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改性剂对橡胶水泥砂浆强度的影响


                                                   改性剂对橡胶水泥砂浆强度的影响
      徐宏殷1,3,袁 群2,3,冯凌云2,3,曹宏亮2,3,史长城2,3,马 莹2,3
    (1.郑州大学,郑州450002;2.河南省水利科学研究院,郑州450003;3.河南省水利工程安全技术重点试验室,郑州450003)
    摘要:试验研究了水洗、NaCl、CaCl2、KH560、KH570、CCl4六种改性方式对橡胶水泥砂浆抗压强度和劈拉强度的影响变化规律,其中水洗改性方式使橡胶水泥砂浆的抗压强度和劈拉强度分别提高了7.6%和9.9%;无机改性剂中,NaCl和CaCl2对橡胶水泥砂浆强度的提高均是负面作用,5%浓度的NaCl溶液改性作用与水洗相当,使橡胶水泥砂浆的抗压强度提高了8.6%,有机改性剂中KH560和KH570的效果优于CCl4,与基准橡胶水泥砂浆相比,KH560和KH570改性后的橡胶水泥砂浆的抗压强度分别提高了5%和4.7%。分析表明,无机改性剂对橡胶水泥砂浆强度的影响机理复杂,NaCl会在混凝土内部形成晶体压力,CaCl2对水泥的水化反应有影响;而有机改性剂KH560和KH570可以改善橡胶颗粒与水泥石的粘结界面。
    关键词:橡胶水泥砂浆;改性剂;砂浆强度;作用机理
    中图分类号:TQ177.62  文献标志码:A  文章编号:1672-1683(2015)01-0136-04
    橡胶混凝土是一种新型混凝土材料,是在混凝土制备过程中按照一定的原则加入橡胶颗粒而得到的。这种混凝土与普通混凝土相比,具有质量轻、抗裂性好、抗震性好、抗冲击性好、抗渗性和抗冻性好等优点[1-4]。由于橡胶表面为憎水性,水泥基材料为亲水性,两者的粘结性能较差[5],造成橡胶混凝土的强度损失较大,因此可通过改性剂对橡胶颗粒进行处理,改善橡胶颗粒与水泥基体的黏结,达到提高橡胶混凝土强度的目的。目前采用的改性剂主要有水、无机改性剂、有机改性剂和自制乳液等。马清文等[6]认为采用NaOH溶液处理橡胶颗粒,可去除橡胶颗粒中的硬脂酸锌,改善橡胶颗粒的亲水性,从而增强橡胶混凝土的强度。董素芬[7]等人研究了硅烷偶联剂对橡胶水泥砂浆的改性效果,认为硅烷偶联剂通过官能团与橡胶集料表面形成化学键,增强了橡胶集料与水泥石的黏结,从而增强了橡胶水泥砂浆的强度。国内外学者对不同改性剂的改性效果进行了深入的研究,但对改性剂最佳用量的研究还较少。本文采用水洗、NaCl溶液(5%~30% 浓度)、CaCl2溶液(5% ~30% 浓度)、KH560(0.5%~3%掺量)、KH570(0.5%~3%掺量)及CCl4(0.5%~3%掺量)处理橡胶颗粒,研究了改性橡胶水泥砂浆的强度,分析了改性剂的最佳用量及其作用机理。
    1·试验设计
    1.1 试验原料
    试验采用的水泥为复合硅酸盐水泥,标号为P·C42.5,指标合格。砂子采用普通河砂,细度模数为2.65,级配连续,最大粒径为5mm,表观密度为2 500kg/m3。橡胶颗粒粒径1~3mm,密度1 119Kg/m3,含水率16.25%。试验用水采用普通民用自来水。
    1.2 橡胶的改性方法
    (1)水洗。用水清洗橡胶颗粒3遍,晾干后备用。
    (2)无机盐类改性。分别配制浓度为5%、10%、15%、20%、25%、30%的NaCl和CaCl2溶液,用溶液浸泡橡胶颗粒24h后用清水冲洗3遍,晾干备用。
    (3)有机改性。分别取橡胶质量0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%的KH560、KH570、CCl4,将其溶于300g酒精中,然后用试剂将橡胶颗粒完全浸湿,晾晒半个小时后拌制砂浆。
    1.3 试验方法
    基准水泥砂浆的质量配比为水泥∶水∶砂子=1∶0.73∶3.92。基准橡胶水泥砂浆是用未处理的橡胶颗粒等体积取代6%的砂制备而成,改性橡胶砂浆是以改性剂处理后的橡胶颗粒等体积取代6%的砂制备而成。基准橡胶水泥砂浆和改性橡胶水泥砂浆的质量配比为水泥∶水∶砂子∶橡胶颗粒=1∶0.73∶3.68∶0.11。按照如上的配合比制作70.7mm×70.7mm×70.7mm的水泥砂浆试件,其中基准水泥砂浆1组,基准橡胶水泥砂浆1组,水洗处理橡胶水泥砂浆1组,其他5种改性剂处理的橡胶水泥砂浆各6组,共33组。
    试件成型后在标准条件下养护28天,然后根据《水工混凝土试验规程》DL/T 5150-2001中的方法对试件进行抗压和劈拉试验。
    2 试验结果与分析
    基准水泥砂浆的抗压强度为22.71 MPa,劈拉强度为1.99MPa。基准橡胶水泥砂浆的抗压强度为15.87MPa,劈拉强度为1.31MPa,分别比基准水泥砂浆降低了30.1%和34.2%,这与已有的研究结果基本一致[8-11]。
    2.1 水洗改性
    经过水洗改性的橡胶水泥砂浆的28天抗压强度和劈拉强度分别为17.08MPa和1.44MPa,比基准橡胶水泥砂浆分别提高了7.6%和9.9%。水洗改性主要是清洗掉了橡胶颗粒表面的一些污物,改善了橡胶颗粒与水泥石的粘结界面,增强了橡胶水泥砂浆的强度。
    2.2 无机改性
    NaCl溶液改性橡胶水泥砂浆的抗压强度随着溶液浓度的增大基本呈现下降的规律(见图1),在溶液浓度为5%时取得最大值,比基准橡胶水泥砂浆的强度增大了8.6%,与水洗改性的效果相当。当溶液浓度大于20%后,改性橡胶水泥砂浆的强度开始低于基准橡胶水泥砂浆。而CaCl2溶液的改性效果呈现与NaCl溶液相反的规律,随着CaCl2溶液浓度的增大,橡胶水泥砂浆的强度呈现上升的趋势,但波动较大。当溶液浓度为25%时,强度达到最大值,为15.87MPa,比基准橡胶水泥砂浆提高了7.6%。
     
