复合橡胶颗粒用于混凝土的改性测试研究

2023-09-05赵倩董旭郑明权

粘接 2023年8期

赵倩董旭郑明权

摘要：为有效利用资源、增强混凝土的抗冲磨性能，对橡胶颗粒采用5%NaOH改性和5%NaOH+1%KH560复合改性，并以不同橡胶掺量制备了C40改性橡胶混凝土，研究其力学和抗冲磨性能。结果表明：5%NaOH+1%KH560无机加有机复合改性方式的改性效果较优，当掺入20%复合改性橡胶颗粒时，混凝土的抗冲磨强度为20.84 h/（kg·m2），增幅达到250%，磨损率为1.5%，降幅达到71.7%，材料的抗冲磨性能最好，试验确定掺入8%复合改性橡胶颗粒最佳。此时，混凝土的抗压、抗折强度、劈裂抗拉强度分别为43.2、3.81、2.09 MPa，抗冲磨强度和磨损率分别为10.77 h/（kg·m2）、2.8%，材料具备良好的力学和抗冲磨性能，制備的5%NaOH+1%KH560复合改性橡胶混凝土，综合性能良好。

关键词：橡胶颗粒；混凝土；抗冲磨强度；抗压强度；抗折强度

中图分类号： TU528;TQ333.99

文献标志码： A 文章编号： 1001-5922（2023）08-0153-05

Study on modification test of composite rubber particles for concrete

ZHAO Qian1，DONG Xu 1，ZHENG Mingquan 2

（1.Hebei Institute of Environmental Engineering，Qinhuangdao 066102，Hebei China;

2.Yenching Institute of Technology，Langfang 065200，Hebei China）

Abstract： In order to effectively utilize resources and enhance the impact and wear resistance of concrete，5%NaOH modification and 5%NaOH+1%KH560 composite modification was used on rubber particles，and modified rubber C40 concrete with different rubber contents was prepared.Then，its mechanical and impact and wear resistance properties were studied.The experimental results showed that the modification effect of 5%NaOH+1%KH560 inorganic and organic composite modification method was better.When 20% composite modified rubber particles were added，the impact and wear strength of concrete was 20.84 h/（kg·m2），with an increase of 250%，a wear rate of 1.5%，and a decrease of 71.7%.The material had the best impact and wear resistance; This experiment determined that adding 8% composite modified rubber particles was the best.At this time，the compressive strength，flexural strength，and splitting tensile strength of the concrete were 43.2 MPa，3.81MPa，and 2.09 MPa，respectively.The impact wear strength and wear rate were 10.77 h/（kg·m2） and 2.8%，respectively.The material had good mechanical and impact wear properties.In conclusion，the 5% NaOH+1% KH560 composite modified rubber concrete prepared in this experiment has good comprehensive performance.

Key words： rubber particles;concrete;impact and wear resistance;compressive strength;flexural strength

在建设工程中，受到建筑服役环境的影响，混凝土结构容易被损坏，性能下降。而橡胶颗粒的掺入，可以减缓混凝土被磨损，同时，还可以有效利用废旧橡胶资源，保护环境[1]。对此，为增强橡胶混凝土的性能。例如，通过添加玄武岩纤维，制备了一种改性橡胶混凝土，并对其性能进行研究。结果表明，当在橡胶混凝土中掺入12 mm长的玄武岩纤维时，材料的力学性能最好[2]。通过硅灰、聚丙烯纤维，对橡胶混凝土进行改性。结果表明，最佳橡胶掺量和聚丙烯纤维掺量分别为20%、0.10%；另外，硅灰的掺入，可以使材料的力学性能增强[3]。除此之外，在橡胶混凝土中加入芳纶纤维进行改性。结果表明，当掺入0.7%芳纶纤维时，材料的抗冲击韧性和抵抗开裂的能力提高[4]。基于此，试验考虑从橡胶颗粒本身进行改性，采用5%NaOH改性和5%NaOH+1%KH560复合改性这2种改性方式，并以不同橡胶掺量，制备C40改性橡胶混凝土，研究材料的力学和抗冲磨性能。

1 试验过程

1.1 材料与设备

主要材料：P·O42.5普通硅酸盐水泥（工业[LL]纯，安徽徽丽化工）；天然砂（工业纯，石家庄金仁矿产品）[HJ1.8mm]；石灰岩碎石（工业纯，灵寿县梓舒矿产，粒径5～10、10～20 mm）；橡胶颗粒（工业纯，灵寿县冀西矿产，粒径2～4 mm）；KH560硅烷偶联剂（AR，南京罗恩硅材料）；PC-1009型聚羧酸减水剂（AR，山东华运达新材料）；氢氧化钠（AR，沧州昊信化工）。

