蔣連接 朱方之 馬 靜 施 云 羅海艷 高 立

（宿遷學(xué)院建筑工程學(xué)院，宿遷223800）

0 引 言

在2019 年中國廢橡膠綜合利用行業(yè)高峰論壇上專家指出：隨著汽車保有量的持續(xù)增長，2018年我國產(chǎn)生了3.8億條廢舊輪胎，廢橡膠產(chǎn)生量約1 500 萬噸，較上年繼續(xù)攀升，解決廢橡膠產(chǎn)生的黑色污染，實(shí)現(xiàn)廢橡膠資源化循環(huán)利用，具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。橡膠顆粒是我國廢橡膠綜合利用的主要方式之一［1］。橡膠顆粒的堆積密度小、導(dǎo)熱系數(shù)低，作為輕骨料應(yīng)用于保溫材料中，既可以提高保溫材料的保溫性能，減少建筑能耗，又可以提高廢橡膠的循環(huán)利用，減輕環(huán)境污染，具有廣闊的發(fā)展前景［2-5］。

?；⒅楸厣皾{是一種常用于建筑物外墻和屋面工程中的保溫材料，在其中摻入適量的橡膠顆粒制備新型復(fù)合保溫砂漿可以拓寬廢橡膠的利用途徑?？箟簭?qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)是?；⒅楸厣皾{重要的性能指標(biāo)，已有少數(shù)學(xué)者研究了橡膠顆粒摻量對上述指標(biāo)的影響［6-7］。在此基礎(chǔ)上，本文先對橡膠顆粒表面進(jìn)行改性處理，再將其摻入玻化微珠保溫砂漿中制備20 組復(fù)合保溫砂漿試塊，研究了橡膠顆粒摻量和粒徑對復(fù)合保溫砂漿抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響規(guī)律，為其推廣應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

采用以下試驗(yàn)材料：上海舜安建材有限公司生產(chǎn)的?；⒅楸厣皾{預(yù)拌干粉；宿遷興亞橡膠有限公司生產(chǎn)的（0.38～0.55）mm、（0.55～2.36）mm、（2.36～4）mm 三種細(xì)度的橡膠顆粒；東莞鼎海塑膠化工有限公司生產(chǎn)的硅烷偶聯(lián)劑KH-550改性劑；煙臺遠(yuǎn)東精細(xì)化工有限公司生產(chǎn)的乙醇；自來水。

1.2 試塊設(shè)計(jì)

玻化微珠保溫砂漿的配合比由廠家提供，水灰比為0.8；橡膠顆粒摻量取預(yù)拌干粉質(zhì)量的0、10%、20%、30%，橡膠顆粒粒徑范圍為（0.38～0.55）mm、（0.55～2.36）mm、（2.36～4）mm，分別用A、B、C 表示。設(shè)計(jì)10 組70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 復(fù)合保溫砂漿試塊，每組3 個，用CM-mn 表示，用于測定28 d 立方體抗壓強(qiáng)度；設(shè)計(jì)10 組300 mm×300 mm×30 mm 復(fù)合保溫砂漿試塊，每組2 個，用TM-mn 表示，用于測定28d 絕干狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)。試塊分組詳見表1，其中CM 代表測定抗壓強(qiáng)度用試塊，TM 代表測定導(dǎo)熱系數(shù)用試塊，m代表橡膠顆粒粒徑，n代表橡膠顆粒摻量（%）。

表1 復(fù)合保溫砂漿試塊分組Table 1 Group of composite thermal insulation mortar samples

1.3 試塊制備

試塊制備前先對橡膠顆粒表面進(jìn)行硅烷偶聯(lián)劑KH-550改性處理，以減小橡膠顆粒對試塊抗壓強(qiáng)度的不利影響。具體步驟如下：稱取1.5%橡膠顆粒質(zhì)量的硅烷偶聯(lián)劑KH-550，按KH-550∶乙醇∶水=20%∶72%∶8%的比例混合、配制偶聯(lián)劑溶液，然后將橡膠顆粒與偶聯(lián)劑溶液充分?jǐn)嚢杈鶆?，最后放在陰涼處直至橡膠顆粒顆粒表面完全干燥［8］。

稱取各材料用量，向攪拌機(jī)中倒入預(yù)拌干粉和橡膠顆粒，干拌2 min，使橡膠顆粒在干粉中分散均勻，徐徐加入水，攪拌3 min，倒出均勻膏狀料漿，分別裝入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 和300 mm×300 mm×30 mm 模具中，振搗后用塑料薄膜覆蓋，放入養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

