周仙奕，莫俊杰

(1. 大連國際機場股份有限公司，遼寧 大連 116033；2. 佛山市三水區(qū)公路養(yǎng)護中心，廣東 佛山 528100)

0 引言

水泥是道路工程的重要材料之一，改性方式包括聚合物改性、橡膠改性、纖維改性等，其中摻入廢棄橡膠顆粒的改性方式既可以降低原材料的成本，也能減少廢棄橡膠對大自然的污染，是一種前途較廣的水泥材料改進發(fā)展方向，目前橡膠顆粒改性水泥砂漿的研究多集中于水泥混凝土、水泥穩(wěn)定碎石等方面。

摻入橡膠顆粒改性的水泥砂漿和原水泥材料性能差異較大。呂松濤[1]等的研究表明，橡膠顆粒的摻入會降低水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強度，且摻量越大降低幅度越大。Sukma[2]等測試加入表面活性劑和天然橡膠的水泥漿體后，試驗結果表明橡膠改性水泥基材料的抗折強度和韌性有所提高，而掃描電子顯微鏡觀察到水泥漿體中存在橡膠薄膜和氣泡。李淑媛[3]利用疲勞、干縮和溫縮等試驗，發(fā)現摻入橡膠粉后水泥穩(wěn)定碎石的疲勞性能提高，干縮應變和溫縮系數減小。傅強[4]等研究摻入橡膠集料的密實混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能，試驗結果表明橡膠顆粒摻量為10%的水泥混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力較強。薛剛[5]等發(fā)現橡膠顆粒摻入使得水泥砂漿的韌度增強，但橡膠顆粒摻入水泥混凝土后其強度有所降低，而同時摻入塑鋼纖維將有助于提高橡膠顆粒改性水泥混凝土的抗壓強度。喬偉偉[6]等的研究表明，加入橡膠顆粒后水泥混凝土的韌性得到改善。張海波[7]等研究了橡膠顆粒摻入水泥砂漿后的孔隙結構變化情況，試驗結果表明橡膠顆粒具有引氣作用，增加了水泥砂漿的氣孔含量，有利于改善水泥基材料的抗凍性。于勇[8]等通過壓汞試驗探究橡膠顆粒對水泥砂漿干燥收縮特性的影響，試驗結果表明橡膠顆粒的摻入增加了水泥砂漿微小孔隙(<50nm)，因而提高了水泥砂漿的抗干燥收縮能力。

綜上所述，已有的研究表明，橡膠顆粒改變了水泥基材料的孔隙結構，改善了其抗收縮性能及抗凍性能，使得橡膠顆粒改性的水泥基材料抗壓強度等力學性能呈現一定程度的下降，但目前對橡膠顆粒摻入后水泥基材料的微觀孔結構的研究較少。本文以此為切入點，采用壓汞試驗對摻入低摻量橡膠顆粒的水泥砂漿微觀孔結構進行分析，并對橡膠顆粒摻量與水泥砂漿孔隙結構的關系進行分析，為橡膠顆粒改性的水泥基材料的實際應用提供參考。

1 試驗方案

1.1 原材料

壓汞試驗采用硅酸鹽水泥P.I 42.5R(海螺牌)，該型水泥為I類硅酸鹽水泥，具有早期水化速度較快的特點。水泥砂漿所用的砂為細河砂；試驗中摻加的水為標準蒸餾水；橡膠顆粒購自湖南省合得利橡膠有限公司，粒徑為60目。由于橡膠顆粒中可能含有常溫時不溶于水硬脂酸和石蠟，這些雜質會影響水泥和橡膠的粘結作用，因此需要對水泥砂漿加入的橡膠顆粒進行改性。本文試驗中所使用的改性劑為偶聯劑SCA-N-01，此改性劑同時還具有緩凝的效果。

1.2 配合比

本文試驗中制備的試件的水泥砂漿設計水灰比均為0.55，摻入橡膠顆粒粒徑為60目，橡膠顆粒的摻入方式為等體積替代砂。考慮到研究較小比例的橡膠顆粒的摻入作用，本次試驗中橡膠顆粒的具體替換比例為2%、4%、6%，并單獨設置不添加橡膠顆粒和改性劑的對照組和不加入橡膠顆粒但摻加1%水泥質量的SCA-N-01偶聯劑的試驗組。各試驗組和對照組的具體配合比見表1。

