橡胶表面改性对橡胶混凝土性能的影响研究

陈 强,黄金城,张大斌

(广西交科工程咨询有限公司,广西 南宁 530007)

0 引言

我国高等级公路主要以沥青路面为主,混凝土路面所占的比例较低,原因之一在于混凝土的韧性差,容易发生开裂,严重影响路面使用耐久性[1-2]。废旧橡胶具有良好的弹性性质,在水泥混凝土中加入橡胶颗粒可以增加韧性,有效改善其抗冲击性能、抗冻性、抗渗性、耐磨性、抗裂性和抗震能力[3-8]。将废旧轮胎橡胶用于混凝土材料是废旧轮胎橡胶资源化利用的途径之一,同时也为混凝土材料在高速公路领域的推广应用提供了支持[9]。

然而,橡胶颗粒是一种典型的憎水性有机高分子材料,且表面存在大量微小凹坑,导致橡胶和水泥基体界面过渡区的粘结异常疏松。界面过渡区附近夹杂的大量空气导致空隙率增加,造成橡胶与水泥界面处的力学性能异常薄弱。Bisht等[10]发现,橡胶含量的增加会导致界面过渡区附近的空隙率增加,最终导致界面过渡区的厚度增加。除此之外,橡胶集料的加入还可能增加混凝土的收缩。Turatsinze等[11]对掺有4 mm橡胶颗粒的混凝土进行自由收缩试验,发现橡胶混凝土的收缩量增加了30%。

为了减轻因添加橡胶集料而导致混凝土的性能劣化,研究人员通常采用物理或化学处理对橡胶颗粒进行表面改性。常见的物理处理包括水洗和预涂胶凝材料,水洗的目的在于清除橡胶表面杂质[12],而预涂胶凝材料则是在橡胶表面形成亲水性外壳,从而代替疏水性橡胶颗粒与水泥浆相结合[13]。化学处理常用的改性剂有NaOH、硅烷偶联剂、酸、KMnO4、丙酮、Ca(OH)2、Ca(ClO)2和CS2等[14-15]。化学改性可以深度清除橡胶表面杂质,提高橡胶颗粒与水泥基体的界面结合力。

本研究旨在探究不同的橡胶表面改性方法及其处理时间对橡胶混凝土力学性能、渗透性和干燥收缩性能的影响。采用水洗、氯化钙溶液浸泡和NaOH溶液浸泡的方式分别对橡胶颗粒进行表面处理,设置了2 h、24 h和72 h三组不同的处理时间,开展抗压强度试验、劈裂抗拉强度试验、渗水试验以及干缩试验,揭示不同处理剂和处理时间对混凝土性能的影响。利用扫描电子显微镜和显微图像,研究不同接触面状态对橡胶水泥混凝土路用性能的影响。改性橡胶混凝土在道路工程中具有广泛的应用前景,本研究为改性橡胶混凝土的推广应用提供了思路。

1 材料与试验

本研究选用的水泥为湖南省通用硅酸盐水泥P.S.B32.5R,集料由玄武岩加工而成,最大粒径为26.5 mm,细集料密度为2.34 g/cm3。橡胶集料选用目数介于4目和80目之间的废旧轮胎橡胶颗粒,密度为1.03 g/cm3。在所有混合料中,水灰比统一设定为0.55。

本文设计了3组不同配合比的橡胶混凝土,即分别以橡胶集料替换10%、15%和20%体积比的细集料,并分别命名为RC10、RC15和RC20。此外,本研究设置了未掺加橡胶集料的普通水泥混凝土对照组(命名为REF)以形成直观对比,参考混凝土的密度为2 445.5 kg/m3。粗细集料及橡胶集料的级配曲线如图1所示,不同混凝土的配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比表

图1 级配曲线图

为研究不同处理方式对橡胶混凝土的性能影响,制备了20% NaOH溶液和5%Ca(ClO)2溶液。在混凝土搅拌前,将橡胶集料分别在两种溶液中浸泡2 h、24 h和72 h。浸泡完成后,用自来水冲洗橡胶集料,直至冲洗液为中性。