1.4 試驗(yàn)方法

養(yǎng)護(hù)28 d 后取出70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm試塊，參照《建筑砂漿基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ∕T 70—2009）測定試塊的立方體抗壓強(qiáng)度。養(yǎng)護(hù)28 d 后取出300 mm×300 mm×30 mm 試塊，采用砂紙打磨試塊表面，保證試塊不平行度不超過試塊厚度的2%，每組兩個試塊的厚度差不超過2%；將試塊放入（105±5）℃烘箱中烘干至恒重，待試塊冷卻至室溫，參照《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定-熱流計(jì)法》（10295—2008）利用北京建通JTRG-III導(dǎo)熱系數(shù)測試儀測定絕干狀態(tài)下試塊的導(dǎo)熱系數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

2.1.1 橡膠顆粒摻量對抗壓強(qiáng)度的影響

圖1 給出了橡膠顆粒摻量對復(fù)合保溫砂漿抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。從圖1 可以看出，相比于未摻橡膠顆粒砂漿CM-0的抗壓強(qiáng)度3.49 MPa，摻入10%、20%、30%（0.38～0.55）mm 橡膠顆粒后砂漿CM-A10、CM-A20、CM-A30 的抗壓強(qiáng)度分別下降了30.7%、32.7%、49.3%，摻入10%、20%、30%（0.55～2.36）mm 橡膠顆粒后砂漿CM-B10、CMB20、CM-B30 的抗壓強(qiáng)度分別下降了14.6%、19.8%、32.4%，摻入10%、20%、30%（2.36～4）mm橡膠顆粒后砂漿CM-C10、CM-C20、CM-C30 的抗壓強(qiáng)度分別下降了32.4%、46.1%、51.0%。以上數(shù)據(jù)表明：隨著橡膠顆粒摻量的增加，各組砂漿的抗壓強(qiáng)度均逐漸降低，且降低速度較為迅速；摻量10%時，砂漿CM-A10、CM-C10的抗壓強(qiáng)度已經(jīng)下降約30%，摻量30%時，砂漿CM-A30、CM-C30 的抗壓強(qiáng)度甚至下降了約50%。因此，橡膠顆粒嚴(yán)重降低了砂漿的抗壓強(qiáng)度。

圖1 橡膠顆粒摻量對復(fù)合保溫砂漿抗壓強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of rubber particle content on compressive

橡膠顆粒導(dǎo)致砂漿抗壓強(qiáng)度降低的主要原因是［9-10］：橡膠顆粒具有較好的憎水性，無法與具有親水性的水泥基體產(chǎn)生良好的粘結(jié)，兩者之間形成了大量的薄弱界面，從而降低了砂漿的抗壓強(qiáng)度；橡膠顆粒具有較好的引氣性，在砂漿攪拌過程中容易包裹空氣，形成大量的孔隙，從而降低了砂漿的密實(shí)度和抗壓強(qiáng)度；橡膠顆粒具有較好的彈性，彈性模量比較小，受壓時其變形與其他材料不相協(xié)調(diào)，而且砂漿的橫向變形增大，從而加速砂漿內(nèi)部微裂縫以及橡膠顆粒、水泥基體之間裂縫的發(fā)展，從而降低了砂漿的抗壓強(qiáng)度。上述三種不利影響隨著橡膠顆粒摻量的增加愈發(fā)顯著，導(dǎo)致砂漿的抗壓強(qiáng)度不斷下降。

橡膠顆粒表面雖然已經(jīng)進(jìn)行了KH-550 改性處理，但是砂漿的抗壓強(qiáng)度仍然產(chǎn)生了大幅度降低。因此，工程應(yīng)用時仍需尋求更好的改性方式，以減小橡膠顆粒對砂漿抗壓強(qiáng)度的不利影響。

同時發(fā)現(xiàn)，在相同橡膠顆粒摻量的情況下，摻（0.55～2.36）mm 橡膠顆粒砂漿的抗壓強(qiáng)度大于摻其他橡膠粒徑的砂漿，顯示出橡膠顆粒粒徑對砂漿抗壓強(qiáng)度也有一定的影響。以下將討論該問題。