主要设备：RD1020型电子天平（深圳市荣达仪器）；WD-300型立式搅拌桶（济宁威达机械）；JITAI-S10KN型电子多功能试验机（北京吉泰科仪检测设备）；33691型混凝土振动台（河北念晴暄仪器）；W101-1型真空干燥箱（江西龙中机械设备）；HKCM-2冲磨仪（沧州泽睿试验仪器）。

1.2 试验方法

1.2.1 配合比设计

本试验采用的是废旧轮胎橡胶颗粒，并通过2种改性方法对橡胶颗粒进行处理，分别是5%的NaOH溶液无机改性，5%NaOH+1%KH560无机加有机复合改性。以不同掺量改性后的橡胶颗粒，制备一种建设工程用高质量C40混凝土；混凝土的具体配比方案如表1所示。

1.2.2 橡胶颗粒的改性

（1） 5%的NaOH改性。

用氢氧化钠和水配置质量分数5%的NaOH溶液，然后将水洗并晾干后的橡胶颗粒，在5%的NaOH溶液中浸泡24 h，之后取出橡胶颗粒，并用水将橡胶颗粒冲洗至中性；

（2）5%NaOH+1%KH560改性。

用无水乙醇和水配置体积分数95%的乙醇溶液，然后用电子天平称取橡胶颗粒质量1%的KH560硅烷偶联剂。用95%的乙醇溶液作为溶剂，配置1%浓度的KH560溶液。之后將“（1）”中处理完成的橡胶颗粒继续浸泡在配置好的1%浓度KH560溶液中24 h，之后取出橡胶颗粒，晾干，备用[5]。

1.2.3 混凝土试件的制备

（1）用电子天平称取适量的水、天然砂、水泥、石灰岩碎石以及1.2.2中改性后的橡胶颗粒；

（2）将少量的水、天然砂和石灰岩碎石加入搅拌桶中，设置搅拌时间为1 min，进行预搅拌处理；

（3）向搅拌桶中继续加入剩下的天然砂、石灰岩碎石，并加入适量的水，搅拌2 min。然后在搅拌桶中加入一定量改性橡胶颗粒，继续搅拌处理1 min；

（4）在搅拌桶中加入适量的水、减水剂，搅拌3 min混合均匀，获得改性橡胶混凝土砂石浆；

（5）将搅拌好的砂石浆倒入准备好的模具中，然后在振动台上振动处理2 min，以排出砂石浆内部在搅拌过程中产生的气泡；

（6）用抹灰刀抹平试件表面多余的浆料，并用塑料膜封口，然后将试件放置在养护室内1 d；

（7）脱模，将试件在养护室内继续养护相应时间，然后取出试件，放入恒温65 ℃的干燥箱中处理1 h，最后贮存备用。

1.3 性能测试

1.3.1 抗压强度

通过万能试验机，以20～30 MPa/min的加载速度对试件进行测试，分析材料的抗压强度。其中，试件尺寸为（100×100×100）mm。

1.3.2 劈裂抗拉强度

通过万能试验机以1.8～3.6 MPa/min的速度对试件进行均匀加载，直到试件被破坏，分析材料的劈裂抗拉强度。

1.3.3 抗折强度

通过试验机对试件进行测试，其中，加载速度为250 N/s，抗折强度计算公式为[6]：

f f= Fl bh2 （1）

式中： f f 为抗折强度，MPa； F 为破坏荷载，N； l 为支座跨度，mm； b 为试件的截面宽度，mm； h 为试件的截面高度，mm。

1.3.4 抗冲磨性能

为测试材料的抗冲磨性能，本试验采用水下钢球法。先将高100 mm、直径300 mm的扁圆柱形试件浸泡在水中，48 h后取出试件并擦干，用电子天平记录初始质量 M 0 。然后，将70个不同大小的钢球放入冲磨仪器中，并以1 200 r/min的转速对试件进行冲磨处理72 h。之后，取出冲磨完成的试件，并擦干，再次用电子天平记录质量 M f ，并分析试件的抗冲磨性能。具体计算公式[7]：

f a= TA M 0-M f （2）

L= M 0-M f M 0 ×100% （3）

式中： f a 为抗冲磨强度，h/（kg·m-2）； T 为冲磨时间，h； A 为冲磨面积，m2； M 0 为试件初始质量，kg； M f 为试件冲磨试验后质量，kg； L 为磨损率，%。

