橡膠粉摻量對水泥砂漿性能的影響

張艷聰，高玲玲

（1.山西省交通科學(xué)研究院 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原029306；2.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 運(yùn)城044004）

廢舊橡膠粉作為可再生資源，被廣泛應(yīng)用于筑路技術(shù)中，不僅能改善筑路材料的路用性能，并兼具降噪作用，且環(huán)境效益顯著［1－2］。將橡膠粉用于建筑物、構(gòu)造物、機(jī)場道面和高速公路路面，具有顯著的抗疲勞、抗開裂特點(diǎn)，可延長其使用壽命［3－6］。

因此，各國學(xué)者對橡膠粉水泥砂漿／混凝土做了較多的研究，Hal Huynh認(rèn)為2mm粒徑的橡膠顆粒能降低砂漿的抗壓和抗折強(qiáng)度。10.8mm×1.8mm的橡膠纖維可有效減小砂漿的裂紋寬度［7］。

按照ASTMC39進(jìn)行橡膠混凝土抗壓實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明橡膠顆粒的摻加使混凝土抗壓強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度均有所下降［8－9］。Segre和Joekes等認(rèn)為35目橡膠粉砂漿的抗壓、抗折強(qiáng)度均呈下降趨勢［10－15］。宋少民認(rèn)為當(dāng)混凝土中橡膠粉摻量達(dá)到最佳時(shí)，水泥與骨料的界面作用達(dá)到最大，有效抑制了微裂縫的發(fā)生，從而改善混凝土的抗沖擊性。

雖然對橡膠混凝土的研究很多，但大多使用橡膠顆粒代替粗集料研究橡膠混凝土的力學(xué)性能，針對橡膠粉按體積比取代砂所得砂漿性能的研究較少，因此筆者主要研究橡膠粉摻量對水泥砂漿流動(dòng)性、強(qiáng)度和韌性的影響，用于更加系統(tǒng)直觀地了解橡膠粉對水泥砂漿各項(xiàng)參數(shù)的作用，為橡膠粉水泥砂漿設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 原材料

為準(zhǔn)確對比橡膠粉摻量對水泥砂漿流動(dòng)性、強(qiáng)度、韌性和耐磨性能的影響，試驗(yàn)采用同一批次的原材料（水泥、集料、橡膠粉等）制作試件。

1.1 水泥

水泥選用質(zhì)量穩(wěn)定的北京產(chǎn)拉法基P.O42.5水泥，其物理 力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示，滿足GB175－1999《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》的質(zhì)量要求。

表1 水泥的性能指標(biāo)

1.2 集料

細(xì)集料選用秦皇島河砂，屬Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)為2.8，表觀密度為2.59g／cm3。特細(xì)砂細(xì)度模數(shù)為0.8，特細(xì)砂和機(jī)制砂的級配良好。

1.3 橡膠粉

試驗(yàn)采用80目廢舊輪胎橡膠粉，密度為1.3g／cm3，堆積密度為0.29g／cm3。

1.4 水

水選用北京地區(qū)的自來水。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用單因素控制法，將橡膠粉摻量作為變量，通過調(diào)節(jié)膠粉摻量、等體積取代砂的方法配制不同橡膠粉摻量的水泥砂漿，進(jìn)而測定不同摻量時(shí)的砂漿試樣流動(dòng)性和試件的7d、28d抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、韌性和耐磨性能。

流動(dòng)度、強(qiáng)度、耐磨性測試參照 《公路水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E30－2005）進(jìn)行，韌性通過測定砂漿小梁試件受彎時(shí)的荷載－變形曲線評定。試件尺寸和加載位置與抗折強(qiáng)度試驗(yàn)相同，采用 MTS－810材料試驗(yàn)系統(tǒng)測定橡膠砂漿小梁在荷載作用下的荷載－撓度曲線，采用撓度控制模式，壓頭下降速率為0.5mm／min。

2.1 橡膠粉摻量對水泥砂漿流動(dòng)性的影響

水泥砂漿的流動(dòng)性是反映水泥砂漿工作性的重要指標(biāo)。橡膠粉水泥砂漿的流動(dòng)性采用普通水泥膠砂流動(dòng)度測定儀測定。試驗(yàn)選擇3種橡膠粉摻量，按照干燥橡膠粉等體積取代砂的方法，進(jìn)行配合設(shè)計(jì)，體積取代率分別為：0%、10%、20%和30%。試樣配合比如表2所示：