2.1.2 橡膠顆粒粒徑對抗壓強(qiáng)度的影響

圖2 反映了橡膠顆粒粒徑與復(fù)合保溫砂漿抗壓強(qiáng)度的變化關(guān)系。對比各組砂漿的抗壓強(qiáng)度可知，當(dāng)橡膠顆粒摻量相同時，隨著橡膠顆粒粒徑的增大，砂漿的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。與摻（0.55～2.36）mm 橡膠顆粒砂漿CM-B 的抗壓強(qiáng)度相比，摻（0.38～0.55）mm 細(xì)橡膠顆粒砂漿CM-A10、CM-20、CM-A30 的抗壓強(qiáng)度分別僅為砂漿CM-B10、CM-B20、CM-B30 的81.2%、83.9%、75%，說明摻入的橡膠顆粒粒徑越大，砂漿的抗壓強(qiáng)度越高。但是當(dāng)摻入更粗的（2.36～4）mm 橡膠顆粒時，砂漿CM-C 的抗壓強(qiáng)度相較于砂漿CM-B反而降低了，砂漿CM-C10、CM-C20、CM-C30 的抗壓強(qiáng)度分別約為砂漿CM-B10、CM-B20、CM-B30的79.2%、67.1%、72.5%。

究其原因，在橡膠顆粒摻量相同的情況下，橡膠顆粒粒徑越大，橡膠顆粒的表面積越小，與水泥基體的粘結(jié)薄弱界面越少，砂漿的抗壓強(qiáng)度越高；再者，橡膠顆粒粒徑越大，引氣作用不顯著，砂漿中的含氣量減少［11］，其抗壓強(qiáng)度也越高。因此，隨著橡膠顆粒粒徑的增大，砂漿的抗壓強(qiáng)度逐漸變大。但是，由于橡膠顆粒的彈性模量比較小，在相同壓力作用下，橡膠顆粒粒徑越大，其變形與其他材料越不協(xié)調(diào)，砂漿的橫向變形越大，砂漿內(nèi)部微裂縫以及橡膠顆粒、水泥基體之間裂縫的發(fā)展越快，從而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度大幅下降。當(dāng)橡膠顆粒粒徑增加到（2.36～4）mm 時，由橡膠顆粒彈性模量小導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低的不利影響因素逐漸占據(jù)了主導(dǎo)作用，因此砂漿CM-C 的抗壓強(qiáng)度反而比砂漿CM-B有所降低。

圖2 橡膠顆粒粒徑對復(fù)合保溫砂漿抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of rubber particle size on compressive strength

2.2 導(dǎo)熱系數(shù)

2.2.1 橡膠顆粒摻量對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

橡膠顆粒摻量對復(fù)合保溫砂漿導(dǎo)熱系數(shù)的影響如圖3 所示。無論摻加何種粒徑的橡膠顆粒，砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)均隨橡膠顆粒摻量的增加而不斷減小。未摻橡膠顆粒砂漿TM-0 的導(dǎo)熱系數(shù)為0.115 W∕（m·K），摻入10%、20%、30%（0.38～0.55）mm 橡膠顆粒后砂漿TM-A10、TM-A20、TM-A30 的導(dǎo)熱系數(shù)均小于0.1 W∕（m·K），比砂漿TM-0 分別下降了15.7%、17.4%、20.0%；摻入10%、20%、30%（0.55～2.36）mm 橡膠顆粒后砂漿TM-B10、TMB20、TM-B30的導(dǎo)熱系數(shù)比砂漿TM-0分別下降了5.2%、8.7%、13.9%；摻入10%、20%、30%（2.36～4）mm 橡膠顆粒后砂漿TM-C10、TM-C20、TM-C30 的導(dǎo)熱系數(shù)比砂漿TM-0 分別下降了2.6%、6.1%、12.2%。這說明橡膠顆粒有助于提高保溫砂漿的保溫性能，且橡膠顆粒摻量越大，砂漿的保溫性能越好。摻入橡膠顆粒后，砂漿導(dǎo)熱系數(shù)的下降幅度最大不超過20%，遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度的下降幅度，因此橡膠顆粒摻量對抗壓強(qiáng)度的影響比對導(dǎo)熱系數(shù)的影響更顯著。

圖3 橡膠顆粒摻量對復(fù)合保溫砂漿導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.3 Effect of rubber particle content on thermal coefficient

