馬海彬，馬晴晴，吳 帆，胡 凡

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，淮南 安徽 232001)

汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展使得廢棄橡膠輪胎的處理成為環(huán)境治理的一大難題，我國(guó)橡膠產(chǎn)量以及相應(yīng)的廢棄橡膠輪胎產(chǎn)量以每年8%～10%的速度增長(zhǎng)，位居世界第一。妥善處理廢棄橡膠成為亟待解決的問(wèn)題，橡膠混凝土是回收和再利用廢舊橡膠的有效途徑[1-2]。

有研究表明[3-5]，與普通混凝土相比，橡膠混凝土抗裂性能、抗沖擊性能、減震性能、抗?jié)B性能、抗凍性能、隔熱和隔聲性能都有顯著提高，但其抗壓強(qiáng)度明顯降低，且隨著橡膠摻量的增加力學(xué)強(qiáng)度降低幅度增大。為推進(jìn)橡膠混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用，學(xué)者們?cè)诟倪M(jìn)橡膠顆粒的表觀物理性能以及改善水泥砂漿性能進(jìn)而提高橡膠混凝土的力學(xué)性能方面作了大量研究。文獻(xiàn)[6]分別運(yùn)用濃度為3%的NaOH溶液與硅烷偶聯(lián)劑KH-550溶液對(duì)橡膠顆粒進(jìn)行改性，在橡膠等量替代30%砂時(shí)，NaOH改性橡膠混凝土強(qiáng)度提高6.5%，而KH-550改性橡膠混凝土強(qiáng)度僅提高3.9%。文獻(xiàn)[7]以馬來(lái)酸酐為原料，引入不同引發(fā)劑對(duì)其接枝改性廢舊橡膠粉，用分析純過(guò)氧化二異丙苯作為引發(fā)劑時(shí)抗壓強(qiáng)度結(jié)果最好，在水灰比為0.4橡膠等體積替代15%砂時(shí)強(qiáng)度最大值為45.1MPa。已有的研究表明，采用改變橡膠表觀性能的方法改性橡膠混凝土，雖能提高橡膠混凝土的力學(xué)強(qiáng)度，但提高幅度并不明顯。文獻(xiàn)[8]研究了納米SiO2的摻入對(duì)混凝土性能的影響，混凝土的抗壓強(qiáng)度提高10%～30%，抗折強(qiáng)度亦提高20%以上，表明納米SiO2能有效吸收Ca(OH)2晶體，且更有效細(xì)化Ca(OH)2晶體，顯著提高混凝土的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度。

綜合以上研究結(jié)果，相比改性橡膠的方法，加入納米SiO2能夠改善混凝土內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)，明顯提高混凝土力學(xué)強(qiáng)度，所以本文以外摻納米SiO2作為強(qiáng)度補(bǔ)償方法，研究不同納米SiO2摻量對(duì)橡膠砂漿力學(xué)及收縮性能的影響，綜合評(píng)價(jià)納米SiO2對(duì)橡膠砂漿性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥， BET比表面積為1.447m2/g。砂為淮河黃砂，細(xì)度模數(shù)為2.6，密度為2 520kg/m3。橡膠顆粒為20～40目，密度為1 030kg/m3。納米SiO2含量≥99.5%，粒徑為30±5nm。減水劑為聚羧酸液態(tài)減水劑。

1) 試驗(yàn)配合比

本試驗(yàn)采用水膠比為0.3，砂率為50%的基準(zhǔn)配合比，橡膠等體積替代30%砂。研究不同納米SiO2摻量對(duì)橡膠砂漿性能的影響，分別按照水泥質(zhì)量的0%、1%、3%、5%外摻納米SiO2，試驗(yàn)配合比見(jiàn)表1。試驗(yàn)編號(hào)M0為未添加納米SiO2對(duì)照組，M1、M3、M5分別為按水泥質(zhì)量的1%、3%、5%外摻納米SiO2的試驗(yàn)組。

表1 100g基準(zhǔn)配合比

2)孔隙率及密度測(cè)試

根據(jù)ASTM C20[9]，測(cè)試試塊的孔隙率、真實(shí)密度、表觀密度，3個(gè)試塊為一組，測(cè)量結(jié)果取平均值。具體方法為將試塊置于烘箱在105℃條件下烘干至恒重，測(cè)其重量即為試塊干重Q1；之后將試塊煮沸2h并在水中浸泡12h，使用細(xì)線懸于水中測(cè)其懸掛重量Q2，并測(cè)其飽和重量Q3?？紫堵?、吸水率、真實(shí)密度以及表觀密度按以下公式進(jìn)行換算