通过对比研究不同掺量橡胶颗粒对混凝土性能的影响,得到最佳掺量为10%,故在10%掺量的基础上对橡胶进行改性,探究改性效果。采用NaOH溶液处理不同时间的橡胶混凝土分别以符号RC10-N2h、RC10-N24h和RC10-N72h表示,而采用Ca(ClO)2溶液处理不同时间的橡胶混凝土则分别以符号RC10-C2h、RC10-C24h和RC10-C72h表示。此外,仅用水洗处理的橡胶颗粒也在研究范围内,分别以符号RC10-W2h、RC10-W24h和RC10-W72h表示。

为了验证橡胶表面改性对混凝土强度的提升效果,对混凝土试样展开了抗压强度及劈裂抗拉强度试验。混凝土试样尺寸为100 mm×100 mm×100 mm,在标准养护条件下固化7 d和28 d,并在养护龄期的最后一天浸水24 h。养生结束后,采用微机控制电液伺服压力试验机进行试验,压力机型号为YAW-2000B,加载速率控制在1 mm/min。试验的平行样品数量为4个。

为研究橡胶表面改性对混凝土透水性的影响,制备尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件进行透水性试验。试样固化28 d后,采用混凝土数字透水仪在试样表面施加约600 kPa的水压,持续72 h。试验结束后,通过劈裂试验将试样分成两部分,并确定水的渗透深度,共测试4个样品。

同时,设计了橡胶混凝土的干缩试验,以验证橡胶表面改性对混凝土收缩性能的影响。试验采用尺寸为100 mm×100 mm×515 mm的棱柱体试样。固化7 d后,将试样饱水24 h,随后放置在收缩仪上,并在试样和收缩仪之间放置四根玻璃棒,以保证试样能够自由收缩。试验设置了4组平行样品,并额外设置了两组试样,用于记录失水率。

此外,采用扫描电镜(SEM)和数字显微镜对橡胶混凝土试件的微观结构进行研究,测试水洗、NaOH溶液处理和氯化钙溶液处理的三组样品,以比较表面改性处理后的橡胶集料与胶凝基质之间的接触状态。

2 结果与讨论

2.1 最佳橡胶替换量

图2所示为不同橡胶替换量下的混凝土7 d和28 d抗压强度值。试验结果表明,随着橡胶集料含量的增加,混凝土的抗压强度明显降低。相比REF,RC10、RC15和RC20的7 d抗压强度分别下降了32.2%、44.2%和56.1%,而28 d抗压强度分别下降了27.5%、43.6%和60.2%。

图2 不同混凝土的抗压强度试验结果柱状图

随着龄期的增长,橡胶掺量越高的混凝土强度增长越低,RC20的28 d强度仅比7 d强度提升2.5 MPa。这说明橡胶集料含量过高对水泥水化过程具有一定的阻碍作用,导致混凝土不能有效形成强度。考虑到混凝土强度随橡胶掺量的变化规律,确定橡胶颗粒的最佳掺量为10%。

2.2 抗压强度

经表面处理的7 d和28 d抗压强度如下页图3～4所示。图3显示,试件固化7 d后,RC10的抗压强度比REF降低了32.2%。橡胶集料水洗处理后,RC10-W2h、RC10-W24h和RC10-W72h的抗压强度分别降低了29.7%、22.8%和14.9%;橡胶集料经NaOH处理后,RC10-N2h、RC10-N24h和RC10-N72h的抗压强度分别降低了18.5%、10.1%和16.3%;橡胶集料经Ca(ClO)2处理后,RC10-C2h、RC10-C24h和RC10-C72h的抗压强度分别降低了16.3%、8.7%和2.9%。

图3 不同混凝土的7 d抗压强度测试结果柱状图

图4表明,试件固化28 d后,普通橡胶混凝土的抗压强度比水泥混凝土下降了27.5%。橡胶集料水洗处理后,RC10-W2h、RC10-W24h和RC10-W72h的抗压强度分别降低了24.2%、19.3%和15.5%;NaOH处理后的橡胶集料RC10-N2h、RC10-N24h和RC10-N72h的抗压强度分别降低了19.9%、11.4%和13.9%。橡胶集料经Ca(ClO)2处理后,RC10-C2h、RC10-C24h和RC10-C72h混凝土抗压强度分别降低18.8%、10.4%和7.1%。