表1 試驗材料配合比

1.3 試件制備及試驗儀器

橡膠顆粒改性水泥砂漿試件模具為自制的圓柱體模具，尺寸為內徑30mm、高度50mm。具體的操作流程：稱量材料配合比，清潔攪拌儀器；將水和水泥倒入攪拌鍋，低速攪拌，隨后加入改性劑以及橡膠顆粒與砂的混合物，繼續(xù)攪拌；將橡膠顆粒改性水泥砂漿分兩層澆筑入模具，并振動與抹平；試件制備結束后放入標準養(yǎng)護室中等待24h后脫模。在20℃、相對濕度95%的環(huán)境下分別養(yǎng)護兩組試件7d和14d,養(yǎng)護后從水泥砂漿試件中部切割出邊長為10mm的立方體小塊,將切割后的水泥砂漿立方體試件浸泡在無水乙醇中48h終止水泥砂漿的水化過程。

本次試驗采用美國Micromeritics公司生產的全自動壓汞儀Autopore IV9510進行壓汞試驗，壓汞儀包括1個高壓站和2個低壓站，其中高壓站的最大壓力可達60 000psi(414MPa)，可測孔徑范圍為3.6nm～400um。

2 壓汞試驗結果分析

2.1 孔隙參數

2.1.1 孔隙率和比孔容

孔隙率為水泥砂漿孔隙總體積與水泥砂漿固體總體積的比例，比孔容是單位重量的水泥砂漿內部真實孔體積之和?？紫堵屎捅瓤兹荻寄鼙憩F水泥砂漿內部孔隙的占比，圖1為本文制備的水泥砂漿試驗組和對照組中各試件的孔隙率和比孔容對比圖。

圖1 橡膠改性水泥砂漿孔隙率與比孔容

由圖1的試驗結果可知：

(1)不添加橡膠顆粒僅添加改性劑的水泥砂漿試驗組SNS7C、SNS14C與未添加改性劑和橡膠顆粒的對照組SNS7、SNS14相比，7d和14d的孔隙率均大幅度增加，但比孔容變化不大。

(2)對于7d和14d水泥砂漿試驗組中，摻加橡膠顆粒與改性劑的試驗組與僅添加改性劑的對照組相比，摻入橡膠的試驗組的孔隙率下降，其中7d和14d試件孔隙率最多分別減少42.0%和55.7%，而7d和14d水泥砂漿試驗組試件的比孔容則有所增加，最高增加34.3%和50.0%。

(3)橡膠顆粒摻量的變化會導致水泥砂漿孔隙率和比孔容變化，在摻量為2%～6%范圍內養(yǎng)護7d的水泥砂漿試驗組孔隙率隨橡膠摻量增加呈現先增加后減少的趨勢，養(yǎng)護14d的水泥砂漿孔隙率則表現為先減少后增加的趨勢；另一方面，隨著橡膠顆粒摻量的增加，7d、14d水泥砂漿試驗組的比孔容分別呈現先增加后減少和先減少后增加的趨勢。

(4)孔結構與水泥砂漿的宏觀性能密切相關，在一定程度上孔隙越少水泥砂漿的抗壓強度性能越高[6-7]，因此在各試驗組中，橡膠顆粒摻量為4%的14d水泥砂漿試驗組表現更優(yōu)秀，其孔隙率和比孔容均較低。

2.1.2 分形維數

不同于孔隙率和比孔容，分形維數則是另一種分析微觀孔隙變化的方式。分形維數是用于描述物體的復雜性與不規(guī)則性的分形理論的量化表現[9]，而水泥材料的微觀結構特征具有明顯的分形特征，可以采用分形維數來表征其孔隙均勻性[10-11]。本文采用應用普遍、可靠性較高的Menger海綿模型來計算分形維數[12]，并繪制水泥砂漿試件的分形維數比較圖，如圖2所示。

圖2中與僅加入改性劑的SNS7C試驗組相比，試驗組中7d水泥砂漿試件在加入橡膠顆粒后分形維數略有提升，但隨著橡膠顆粒含量的增加，分形維數小幅度下降甚至低于SNS7C試驗組。試驗組中14d水泥砂漿試件在加入橡膠顆粒后分形維數卻略有下降，并且橡膠顆粒摻入量的增加會導致分形維數進一步下降。由于分形維數越大、材料孔隙結構分布越不均勻，可以判斷橡膠顆?？烧{節(jié)水泥砂漿的孔徑分布，并且養(yǎng)護時間的延長和橡膠顆粒含量的增加都會導致水泥砂漿的孔隙結構變得更加均勻，這與壓汞試驗中孔隙數據結果一致。

