié)果可以推斷,Ca(ClO)2是提高混凝土劈裂抗拉強度最有效的處理方法。

圖5 不同混凝土的劈裂強度測試結(jié)果柱狀圖

2.4 滲水試驗

混凝土試件的最大滲透深度和滲透速度見表2。由表2可以看出,相比REF,當(dāng)摻量為10%未處理的橡膠集料時,橡膠混凝土的滲透深度增加了44%。這表明橡膠顆粒的摻入給混凝土內(nèi)部引入了更多的空隙。Mousavimehr等[19]指出,橡膠和水泥漿中缺乏適當(dāng)?shù)恼尘哿魅踅缑孢^渡區(qū),并在混凝土基質(zhì)中形成空隙。

水洗處理后混凝土的滲透深度與未經(jīng)處理的混凝土相當(dāng),說明水洗橡膠集料對改善混凝土的透水性能效果甚微。NaOH處理后,RC10-N2h、RC10-N24h和RC10-N72h的水滲透深度分別比RC10低26.9%、38.5%和30.8%。同樣,Ca(ClO)2處理后的RC10-C2h、RC10-C24h和RC10-C72h水滲透深度較RC10分別降低了34.6%、42.3%和50%。在所有混合料中,RC10-C72h的滲透深度最小。結(jié)果表明,用Ca(ClO)2處理橡膠集料是降低橡膠混凝土滲透性的最有效方法,且處理時長為72 h的效果最好。這種滲透性的降低主要歸因于化學(xué)處理改善了橡膠與水泥集體的交互粘結(jié),從而降低了界面過渡區(qū)的空隙率。此外,NaOH處理的橡膠也降低了橡膠混凝土的滲透性,但改善效果明顯低于Ca(ClO)2處理的,其原因可能是NaOH溶液與有機材料反應(yīng)產(chǎn)生了少量氣泡,這些氣泡殘留在混凝土中,從而影響了混凝土的滲透性。

2.5 干縮試驗

如圖6所示為橡膠混凝土的干燥收縮試驗結(jié)果。與REF相比,摻入10%的未改性橡膠集料導(dǎo)致混凝土的收縮量明顯增大,這是因為天然細集料被彈性模量較低的橡膠集料所取代,混凝土內(nèi)部缺乏細集料導(dǎo)致內(nèi)部約束減少,從而產(chǎn)生更大的收縮。此外,橡膠集料的引入產(chǎn)生了額外的滯留空氣和更大的空隙,為水泥混凝土的干燥收縮提供了變形空間。

圖6 不同混凝土的干縮系數(shù)曲線圖

經(jīng)水洗后的橡膠混凝土干縮變形相比RC10有所改善,但與對照組混凝土仍有較大差距。而橡膠表面經(jīng)過化學(xué)處理后,混凝土的收縮出現(xiàn)明顯改善。采用NaOH處理時,RC10-N2h、RC10-N24h、RC10-N72h的120 d干縮系數(shù)分別比RC10低10.4%、16.1%和12.5%。Ca(ClO)2處理時,RC10-C2h、RC10-C24h、RC10-C72h的干縮系數(shù)分別比RC10混凝土降低17.7%、20.0%和23.2%。究其原因在于化學(xué)處理增強了橡膠表面的親水性,增進了橡膠與水泥基體的粘結(jié),界面過渡區(qū)得到改善,降低了整體空隙率,收縮變形減少。由試驗結(jié)果可以推斷,Ca(ClO)2是改善干縮性能最有效的處理方法,且處理時間越長,改善效果越明顯。

2.6 微觀結(jié)構(gòu)分析

經(jīng)水洗、Ca(ClO)2溶液處理和NaOH溶液處理的橡膠混凝土微觀形貌如圖7所示。可以看出,未經(jīng)改性的橡膠顆粒在與周圍基體的界面過渡區(qū)處出現(xiàn)了明顯的縫隙,寬度約為9μm;經(jīng)水洗后,界面縫隙稍有緩解,但寬度仍有7μm;NaOH處理后,界面寬度減小到2～3μm,而Ca(ClO)2處理后,界面幾乎無縫隙。這與強度試驗結(jié)果一致。

(a)未改性橡膠混凝土

3 結(jié)語

本文采用NaOH溶液和Ca(ClO)2溶液對橡膠集料進行化學(xué)處理,研究不同處理方式及處理時間對混凝土力學(xué)性能、滲透性能和干縮性能的影響。根據(jù)研究結(jié)果,可以得出以下結(jié)論:

(1)與對照組相比,以橡膠集料替換10%的細骨料,28 d抗壓強度降低了27.5%。當(dāng)橡膠集料經(jīng)NaOH和Ca(ClO)2處理時,28 d抗壓強度下降幅度最低為11.4%和7.1%,分別出現(xiàn)于NaOH處理24 h及Ca(ClO)2處理72 h。其中,Ca(ClO)2處理72 h的橡膠混凝土的強度與對照組相差最少。劈裂抗拉強度也有類似的趨勢。

(2)與未處理的橡膠混凝土相比,化學(xué)處理后橡膠混凝土的水滲透深度顯著降低。其中,NaOH處理24 h以及Ca(ClO)2處理的橡膠混凝土具有比對照組混凝土更低的透水深度。

(3)與未處理的橡膠混凝土相比,NaOH處理和Ca(ClO)2處理能夠顯著改善混凝土的干縮性能,120 d干縮系數(shù)最高可分別下降16.1%和23.2%。

(4)總體而言,NaOH處理的最佳時間為24 h,而Ca(ClO)2處理72 h效果最優(yōu),且Ca(ClO)2處理比NaOH處理和水洗更有效。