① 孔隙率

n=(Q3-Q1)/(Q3-Q2)×100%

(1)

② 真實(shí)密度

ρt=Q1/(Q1-Q2)

(2)

③ 表觀密度

ρb=Q1/(Q3-Q2)

(3)

3)力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試

根據(jù)ASTM C349[10]，制備40mm×40mm×160mm棱柱體試塊，在溫度為23℃，相對(duì)濕度>95%的條件下分別養(yǎng)護(hù)至3d、7d、28d。測(cè)試過(guò)程中，使用抗壓和抗折模具分別測(cè)試其抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度6個(gè)試塊為一組，抗折強(qiáng)度3個(gè)試塊為一組，測(cè)試結(jié)果取平均值。

4)自收縮測(cè)試

根據(jù) ASTM C1698[11]，采用波紋管法測(cè)試每一組配合比線性自收縮。3個(gè)試件為一組，測(cè)量結(jié)果取平均值。以終凝時(shí)刻試件長(zhǎng)度為初始值，自收縮微應(yīng)變值按下式計(jì)算

με=(LT-L0)×106/L0

(5)

式中：L0和LT分別為終凝時(shí)刻和測(cè)量時(shí)刻試件長(zhǎng)度值。

5)干縮測(cè)試

根據(jù)ASTM 596[12]，制備尺寸為25mm×25mm×285mm的干縮試件。試驗(yàn)方法為將澆筑完畢的新拌砂漿連同模具放置在溫度為23℃， 相對(duì)濕度>95%的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)24h，拆模后，浸泡在飽和Ca-(OH)2溶液中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)48h，齡期為72h時(shí)將試塊取出擦干首次測(cè)量試塊的初始長(zhǎng)度，之后將試件放入相對(duì)濕度為50%±3%的環(huán)境中，每天測(cè)試一次，連續(xù)測(cè)至7d，測(cè)量結(jié)果取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 孔隙率及密度

表2 孔隙率及密度

表2為試塊的孔隙率及密度數(shù)據(jù)，由表2可知，納米SiO2的加入對(duì)試塊的孔隙率、真實(shí)密度與表觀密度有顯著影響，試塊孔隙率減小、真實(shí)密度與表觀密度增大。隨著納米SiO2摻量的增加，試塊的孔隙率的降低幅度呈先增大后減小的趨勢(shì)，真實(shí)密度與表觀密度的提高幅度亦呈先增大后減小的趨勢(shì)。在納米SiO2摻量為3%時(shí)影響效果最顯著，孔隙率達(dá)到最低值7.48%，與對(duì)照組M0相比降低32%；真實(shí)密度與表觀密度亦達(dá)到最大值，分別為2.41g/cm3、1.88g/cm3，與對(duì)照組相比分別增大26.8%、14.6%。納米SiO2的加入明顯提高砂漿的密實(shí)度，這是由于砂漿內(nèi)部納米SiO2與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)生成硅酸鈣凝膠，有效填補(bǔ)了橡膠顆粒與砂漿之間的孔隙，降低了砂漿的孔隙率，使其更加密實(shí)[13]。在納米SiO2摻量為3%的條件下，納米SiO2與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)最充分，生成的結(jié)構(gòu)最為致密，而在摻量為5%時(shí)摻入納米SiO2過(guò)量阻止了凝膠形成長(zhǎng)鏈[14]，孔隙率的降低幅度以及真實(shí)密度和表觀密度的提高幅度降低。