2 结果与分析

2.1 抗压强度分析

由图1可知，对于不同的橡胶改性方式，随着混凝土材料中改性橡胶颗粒的增多，抗压强度均呈现下降的趋势。对于未掺入改性橡胶颗粒的空白基准试件，其抗压强度为46.1 MPa，高于其他掺入改性橡胶颗粒的试件；对于经过5%NaOH溶液改性的试件，当橡胶掺量增多至20%时，抗压强度下降到29.5 MPa，这与空白基准试件相比，降幅为36.0%；对于用5%NaOH溶液与1%KH560溶液复合改性的橡胶混凝土试件，当橡胶掺量增多至20%时，抗压强度降到31.4 MPa，这与基准试件相比，降幅为31.9%。这些现象表明，在混凝土中掺入橡胶颗粒，会降低材料的抗压强度，而5%NaOH+1%KH560橡胶改性方式，可以减缓材料的强度下降。发生以上这些现象的原因是，当在混凝土材料中掺入橡胶颗粒时，由于橡胶具备易变形的特性，因此，混凝土材料中的薄弱点增多。当材料受到外力作用时，材料中的橡胶颗粒容易发生形变，同时，增大材料中的应力集中现象，因此，材料的抗压能力降低。另外，水泥浆体与橡胶颗粒的结合，相当于在无机非金属材料中加入了高分子有机物，二者之间的界面粘接强度远远低于水泥浆体与天然砂，因此，混凝土材料中界面粘接缺陷增加，材料抗压强度降低[8-10]。综上，2种改性方式的橡胶颗粒掺入，均会降低材料的抗压强度，但5%NaOH+1%KH560改性方式的抗压强度折减率低于5%NaOH改性方式。

2.2 劈裂抗拉强度分析

图2为试件劈裂抗拉强度与橡胶掺量、改性方式的关系。

由图2可知，当混凝土材料中掺入的改性橡胶颗粒逐渐增多时，试件的劈裂抗拉强度不断下降。对于未掺入改性橡胶颗粒的空白基准试件，其劈裂抗拉强度为2.25 MPa；当掺入4%改性橡胶颗粒时，5%NaOH、5%NaOH+1%KH560 2种改性方式的试件劈裂抗拉强度分别为2.16、2.22 MPa，与空白基准试件相比，降幅分别为4.0%、1.3%，强度折减率较小；此后，随着橡胶掺量增多，试件的劈裂抗拉强度下降幅度增大，当掺入20%改性橡胶颗粒时，5%NaOH、5%NaOH+1%KH560两种改性方式的试件劈裂抗拉强度分别降至1.49 MPa、1.78 MPa，与空白基准试件相比，降幅分别为33.8%、20.9%，强度折减率较大，但5%NaOH+1%KH560改性方式优于5%NaOH改性方式。发生以上这些现象的原因是，橡胶颗粒的掺入，相当于在混凝土材料基体中引入了较多的薄弱点和薄弱粘接界面[11-12]。当混凝土试件受到外力作用时，这些薄弱点和薄弱粘接界面会增大材料中的应力集中，材料中的裂纹会不断延展，最终破坏材料内部结构，因此，试件的劈裂抗拉强度降低[13-14]。综上，在混凝土材料中掺入改性橡胶颗粒，会降低材料的劈裂抗拉强度，但5%NaOH+1%KH560无机加有机的复合改性方式，可以降低材料劈裂抗拉强度的折减率，改性效果优于5%NaOH无机改性。

2.3 抗折强度分析

图3为试件的抗折强度与橡胶掺量、改性方式的关系。

由图3可知，随着试件中橡胶掺量从0%逐渐增加到20%，抗折强度不断降低。对于未摻入改性橡胶颗粒的空白基准试件，其抗折强度为4.02 MPa，而其余掺入改性橡胶颗粒的试件抗折强度均较低；当试件中掺入4%橡胶颗粒时，5%NaOH、5%NaOH+1%KH560 2种改性方式的试件抗折强度分别是3.85、3.98 MPa，与空白基准试件相比，降幅分别为4.2%、1.0%，下降幅度较小，且5%NaOH+1%KH560改性方式的试件抗折强度变化不大；当试件中掺入的改性橡胶颗粒增多到20%时，5%NaOH、5%NaOH+1%KH560 2种改性方式的试件抗折强度分别下降至3.12、3.26 MPa，这与空白基准试件相比，降幅分别是22.4%、18.9%。这些现象表明，在混凝土材料中掺入改性橡胶颗粒，会降低其抗折强度，但经过5%NaOH+1%KH560改性的橡胶混凝土，抗折强度下降的程度变小。发生以上这些现象的原因是，橡胶颗粒与水泥浆体之间的界面粘接效果较差，在二者界面粘接处容易产生一些微小的裂缝、孔隙。因此，当橡胶混凝土试件受到外力作用时，这些界面过渡区域的缺陷会作为薄弱区域，裂纹不断萌生、延展，引起材料整体的强度下降[15-16]。并且，混凝土材料中掺入的橡胶颗粒越多，这种薄弱区域越广泛，强度越小[17-18]。