表2 配合比

2.2 橡膠粉摻量對水泥砂漿抗壓、抗折強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)選擇10種橡膠粉摻量，按照干燥橡膠粉等體積取代砂的方法，進(jìn)行配合設(shè)計(jì)，基準(zhǔn)水泥用量為586g，基準(zhǔn)砂用量1500g，水灰比為0.5，橡膠粉的體積取代率分別為：0% 、1%、3%、5%、7%、9% 、10%、15% 、20%、25%和30%。

2.3 橡膠粉摻量對水泥砂漿韌性的影響

試驗(yàn)選擇10種橡膠粉摻量，按照干燥橡膠粉等體積取代砂的方法，進(jìn)行配合設(shè)計(jì)，基準(zhǔn)水泥用量為586g，基準(zhǔn)砂用量1500g，水灰比為0.5，橡膠粉體積取代率分別為：0%、10%、20%和30%。基準(zhǔn)試樣編號為3－0，摻加橡膠粉的試樣依次編號為3－1，……，3－3。

2.4 橡膠粉摻量對水泥砂漿耐磨性的影響

試驗(yàn)選擇3種橡膠粉摻量，以干燥的橡膠粉按體積比取代砂子，基準(zhǔn)水泥用量為586g，基準(zhǔn)砂用量1500g，水灰比為0.5，橡膠粉按體積取代砂，體積取代率分別為：10%、20%、30%?；鶞?zhǔn)試樣編號為4－0，摻加橡膠粉的試樣依次編號為4－1，……，4－3。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

按上述試驗(yàn)方法，配置水泥砂漿試件，并測定其流動(dòng)性、強(qiáng)度和韌性，結(jié)果與分析如下。

3.1 橡膠粉摻量對砂漿流動(dòng)性的影響

摻加橡膠粉的水泥砂漿流動(dòng)性測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 橡膠粉摻量與對7d強(qiáng)度

由圖1可知，水灰比相同時(shí)，水泥砂漿的流動(dòng)度隨橡膠粉摻量的增加線性增大，當(dāng)摻量增加到30%時(shí)，流動(dòng)性提高約26.4%。由于橡膠粉取代細(xì)砂的摻量是等體積進(jìn)行的，橡膠粉摻入的同時(shí)，總砂漿質(zhì)量降低，在同等攪拌功率下，橡膠砂漿更容易混合均勻。同時(shí)橡膠粉與砂相比，吸水量明顯較小，水灰比相同時(shí)，混合料中游離的水分增加。再者，橡膠粉屬微彈性材料，取代砂的同時(shí)，也降低了與骨料的界面摩擦。所以，在一定范圍內(nèi)，水泥砂漿的流動(dòng)度隨著膠粉摻量的增加呈現(xiàn)增大的趨勢。

3.2 橡膠粉摻量對砂漿抗壓、抗折強(qiáng)度的影響

3.2.1 摻量對砂漿7d強(qiáng)度的影響 橡膠粉摻量不同的砂漿試件的7d強(qiáng)度測試結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：1）隨著橡膠粉摻量的增加，橡膠粉水泥砂漿的7d抗壓強(qiáng)度和7d抗折強(qiáng)度總體上均呈現(xiàn)降低趨勢。摻量為30%時(shí)，抗壓強(qiáng)度降低約29%，抗折強(qiáng)度降低約24%；2）砂漿的折壓比的波動(dòng)范圍較小，即：抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨膠粉摻量增大的降低過程大致相同，折壓比幾乎不變；3）當(dāng)橡膠粉摻量介于0%～10%時(shí)，強(qiáng)度雖有波動(dòng)但未顯著下降，當(dāng)橡膠粉摻量大于10%時(shí)，水泥砂漿試件的抗壓強(qiáng)度以及抗折強(qiáng)度均隨膠粉摻量的增加急劇線性降低。

3.2.2 摻量對砂漿28d強(qiáng)度的影響 橡膠粉摻量不同砂漿試件的28d強(qiáng)度測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 橡膠粉摻量與28d強(qiáng)度

圖4 橡膠粉摻量與應(yīng)力應(yīng)變曲線

由圖3可知：1）隨橡膠粉摻量的增加，水泥砂漿試件的28d抗壓強(qiáng)度和28d抗折強(qiáng)度均呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，抗壓強(qiáng)度降幅為43%；而抗折強(qiáng)度降幅為32%，小于抗壓強(qiáng)度；2）折壓比隨著橡膠粉摻量的增加逐漸增大，即：28d時(shí)，水泥砂漿試件的折壓比隨橡膠粉摻量增加而提高；3）當(dāng)橡膠粉摻量小于10%時(shí)，28d的強(qiáng)度變化規(guī)律不同于7d，隨橡膠粉摻量的增加也呈現(xiàn)降低趨勢。