2.2 抗壓強(qiáng)度

試驗(yàn)分別測(cè)試了橡膠砂漿各齡期抗壓強(qiáng)度，如表3所示：

表3 4組配合比各齡期橡膠砂漿抗壓強(qiáng)度

圖1 4組配合比各齡期橡膠砂漿抗壓強(qiáng)度

圖1將4組配合比橡膠砂漿各齡期抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)比，通過(guò)對(duì)比可知，在橡膠砂漿中摻入納米SiO2，可有效提高橡膠砂漿的抗壓強(qiáng)度，且抗壓強(qiáng)度提高幅度隨其摻量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)。與M0相比，3d時(shí)，M1、M3的抗壓強(qiáng)度分別提高3.28%、9.08%，而M5的抗壓強(qiáng)度降低了6%；7d時(shí)， M1、M3、M5的抗壓強(qiáng)度分別提高15.57%、35.93%、13.25%；28d時(shí)， M1、M3、M5的抗壓強(qiáng)度分別提高17.32%、35.20%、12.87%。這是由于納米SiO2粒徑小，比表面積大，表面效應(yīng)更顯著，與水泥水化產(chǎn)物大量鍵合，吸收水泥硬化漿體中富集的Ca(OH)2，在其顆粒表面形成更多的C-S-H凝膠，形成致密的微結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)砂漿的強(qiáng)度[13]。

在整個(gè)齡期內(nèi)，M3組試塊的抗壓強(qiáng)度提高幅度明顯高于M1、M5，且在7d與28d時(shí)抗壓強(qiáng)度均提高30%以上。說(shuō)明在摻量3%時(shí)納米SiO2與水泥水化產(chǎn)物充分反應(yīng)，而納米SiO2摻量為5%時(shí)，砂漿內(nèi)部生成過(guò)量的硅酸鹽，阻止凝膠形成過(guò)長(zhǎng)的鏈，降低了試塊強(qiáng)度的提高幅度[14]。

2.3 抗折強(qiáng)度

圖2為4組不同配合比在不同齡期的抗折強(qiáng)度，在橡膠砂漿中摻入納米SiO2亦有效提高了試塊的抗折強(qiáng)度，且抗折強(qiáng)度的變化規(guī)律與抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律大致相符。與M0相比，M1、M3、M5的抗折強(qiáng)度均有顯著提高，3d時(shí)，M1、M3、M5組抗折強(qiáng)度分別提高20.34%、26.78%、8.13%；7d時(shí)，M1、M3、M5組抗折強(qiáng)度分別提高4.34%、28.90%、4.04%；28d時(shí)，M1、M3、M5組抗折強(qiáng)度分別提高3.55%、17.97%、3.78%，試塊抗折強(qiáng)度提高幅度隨納米SiO2摻量的增加呈先增大后減小的規(guī)律。這也歸因于納米SiO2促進(jìn)了水泥水化，提高結(jié)構(gòu)致密性，增強(qiáng)了砂漿的抗折強(qiáng)度，且在3%摻量時(shí)納米SiO2與水泥水化產(chǎn)物的反應(yīng)最充分，抗折強(qiáng)度提高幅度最顯著。

圖2 4組配合比各齡期橡膠砂漿抗折強(qiáng)度

2.4 自收縮

試驗(yàn)采用波紋管法測(cè)試每一組配合比的線性自收縮情況，3個(gè)試件為一組，測(cè)量結(jié)果取平均值。圖3為4組不同配合比的橡膠砂漿28d齡期內(nèi)自收縮變化曲線。

圖3 4組配合比28天齡期內(nèi)橡膠砂漿自收縮

4組配合比橡膠砂漿的自收縮在7d測(cè)試齡期內(nèi)都呈線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，在10d齡期前后試塊的自收縮趨于平緩。加入納米SiO2在有效提高試塊力學(xué)性能的同時(shí)增強(qiáng)橡膠砂漿微結(jié)構(gòu)的密實(shí)性，對(duì)砂漿的收縮性能產(chǎn)生重要影響。納米SiO2的加入增大了砂漿的自收縮，且隨著納米SiO2摻量的增加自收縮呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，M1、M3、M5的自收縮均大于M0組，M3組的自收縮最大，最大值為477με。自收縮主要是水泥基材料在密閉環(huán)境中，由于水泥持續(xù)水化，水分損失引發(fā)自干燥現(xiàn)象，在毛細(xì)孔毛細(xì)應(yīng)力作用下引發(fā)的變形。加入納米SiO2促進(jìn)水泥早期水化，提高微結(jié)構(gòu)的致密性，減小毛細(xì)孔毛細(xì)壓力，產(chǎn)生較大自收縮。納米SiO2摻量在3%時(shí)，砂漿的微結(jié)構(gòu)密實(shí)性最高，孔隙率最小，試塊的自收縮最為顯著，增加砂漿開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。但在納米SiO2摻量為5%的條件下砂漿內(nèi)部形成過(guò)量硅酸鹽組織了長(zhǎng)鏈形成，砂漿的收縮降低，砂漿開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)減小。