分析認(rèn)為，復(fù)合保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)主要與砂漿內(nèi)部的含氣量和孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)。橡膠顆粒本身的導(dǎo)熱系數(shù)比較小，為（0.1～0.15）W∕（m·K）［7］，與未摻橡膠顆粒砂漿TM-0的導(dǎo)熱系數(shù)比較接近，對導(dǎo)熱系數(shù)的影響作用不大。但是，橡膠顆粒的摻入增大了砂漿中的含氣量，且隨著橡膠顆粒摻量的增加，引氣作用愈發(fā)明顯，含氣量呈上升的趨勢［11］，從而在砂漿中引入了更多細(xì)小、封閉的孔隙，減少了對流傳熱，從而有效地改善了砂漿的保溫性能。

2.2.2 橡膠顆粒粒徑對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

橡膠顆粒粒徑對復(fù)合保溫砂漿導(dǎo)熱系數(shù)的影響規(guī)律見圖4。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，相同橡膠顆粒摻量時，隨著橡膠顆粒粒徑的增大，砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)隨之增大，保溫性能不斷降低。當(dāng)橡膠顆粒摻量為10%時，相比于砂漿TM-A10，砂漿TM-B10、TM-C10 的導(dǎo)熱系數(shù)分別增加了12.4%、15.5%；當(dāng)橡膠顆粒摻量為20%時，相比于砂漿TM-A20，砂漿TM-B20、TM-C20 的導(dǎo)熱系數(shù)分別增加了10.5%、13.7%；當(dāng)橡膠顆粒摻量為30%時，相比于砂漿TM-A30，砂漿TM-B30、TM-C30 的導(dǎo)熱系數(shù)分別增加了7.6%、9.8%。由此可見，摻細(xì)橡膠顆粒砂漿的保溫性能優(yōu)于摻粗橡膠顆粒砂漿。這是因?yàn)樵谙鹉z顆粒摻量相同的情況下，隨著橡膠顆粒粒徑的減小，橡膠顆粒的引氣作用越顯著，砂漿中的含氣量越多，更多細(xì)小、封閉的孔隙提高了砂漿的保溫性能。

2.3 應(yīng)用建議

（2.36～4）mm 粗橡膠顆粒對復(fù)合保溫砂漿的抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)均有較大的不利影響，配制保溫砂漿時不建議使用。

圖4 橡膠顆粒粒徑對復(fù)合保溫砂漿導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.4 Effect of rubber particle size on thermal

（0.55～2.36）mm 橡膠顆粒對復(fù)合保溫砂漿抗壓強(qiáng)度的不利影響最小，砂漿的抗壓強(qiáng)度幾乎均在2.5 MPa 以上，滿足《無機(jī)輕集料砂漿保溫系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 253—2011）中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型保溫砂漿抗壓強(qiáng)度的指標(biāo)要求，但僅在橡膠摻量30%時導(dǎo)熱系數(shù)小于0.1 W∕（m·K）。建議使用（0.55～2.36）mm 橡膠顆粒配制保溫砂漿時摻量宜控制在30%左右。

（0.38～0.55）mm 細(xì)橡膠顆粒對復(fù)合保溫砂漿保溫性能的改善效果最好，砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)均小于0.1 W∕（m.K），滿足《無機(jī)輕集料砂漿保溫系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 253—2011）中Ⅲ型保溫砂漿的指標(biāo)要求，但抗壓強(qiáng)度下降較多。建議使用（0.38～0.55）mm 細(xì)橡膠顆粒配制保溫砂漿時摻量宜控制在20%以下。

3 結(jié) 論

（1）無論摻何種粒徑的橡膠顆粒，隨著橡膠顆粒摻量的增加，復(fù)合保溫砂漿的抗壓強(qiáng)度顯著降低，導(dǎo)熱系數(shù)不斷減小，保溫性能隨之提高；橡膠顆粒摻量對抗壓強(qiáng)度的影響更加顯著。

（2）當(dāng)橡膠顆粒摻量相同時，摻細(xì)橡膠顆粒砂漿的保溫性能優(yōu)于摻粗橡膠顆粒砂漿，復(fù)合保溫砂漿的抗壓強(qiáng)度隨著橡膠顆粒粒徑的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

（3）配制復(fù)合保溫砂漿時不建議使用（2.36～4）mm 粗橡膠顆粒，使用（0.55～2.36）mm 橡膠顆粒時宜將摻量控制在30%左右，使用（0.38～0.55）mm細(xì)橡膠顆粒時宜將摻量控制在20%以下。