    NaCl溶液改性的橡胶水泥砂浆的劈拉强度在5%~30%的浓度范围内均大于基准橡胶水泥砂浆的强度(见图2),并表现出一高一低波浪状变化的规律。当溶液浓度在10%和20%时,改性橡胶水泥砂浆的劈拉强度达到两个峰值,分别比基准橡胶水泥砂浆提高了29%和28.2%。而CaCl2溶液对橡胶水泥砂浆的劈拉强度改性效果不好,除在10%的浓度时高于基准橡胶水泥砂浆外,其余均较基准橡胶水泥砂浆低;当大于10%后,呈现出浓度越大,劈拉强度越低的规律。
    
    2.3 有机改性
    硅烷改性剂KH560和KH570对橡胶水泥砂浆的改性效果基本相同,随着改性剂掺量的增加,水泥砂浆的抗压强度先增大后降低(见图3)。硅烷改性剂的最佳掺量在1%和1.5%之间,其中KH560在1%的掺量达到最优值,比基准橡胶水泥砂浆的抗压强度提高了5%;KH570在1.5%的掺量达到最优值,比基准橡胶水泥砂浆提高了4.7%。而CCl4的改性效果明显较差,在0.5%~3%的掺量区间内,CCl4改性橡胶水泥砂浆的抗压强度均低于基准橡胶水泥砂浆,且在2%掺量时达到最低值,比基准橡胶水泥砂浆降低了37%。
     