2.5 干燥收縮

圖4圖5為4組不同配合比28天齡期內(nèi)橡膠砂漿干燥收縮與質(zhì)量損失的變化曲線。

圖4 4組不同配合比28天齡期內(nèi)橡膠砂漿干燥收縮

圖5 4組不同配合比28天齡期內(nèi)橡膠砂漿質(zhì)量損失

如圖所示，7d測(cè)試齡期內(nèi)，各組橡膠砂漿干燥收縮與質(zhì)量損失都呈線性增大的趨勢(shì)，之后增長(zhǎng)速度減緩，在20天齡期時(shí)曲線趨于平緩。納米SiO2的加入對(duì)橡膠砂漿的干燥收縮和質(zhì)量損失也產(chǎn)生重要影響。由圖4可以看出干燥收縮與自收縮發(fā)展規(guī)律基本一致，加入納米SiO2明顯提高橡膠砂漿的干燥收縮，且收縮量隨著納米SiO2的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，在摻量3%條件下提高幅度最大，最大收縮量達(dá)到1 394με。干燥收縮是指混凝土試塊停止養(yǎng)護(hù)后，不飽和條件下混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔和凝膠孔的吸附水散失至外部引起的收縮，反應(yīng)水泥基材正常工作時(shí)的收縮性能，是一種不可逆的收縮[15]。事實(shí)上，加入納米SiO2可有效提高砂漿微結(jié)構(gòu)密實(shí)性，降低孔隙率，減小試塊在干燥環(huán)境中的水分散失，降低試塊干燥收縮。然而，干縮測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)展規(guī)律卻與此相反，這說(shuō)明，干縮試件不僅發(fā)生著干燥收縮變化，因其結(jié)構(gòu)較為密實(shí)，在試件內(nèi)部尚發(fā)生著一定的自收縮。

試塊的質(zhì)量損失是由于試塊內(nèi)部自由水散失到干燥的空氣中引起的，從圖5可看出，隨著SiO2摻量的增加橡膠砂漿的質(zhì)量損失呈逐漸減小的趨勢(shì)，M0組質(zhì)量損失大于M1、M3、M5，且M5組干燥收縮質(zhì)量損失最小，僅為3.68%。這說(shuō)明納米SiO2與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)生成水合物，降低砂漿中游離水的含量，且加入的納米SiO2越多，砂漿中游離水的含量越低，反應(yīng)生成的凝膠亦填補(bǔ)了砂漿內(nèi)部孔隙，減少水分的散失，降低砂漿質(zhì)量損失。

3 結(jié)論

本文研究了不同納米SiO2摻量對(duì)橡膠砂漿物理性質(zhì)、力學(xué)性能以及收縮性能的影響，得出以下結(jié)論：

(1)納米SiO2與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)生成C-S-H凝膠，形成致密微結(jié)構(gòu)，降低橡膠砂漿孔隙率，提高砂漿的真實(shí)密度與表觀密度；

(2)納米SiO2的加入，使橡膠砂漿內(nèi)部微結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，改善橡膠砂漿的力學(xué)性能，橡膠砂漿的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均顯著提高；

(3)橡膠等體積替代30%砂的條件下，試塊力學(xué)性能的提升幅度隨著納米SiO2的摻量增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，納米SiO2摻量為3%時(shí)抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度提高最大，納米SiO2加入過(guò)多生成過(guò)量的硅酸鹽會(huì)阻止凝膠生成長(zhǎng)鏈，降低試塊強(qiáng)度的提高幅度，從力學(xué)性能的角度看，在水膠比為0.3砂率為50%的情況下，試驗(yàn)最佳的納米SiO2摻量為水泥質(zhì)量的3%；

(4)納米SiO2的加入在提高試塊的抗壓強(qiáng)度的同時(shí)也增大了試塊的收縮，納米SiO2摻量為3%的橡膠砂漿的干燥收縮以及自收縮幅度大于另外兩個(gè)摻量，增大了砂漿的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，故在今后的研究中仍需進(jìn)一步綜合考量。