2.2 孔徑分布

總孔隙率、總孔容等方式難以具體表現橡膠顆粒摻入后水泥砂漿的孔結構變化，而進行孔徑劃分則能更好地觀察水泥材料的微觀孔隙結構，從而預測其宏觀性能的變化。本試驗著重觀察橡膠顆粒的影響過程和結果，采用按孔隙生成類型劃分的Powers劃分法[13]，對壓汞試驗中收集到的孔結構數據進行孔隙劃分。

表2 孔結構分類(Powers劃分法[13])

圖3和圖4所示的Powers劃分法從孔結構生成角度展現了水泥砂漿在橡膠顆粒作用下各孔徑孔結構比例的變化：

圖3 凝膠孔和毛細孔劃分

圖4 引氣孔劃分

(1)對于7d水泥砂漿試件，未添加橡膠顆粒時改性劑會導致水泥砂漿凝膠孔、毛細孔和引氣孔總量減少。摻入橡膠顆粒后水泥砂漿的凝膠孔和引氣孔的體積會增加，而毛細孔的體積在橡膠為2%比例的試驗組中減少，4%、6%比例的試驗組中增加。在2%～6%范圍內，橡膠顆粒含量的增加會導致凝膠孔和引氣孔體積的減少和毛細孔的增加。

(2)對于14d水泥砂漿試件，凝膠孔數量極少，未添加橡膠顆粒時改性劑會導致水泥砂漿毛細孔和引氣孔總量減少。摻入橡膠顆粒后水泥砂漿的毛細孔體積增加而引氣孔數量減少，且在橡膠顆粒摻量為2%～6%范圍內，橡膠顆粒含量的增加會導致水泥砂漿毛細孔體積先減少后增加。

(3)結合于泳[14]和莫啟華[15]等對水泥砂漿微觀孔結構的分析可知，大孔(>1 000nm)的增加會導致水泥砂漿的抗壓強度降低，抗凍性能增強。而本試驗中7d水泥砂漿在加入橡膠顆粒后引氣孔體積同樣增加，但14d水泥砂漿在加入橡膠顆粒后引氣孔體積小幅度降低，表明在小摻量的60目橡膠顆粒和改性劑作用下，水泥砂漿的抗壓強度同樣會降低、抗凍性能提升，但養(yǎng)護時間的增長和橡膠顆粒含量的適當提升反而能夠提高水泥砂漿的抗壓強度，這可能是由于橡膠顆粒及硅烷偶聯劑的緩凝作用所致。因此，可以認為橡膠顆粒的適當摻加可能改善水泥基材料的抗壓強度和抗凍性，這與竇悅銘[16]在橡膠改性水泥混凝土的抗壓強度和抗凍性能研究結果一致。

(4)橡膠顆粒的摻入可能會影響水泥砂漿水化反應程度，從而增加毛細孔的數量，并且在水化過程中橡膠顆粒會引入更多氣體，導致引氣孔數量增加，這與梁金江[17]對橡膠改性的引氣作用分析結果一致。

3 結論

(1)水泥砂漿在摻入60目橡膠顆粒后孔隙率減少，比孔容增加。其中7d水泥砂漿孔隙率和比孔容均隨橡膠顆粒摻量的增加先升高后降低，而14d水泥砂漿在橡膠摻量增加后孔隙率和比孔容均先降低后升高。

(2)通過分形維數的分析，發(fā)現橡膠顆粒能夠調節(jié)水泥砂漿的孔隙分布，使孔隙結構變得均勻，并且養(yǎng)護時間的延長和橡膠顆粒含量的增加都有利于水泥砂漿孔隙結構變得更加均勻。

(3)橡膠顆粒影響水泥的水化反應并在水化反應中引入更多的氣體，導致水泥砂漿的毛細孔和引氣孔增加，從而降低水泥砂漿的抗壓強度，但提高其抗凍性；養(yǎng)護時間的增長和橡膠顆粒含量的適當增加能夠抑制抗壓強度的降低，可能是由于橡膠顆粒及硅烷偶聯劑的緩凝作用所致。