    硅烷改性剂KH560和KH570对橡胶水泥砂浆的改性效果基本相同,随着改性剂掺量的增加,水泥砂浆的抗压强度先增大后降低(见图3)。硅烷改性剂的最佳掺量在1%和1.5%之间,其中KH560在1%的掺量达到最优值,比基准橡胶水泥砂浆的抗压强度提高了5%;KH570在1.5%的掺量达到最优值,比基准橡胶水泥砂浆提高了4.7%。而CCl4的改性效果明显较差,在0.5%~3%的掺量区间内,CCl4改性橡胶水泥砂浆的抗压强度均低于基准橡胶水泥砂浆,且在2%掺量时达到最低值,比基准橡胶水泥砂浆降低了37%。
    3 改性剂作用机理分析
    3.1 无机改性剂作用机理
    NaCl是一种能够结晶为正方晶系的盐类,若混凝土内部存在NaCl,在混凝土水化凝结干燥的过程中,溶液中的NaCl开始在混凝土内部结晶,结晶过程中能够产生足够大的结晶压力从而使混凝土材料崩碎或剥蚀[12]。用NaCl溶液处理橡胶颗粒,其不能与橡胶颗粒中的物质反应,但NaCl溶液能够进入橡胶颗粒中的孔隙,并在用清水冲洗后仍残留在橡胶颗粒内部,这些残留的NaCl在水泥砂浆硬化过程中结晶,结晶压力造成了水泥砂浆强度的降低。所以,当NaCl溶液的浓度较低为5%时,橡胶中残留的NaCl较少,它对橡胶水泥砂浆的改性效果基本与水洗改性相同,而随着溶液浓度的增大,改性橡胶水泥砂浆的抗压强度呈现出下降的规律。CaCl2是一种吸湿性物质,它在自然条件下不会出现结晶侵蚀水泥基材料的现象[12]。CaCl2对水泥砂浆的影响主要体现在对水泥水化反应过程的影响上。当水泥颗粒分散于水中后,在水泥颗粒表面即发生水化反应,主要发生的反应为[13]:2C3S(硅酸三钙)+7H(水)→C3S2H4(水化硅酸钙)+3CH(氢氧化钙)2C2S(硅酸二钙)+5H(水)→C3S2H4(水化硅酸钙)+CH(氢氧化钙)发生水化反应后,水立即变为含有多种离子的溶液。氢氧化钙是微溶物质,达到饱和后开始析出胶凝粒子,这些胶凝粒子附着在水泥颗粒表面一段时间内抑制了水化反应的进行。用CaCl2溶液处理过橡胶颗粒后,会在橡胶颗粒内部孔隙残留一部分CaCl2,导致混凝土在水化过程中Ca2+ 离子的增多,这样会加快氢氧化钙的析出。氢氧化钙析出过快,附着于水泥颗粒表面,形成一种凝胶膜包裹层,抑制了水化反应的进行。所以,CaCl2改性橡胶水泥砂浆的强度基本上均低于基准橡胶水泥砂浆。
    3.2 有机改性剂改性机理
    硅烷改性橡胶水泥基材料的研究在国内外较多,现今普遍认为[14]硅烷偶联剂在无机物与有机物之间形成化学键结合,从而增强了橡胶颗粒与水泥基材料的黏结。硅烷偶联剂的化学通式可简写为R-SiX3,其中R为亲有机物基团,SiX3为亲无机基团。R可与有机材料化学键接,SiX3则可与无机材料形成化学键接,从而使无机材料与有机材料界面实现化学键接,显著提高水泥基复合材料的强度。但是,如果硅烷的掺量过大,硅烷偶联剂在橡胶和水泥基之间形成的黏结层就会增厚。由于黏结层的强度远低于水泥基材料的强度,过厚的黏结层就会导致砂浆强度的降低。所以,硅烷改性的橡胶水泥砂浆抗压强度呈现出先上升又下降的特点,其最优掺量在橡胶质量的1%~1.5%。CCl4为非极性有机物,不具有亲水性,加入后不能起到黏结橡胶表面与水泥石的作用。相反,CCl4的加入,更加削弱了橡胶与水泥之间的黏结作用。所以,CCl4改性橡胶水泥砂浆的强度均低于基准橡胶水泥砂浆。
    4 结论
    (1)NaCl溶液改性会在混凝土内部造成晶体压力,而CaCl2溶液会对混凝土内部的水化反应造成不利影响,这两种无机改性方式对橡胶水泥砂浆强度的提高均是负面作用。
    (2)有机改性中硅烷偶联剂明显优于CCl4,这是因为硅烷偶联剂在橡胶颗粒和水泥基之间形成了一种化学键接,增强了两者之间的黏结作用。但硅烷偶联剂有最佳掺量,其最佳掺量在橡胶质量的1%~1.5%之间。
    (3)由于改性剂品种和浓度的不同,对橡胶水泥砂浆强度的影响也不相同。因此选用更优的改性剂和浓度对配制高性能橡胶砂浆及高性能橡胶混凝土具有重要的理论意义和实用价值。
    参考文献:略

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