综上，当在混凝土材料中掺入改性橡胶颗粒时，会使材料抗折强度降低。在改性方式方面，采用5%NaOH+1%KH560的改性方式优于5%NaOH改性，这表明，无机加有机复合改性优于单一的无机改性。

2.4 抗冲磨性能

根据“1.3.4”中的测试方法，对不同改性方式、不同橡胶掺量的试件进行测试，结果如图4所示。

由图4（a）可知，随着试件中改性橡胶颗粒掺量的增多，材料的抗冲磨强度不断增加。对于未掺入改性橡胶颗粒的空白基准试件，其抗冲磨强度为5.95 h/（kg/m2）；当在混凝土试件中掺入4%橡胶颗粒时，5%NaOH、5%NaOH+1%KH560之2种改性方式的试件抗冲磨强度分别上升至6.61、8.86 h/（kg·m2），与空白基准试件相比，增幅分别为11.1%、48.9%；当试件中的改性橡胶颗粒掺量增加至20%时，5%NaOH改性试件抗冲磨强度增加至17.23 h/（kg·m2），对比空白基准试件的增幅为190%，而5%NaOH+1%KH560改性试件的抗冲磨强度升高更多，为20.84 h/（kg·m2），增幅达到250%。这些现象表明，在混凝土中加入橡胶颗粒，有利于提高其抗冲磨强度，并且，经过复合溶液改性的橡胶，对材料抗冲磨强度的提升效果更好。

由图4（b）可知，试件在抗冲磨试验中的磨损率与橡胶掺量呈现负相关关系，这表明，随着试件中掺入的橡胶颗粒增多，磨损率下降。对于未掺入改性橡胶颗粒的空白基准试件，其磨损率为5.3%；当混凝土中掺入4%复合改性的橡胶颗粒时，试件的磨损率迅速下降，为3.2%，降幅为39.6%，而对于掺入4%单一无机改性的橡胶混凝土试件，其磨损率为4.4%，降幅仅为17.0%；当试件中的改性橡胶颗粒掺量增多至20%时，5%NaOH、5%NaOH+1%KH560 2种改性方式的试件磨损率分别下降至1.9%、1.5%，这与空白基准试件相比，降幅分别达到64.2%、71.7%。

综合分析可知，在抗冲磨试验过程中，对于掺入改性橡胶颗粒的混凝土试件，其表面的砂浆最先被冲磨掉，然后材料内部的粗骨料碎石以及橡胶颗粒逐渐被裸露出来。因为橡胶颗粒是弹性有机体，韧性较好，所以，橡胶颗粒可以吸收较多的冲磨能量，缓解自身与混凝土砂浆之间的冲磨效果，从而增强材料耐磨性能。在5%NaOH、5%NaOH+1%KH560两种橡胶改性方式方面，经过NaOH溶液浸泡后，橡胶颗粒表面附着的硬脂酸锌会被溶解，因此，在混凝土材料基体中，橡胶颗粒与水泥浆体之间的界面粘接效果提高。而KH560硅烷偶联剂中同时含有亲有机物和亲无机物基团，因此，用KH560硅烷偶联剂溶液再次对橡胶颗粒进行改性，会使橡胶颗粒与水泥浆体之间的界面粘接效果进一步提高。因此，经过无机加有机复合溶液改性后的橡胶混凝土，具备更好地抗冲磨性能[19-20]。说明橡胶颗粒的加入，可以提高混凝土抗冲磨性能，其中，经过5%NaOH+1%KH560改性的橡胶混凝土最佳。

3 结语

（1）在混凝土中掺入改性橡胶颗粒，会降低材料的抗压、劈裂抗拉、抗折强度，提高抗冲磨性能；

（2）5%NaOH+1%KH560无机加有机复合改性方式的改性效果，优于5%NaOH单一无机改性；

（3）在5%NaOH+1%KH560复合改性方式中，当橡胶掺量为20%时，抗冲磨强度为20.84 h/（kg·m2），增幅为250%，而磨损率为1.5%，降幅为71.7%。材料抗冲磨效果最好；

（4）当掺入8%的经过5%NaOH+1%KH560复合改性的橡胶颗粒时，材料的抗压、抗折强度分别为43.2、3.81 MPa，劈裂抗拉强度为2.09 MPa，抗冲磨强度和磨损率分别为10.77 h/（kg·m2）、2.8%，综合性能良好。

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