王 江， 高久平， 原通鹏， 刘巧平
(湖南省交通科学研究院， 湖南 长沙 410015)
[摘 要] 研究了废胎胶粉掺量对水泥砂浆强度、干缩率的影响以及细度对水泥砂浆强度的影响。研究结果表明：在等掺量下，胶粉颗粒越粗，水泥砂浆的抗折、抗压强度越低；橡胶粉水泥砂浆28 d强度、干缩率总体上随着胶粉掺量的增加而减小，当胶粉掺量≤5%时，能够体现出橡胶粉水泥砂浆较好的的延性和韧性特点，同时应用SEM分析了不同胶粉掺量下水泥砂浆的微观结构，并证实了此结论。
[关键词] 橡胶粉； 水泥砂浆； 强度； 干缩率； 微观结构
据统计，目前全世界每年有15亿条轮胎报废，2010年我国报废的轮胎超过了2亿条，随着我国汽车工业的高速发展，家用车辆的大幅度增长，每年以10%～15%的速度在递增，废旧轮胎带来的环保压力也越来越大。因此，加快对废旧轮胎再生利用技术的研究是我国科研工作者的一项紧迫任务[1]。目前废旧橡胶的处理和利用主要包括回收和加工、轮胎翻修、再生胶和胶粉制备。其中，胶粉利用将是今后废旧轮胎回收利用的主要途径。从目前来讲，技术最成熟、利用效率最高的还是在工程上使用的橡胶沥青混凝土[2]。但其对胶粉的消耗量有限，不能满足废旧轮胎增长的要求。将废旧轮胎加工成橡胶粉掺入水泥混凝土中，是其利用的一个极具吸引力的方向。利用废旧轮胎胶粉的轻质和韧性特点可以提高水泥混凝土韧性、抗冲击性、抗收缩性、耐久性、隔音隔热、减震降噪等方面的性能[3]。本文研究了废胎胶粉对水泥砂浆物理力学性能的影响。
2.1 原材料
① 水泥：采用北京兴发水泥有限公司生产的基准水泥。
② 水：采用普通自来水。
③ 细集料：采用厦门艾思欧标准砂有限公司生产的ISO标准砂，其表观密度为2.65 g/cm3。
④ 废旧轮胎胶粉：采用湖南某橡胶公司生产的20～30、30～60、40～80目共3种粒级的废旧轮胎胶粉，其表观密度分别为1.15、1.16、1.18 g/cm3。
2.2 试验方案
在废胎胶粉细度影响试验中，选定20～30、30～60、40～80目共3种粒级，各粒级胶粉掺量均为10%；而在胶粉掺量影响试验中，选定30～60目的胶粉，掺量分别为0%、5%、10%、15%、20%。试验中的胶粉均按等体积替代细集料的方法掺入。试验步骤按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)进行。
3.1 胶粉细度对水泥砂浆抗折、抗压强度的影响
试验依照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)，制作尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的标准水泥砂浆试件，24 h后拆模，立即将试件放入标准养护箱里养护。养护箱温度为20 ℃±1 ℃，相对湿度为95%以上，加湿方式为雾化加湿。养护28 d，然后进行抗折、抗压强度试验。不同胶粉细度的水泥砂浆抗折、抗压强度见表1。
表1 不同胶粉细度的水泥砂浆抗折、抗压强度Table1 Differentpowderfinenessofcementmortarflexuralandcompressivestrength胶粉细度材料用量/g水水泥砂胶粉28d抗折强度/MPa28d抗压强度/MPa20～30目22545012155865423230～60目22545012155916627140～80目225450121560168279
由表1可知：掺入胶粉的细度越细，水泥砂浆的抗折、抗压强度越高。这是因为橡胶粉是一种弹性材料，且不与水泥生成水化产物，只能起填充作用，而水泥砂浆是一种多相、多孔复杂的复合材料[4]，胶粉越粗，对应水泥浆体中的孔隙尺寸越大，则水泥砂浆的抗折、抗压强度越低。
3.2 胶粉掺量对水泥砂浆抗折、抗压强度的影响
试验方法及步骤同3.1节，不同胶粉掺量的水泥砂浆抗折、抗压强度见表2，他们之间的关系见图1。
表2 不同胶粉掺量的水泥砂浆抗折、抗压强度及折压比Table2 Table2 Differentpowdercontentofcementmortarflexuralandcompressivestrength试件编号胶粉掺量/%材料用量/g水水泥砂胶粉28d抗折强度/MPa28d抗压强度/MPaA02254501350084491B52254501282529582362C10225450121559166271D152254501147588653213E202254501080118244175
图1 胶粉掺量对水泥砂浆抗折、抗压强度的影响
Figure 1 Influence of powder content on cement mortar flexural and compressive strength
由图1可知：水泥砂浆的抗折、抗压强度总体上是随胶粉掺量的增加而递减的；其中，抗压强度曲线变化幅度较大，当掺量达到15%时，抗压强度减小幅度已超过50%，这表明胶粉掺量对抗压强度影响较大；另外，抗折强度曲线变化比较平缓，尤其是当掺量≤5%时，抗折强度变化很小，这表明胶粉掺量对抗折强度影响很小，但总体上抗折强度是呈下降趋势的。由于胶粉颗粒是一种惰性有机物质，且不具水化活性，在水泥砂浆中仅起填充作用，掺量很少时，能填充水泥砂浆结构中的孔隙，加之胶粉颗粒又具有弹性，因此在低掺量下，对水泥砂浆抗折强度起到一定的积极作用；另一方面胶粉颗粒与水泥基体界面的粘结差，势必导致其抗压强度下降，胶粉掺量越大，这种薄弱的粘结界面越广，在外力作用下，水泥砂浆就越容易产生裂纹而破坏，抗压强度也就越低。
3.3 胶粉掺量对水泥砂浆干缩性能的影响
试验依照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)，制作尺寸为25 mm×25 mm×280 mm的水泥砂浆干缩试件，胶砂的用水量按制成胶砂流动度达到130～140 mm来确定。带模养护的养护箱温度保持在20 ℃±1 ℃，相对湿度大于90%；养护池水温度为20 ℃±1 ℃；试件干缩养护箱温度为20 ℃±3 ℃，相对湿度保持在50%±4%。养护28 d，然后测定28 d水泥砂浆干缩率。不同胶粉掺量的水泥砂浆28 d干缩率见表3，图2。