綜上，橡膠粉摻量的增加對水泥砂漿強(qiáng)度的影響較大。橡膠粉摻量越高，水泥砂漿的強(qiáng)度越低。摻量為30%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度僅為基準(zhǔn)試樣的50%，同時(shí)抗折強(qiáng)度也下降約30%。強(qiáng)度下降的主要原因有：1）橡膠粉是有機(jī)高分子材料材料，不具水化活性，不能與水泥生成具有粘結(jié)強(qiáng)度的水化產(chǎn)物；2）橡膠粉具有較大的彈性，只能承受很小的壓力；3）在較大的壓力下，會(huì)發(fā)生明顯的變形。砂漿中富含200～900μm的空隙，由于橡膠粉的粒徑優(yōu)勢，能在拌合及成型過程中對這些孔隙進(jìn)行填充。當(dāng)橡膠粉的摻量較小時(shí)，得益于橡膠粉的填充作用，水泥砂漿密實(shí)性增加，因此抗壓強(qiáng)度損失不大，抗折強(qiáng)度還略有提高；若摻量過大，則無水化粘結(jié)能力、不能承受壓力等問題開始凸顯，造成其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的急劇降低。

3.3 橡膠粉摻量對砂漿韌性的影響

水泥砂漿試件韌性測試結(jié)果如圖4所示。由于韌度通過試件底面的應(yīng)力 應(yīng)變曲線計(jì)算得到，當(dāng)彎拉應(yīng)力達(dá)到最大時(shí)，試件突然折斷，應(yīng)力迅速下降而應(yīng)變快速增大，所以，無法測得應(yīng)力下降階段的變化關(guān)系。因此，試驗(yàn)首先繪制相應(yīng)的應(yīng)力 應(yīng)變曲線，然后測算相同應(yīng)力作用時(shí)，曲線和應(yīng)力軸圍成的近似三角形的面積，進(jìn)而面積大小評價(jià)橡膠粉水泥砂漿的韌性優(yōu)劣。

由圖4可知：1）隨橡膠粉摻量的增大，水泥砂漿的韌性逐漸增加，這與橡膠粉的變形恢復(fù)能力有關(guān)，荷載相同時(shí)，在一定摻量范圍內(nèi)，橡膠粉含量越高，水泥砂漿的變形能力越大，即韌性越好。2）膠粉摻量不同的試樣應(yīng)力 應(yīng)變曲線均接近直線，即摻入膠粉有效地提高了砂漿材料的彈性，即使已經(jīng)發(fā)生了較大的應(yīng)變，材料依然處于彈性狀態(tài)。

3.4 橡膠粉摻量對砂漿耐磨性的影響

圖5 橡膠粉摻量與耐磨性能

橡膠粉摻量不同的砂漿試件的耐磨度測試結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：1）隨著橡膠粉摻量的增加，砂漿的耐磨性能總體上不斷提高，且二者近似線性關(guān)系；2）橡膠粉體積摻量為30%時(shí)，砂漿耐磨性能最好，當(dāng)摻量大于30%后，砂漿耐磨性不再明顯提高。

4 結(jié) 論

1）水灰比相同、橡膠粉按體積比等量取代砂時(shí)，水泥砂漿的流動(dòng)度隨膠粉摻量的增加線性增大。

2）砂漿的抗壓和抗折強(qiáng)度總體上隨膠粉摻量的增加逐漸降低隨。當(dāng)膠粉摻量介于0～10%時(shí)，強(qiáng)度雖有波動(dòng)但未顯著下降，當(dāng)摻量大于10%時(shí)，強(qiáng)度均急劇線性降低。齡期為7d時(shí)，砂漿試件折壓比幾乎不隨膠粉摻量變化，齡期為28d時(shí)，折壓比隨摻量增加而提高。

3）水灰比相同、橡膠粉按體積比等量取代砂，摻量小于30%之前，隨著橡膠粉摻量的增大，水泥砂漿韌性和耐磨性能均不斷增加。

4）橡膠粉的摻入改善了水泥砂漿的脆性，使材料在較大的應(yīng)變范圍內(nèi)均保持彈性。

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