图4 不同混凝土的28 d抗压强度测试结果柱状图

橡胶混凝土抗压强度较低的主要原因是橡胶的疏水特性导致其与水泥浆体的粘结性较弱。NaOH溶液可以改变橡胶表面的水接触角,增加橡胶表面的亲水性和粗糙度。同时,NaOH溶液作为一种重型清洁剂,可以深度清除橡胶表面的机油和粉尘杂质等,从而提高橡胶与水泥基体的结合力。同样,Ca(ClO)2处理橡胶集料聚合链所产生的羟基和羧基,比现有橡胶集料的聚合烃反应性强得多[16]。也有研究称,对橡胶集料进行预处理后,促进水泥的水化作用导致橡胶颗粒周围形成了硬壳,增加了橡胶和水泥浆体之间的刚度兼容。相比化学处理方法,水洗橡胶对于提高混凝土的抗压强度效果不够显著。虽然水洗可以除去橡胶表面的部分污垢和粉尘,但难以清除某些不溶于水的杂质。如橡胶表面存在不溶于水的硬脂酸锌,直接水洗无法有效清除,而NaOH溶液可以与硬脂酸锌反应生成溶于水的硬脂酸钠[17]。

不同的处理时间对橡胶混凝土的性能也存在显著影响。水洗和Ca(ClO)2处理的橡胶混凝土随着处理时间的延长而有所提升,且Ca(ClO)2的处理时间对混凝土强度的影响更为明显。这是因为随着水洗和Ca(ClO)2溶液处理时间的延长,尽可能多地除去了橡胶表面的杂质。此外,延长Ca(ClO)2溶液的处理时间可以促进氯化铝酸钙水化物在混凝土中形成Friedel盐(3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O),其固相体积可膨胀75%,从而填充微结构中的孔隙[18]。然而,NaOH溶液的最佳处理时间为24 h,这是因为NaOH溶液属于强碱性溶液,长时间的浸泡可能会严重侵蚀橡胶表面,甚至导致橡胶颗粒被溶液渗透。综合试验结果可知,Ca(ClO)2是提高混凝土抗压强度最有效的处理方法,且以处理时间为72 h最佳。

2.3 劈裂抗拉强度

不同混凝土在28 d的劈裂抗拉强度测试结果如图5所示。当添加10%未处理橡胶集料时,劈裂抗拉强度降低了42%。橡胶集料经水洗处理后,RC10-W2h、RC10-W24h、RC10-W72h的劈裂抗拉强度分别比REF低39.3%、35.2%和33.5%。采用NaOH处理时,RC10-N2h、RC10-N24h、RC10-N72h的劈裂抗拉强度分别比REF低29.1%、22.0%和25.3%。Ca(ClO)2处理时,RC10-C2h、RC10-C24h、RC10-C72h的劈裂抗拉强度分别降低26.6%、18.7%和12.6%。不同处理剂和处理时间对橡胶混凝土的劈裂抗拉强度变化规律与抗压强度规律基本一致。由试验结果可以推断,Ca(ClO)2是提高混凝土劈裂抗拉强度最有效的处理方法。

图5 不同混凝土的劈裂强度测试结果柱状图

2.4 渗水试验

混凝土试件的最大渗透深度和渗透速度见表2。由表2可以看出,相比REF,当掺量为10%未处理的橡胶集料时,橡胶混凝土的渗透深度增加了44%。这表明橡胶颗粒的掺入给混凝土内部引入了更多的空隙。Mousavimehr等[19]指出,橡胶和水泥浆中缺乏适当的粘聚力会削弱界面过渡区,并在混凝土基质中形成空隙。