表3 不同胶粉掺量的水泥砂浆干缩率Table3 DryShrinkageofCementMortarwithDifferentpowdercontent胶粉掺量/%材料用量/g水水泥砂胶粉28d干缩率/%017050010000004751775009502190034101855009004380025151935008506570021202025008008750018
图2 胶粉掺量水泥砂浆28 d干缩率的关系
Figure 2 Relationship between powder content and 28d Shrinkage of Cement
由图2可见：水泥砂浆28 d干缩率随胶粉掺量的增加而减小，当胶粉掺量达到一定值后，再增加其掺量，水泥砂浆28 d干缩率的变化幅度很小。这其中的原因是：橡胶粉是一种弹性材料，具有一定的收缩变形能力，另外，橡胶粉中含有一定量的纤维，纤维对水泥砂浆干缩具有一定的约束作用。胶粉掺量越大，水泥砂浆中的纤维含量也就越大，对砂浆干缩压抑作用就越强。
为了研究橡胶粉水泥砂浆中水泥基体与橡胶颗粒之间的微观结构，本试验采用扫描电镜(SEM)观察了不同胶粉掺量的水泥砂浆，观察结果见图3。由图3可知：A试件孔隙最少，D试件孔隙最多，B试件的孔隙相对A试件变化很小，当掺量>10%时，其孔隙增加明显；橡胶粉是一种惰性材料，不与水泥生成水化产物，只能起填充作用。当胶粉掺量过多时，多余的胶粉游离在水泥基体中，由于胶粉与水泥基体粘结较弱，造成界面粘结强度较低，在荷载作用下，此界面很容易被破坏，导致水泥砂浆强度下降。二是橡胶粉又是一种弹性材料，它相对周围水化产物来说，其变形能力大得多，在荷载作用下，水泥砂浆内部橡胶粉的变形与周围的水化产物、集料的变形不一致，在橡胶粉颗粒周围界面产生很大的应力，导致裂缝产生，水泥砂浆强度下降。
(a) 未掺胶粉试件(b) 胶粉掺量5%的试件
(c) 胶粉掺量10%的试件(d) 胶粉掺量15%的试件
图3 不同胶粉掺量的水泥砂浆28 d试件SEM照片
Figure 3 SEM photographs of 28d cement mortar with different powder content
① 水泥砂浆中掺入橡胶粉等体积替代细集料，在等掺量下，胶粉颗粒越粗，水泥砂浆的抗折、抗压强度越低。
② 橡胶粉水泥砂浆28 d抗折、抗压强度总体上是随着胶粉掺量的增加而降低，抗压强度下降速度远大于抗折强度降低速度。当胶粉掺量≤5%时，水泥砂浆抗折强度变化很小，说明在低掺量情况下，能够体现出橡胶粉水泥砂浆较好的的延性和韧性特点。当胶粉掺量≥10%时，水泥砂浆强度显著恶化。
③ 橡胶粉水泥砂浆28 d干缩率随胶粉掺量的增加而减小，当胶粉掺量≥10%时，水泥砂浆28 d干缩率下降速度趋于平缓。
[参考文献]
[1] 刘春生.橡胶集料混凝土的研究及应用[D].天津：天津大学，2005.
[2] 郑万虎.橡胶混凝土疲劳性能的试验研究[D].广州：广东工业大学，2011.
[3] 黄少文，徐玉华.废旧轮胎胶粉对水泥砂浆力学性能的影响[J].南昌大学学报：工科版，2004，26(4)：53-55.
[4] 黄琼念，覃峰，杨胜坚，等.橡胶粉水泥混凝土路用性能及机理分析研究[J].人民长江，2009，40(16)：58-62.
Influence of Scrap Tire Rubber Powder on the Properties of Cement Mortar
WANG Jiang， GAO Jiuping， YUAN Tongpeng， LIU Qiaoping
(Hunan Communication Research Institute， Changsha Hunan 410015， China)
Abstract：This thesis researches on the influence of scrap tire rubber powder content on the strength and shrinkage of cement mortar，and its fineness on the strength of cement mortar.The result shows that，mixed with the same amount of powder，the coarser the powder particles，the lower the flexural strength and compressive strength of the cement mortar；and the 28d strength and shrinkage rate of rubber mortar generally decrease with the increase of rubber powder amount.When the amount of rubber powder is no more than 5%，the ductility and toughness of cement mortar can be reflected.SEM is used to analyze the microstructure of cement mortar with different powder amounts，which confirms the conclusion.
[Key words] rubber powder； cement mortar； strength； shrinkage rate； microstructure
[收稿日期] 2016 — 10 — 31
[基金项目] 湖南省交通科技项目(201210)
[作者简介] 王 江(1981 — )，男，湖北咸宁人,硕士研究生，工程师，从事公路水运工程试验检测工作。
[中图分类号] U 414.1
[文献标识码]A
[文章编号]1674 — 0610(2017)01 — 0225 — 03
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