水洗处理后混凝土的渗透深度与未经处理的混凝土相当,说明水洗橡胶集料对改善混凝土的透水性能效果甚微。NaOH处理后,RC10-N2h、RC10-N24h和RC10-N72h的水渗透深度分别比RC10低26.9%、38.5%和30.8%。同样,Ca(ClO)2处理后的RC10-C2h、RC10-C24h和RC10-C72h水渗透深度较RC10分别降低了34.6%、42.3%和50%。在所有混合料中,RC10-C72h的渗透深度最小。结果表明,用Ca(ClO)2处理橡胶集料是降低橡胶混凝土渗透性的最有效方法,且处理时长为72 h的效果最好。这种渗透性的降低主要归因于化学处理改善了橡胶与水泥集体的交互粘结,从而降低了界面过渡区的空隙率。此外,NaOH处理的橡胶也降低了橡胶混凝土的渗透性,但改善效果明显低于Ca(ClO)2处理的,其原因可能是NaOH溶液与有机材料反应产生了少量气泡,这些气泡残留在混凝土中,从而影响了混凝土的渗透性。

2.5 干缩试验

如图6所示为橡胶混凝土的干燥收缩试验结果。与REF相比,掺入10%的未改性橡胶集料导致混凝土的收缩量明显增大,这是因为天然细集料被弹性模量较低的橡胶集料所取代,混凝土内部缺乏细集料导致内部约束减少,从而产生更大的收缩。此外,橡胶集料的引入产生了额外的滞留空气和更大的空隙,为水泥混凝土的干燥收缩提供了变形空间。

图6 不同混凝土的干缩系数曲线图

经水洗后的橡胶混凝土干缩变形相比RC10有所改善,但与对照组混凝土仍有较大差距。而橡胶表面经过化学处理后,混凝土的收缩出现明显改善。采用NaOH处理时,RC10-N2h、RC10-N24h、RC10-N72h的120 d干缩系数分别比RC10低10.4%、16.1%和12.5%。Ca(ClO)2处理时,RC10-C2h、RC10-C24h、RC10-C72h的干缩系数分别比RC10混凝土降低17.7%、20.0%和23.2%。究其原因在于化学处理增强了橡胶表面的亲水性,增进了橡胶与水泥基体的粘结,界面过渡区得到改善,降低了整体空隙率,收缩变形减少。由试验结果可以推断,Ca(ClO)2是改善干缩性能最有效的处理方法,且处理时间越长,改善效果越明显。

2.6 微观结构分析

经水洗、Ca(ClO)2溶液处理和NaOH溶液处理的橡胶混凝土微观形貌如图7所示。可以看出,未经改性的橡胶颗粒在与周围基体的界面过渡区处出现了明显的缝隙,宽度约为9μm;经水洗后,界面缝隙稍有缓解,但宽度仍有7μm;NaOH处理后,界面宽度减小到2～3μm,而Ca(ClO)2处理后,界面几乎无缝隙。这与强度试验结果一致。

(a)未改性橡胶混凝土

3 结语

本文采用NaOH溶液和Ca(ClO)2溶液对橡胶集料进行化学处理,研究不同处理方式及处理时间对混凝土力学性能、渗透性能和干缩性能的影响。根据研究结果,可以得出以下结论:

(1)与对照组相比,以橡胶集料替换10%的细骨料,28 d抗压强度降低了27.5%。当橡胶集料经NaOH和Ca(ClO)2处理时,28 d抗压强度下降幅度最低为11.4%和7.1%,分别出现于NaOH处理24 h及Ca(ClO)2处理72 h。其中,Ca(ClO)2处理72 h的橡胶混凝土的强度与对照组相差最少。劈裂抗拉强度也有类似的趋势。

(2)与未处理的橡胶混凝土相比,化学处理后橡胶混凝土的水渗透深度显著降低。其中,NaOH处理24 h以及Ca(ClO)2处理的橡胶混凝土具有比对照组混凝土更低的透水深度。

(3)与未处理的橡胶混凝土相比,NaOH处理和Ca(ClO)2处理能够显著改善混凝土的干缩性能,120 d干缩系数最高可分别下降16.1%和23.2%。

(4)总体而言,NaOH处理的最佳时间为24 h,而Ca(ClO)2处理72 h效果最优,且Ca(ClO)2处理比NaOH处理和水洗更有效。