摘 要:橡胶粉代替砂子是目前改善砂浆韧性的新方法,胶粉表面改性是获得优良性能砂浆的重要方法。本文比较了多种胶粉表面处理方法对砂浆力学性能的影响,合成了一种胶粉表面改性剂,可以较好的改善胶粉胶砂后期强度,28天抗折强度达到空白试样的78.6%,抗压强度达到空白试样93.9%,偶联剂Si-69可以较好地改善胶粉胶砂3天抗折抗压强度,分别达到空白试样的91.5%和99.8%,抗劈裂强度也表现了相似的规律。
关键词:橡胶粉;砂浆;表面改性
近20年来,国内外对废旧轮胎的综合利用引起了高度的重视,将橡胶粉末应用于砂浆与混凝土以改善其综合性能的研究是目前研究的热点之一。对水泥基橡胶砂浆与混凝土的研究[1-7]还处于探索阶段,国内对橡胶砂浆与混凝土的研究也开展了有益的工作[8-11]。有些学者通过橡胶颗粒的表面处理来提高橡胶混凝土的强度[12-17],多是采用清水冲洗、酸碱腐蚀、CCl4乳液处理、偶联剂等方式来清除橡胶颗粒表面污染物,改变表面性质,以提高橡胶颗粒与水泥基体的界面黏结强度,有一定效果,但研究都不深入,效果不是很好。本文比较了不同胶粉改性方法对水泥砂浆抗压抗折强度的影响,并合成一种能较好改善胶粉-水泥基体结合的处理剂。
1 试验原料与试验方法
1.1原材料
水泥采用焦作坚固牌P.O 42.5水泥,砂子采用细度模数2.7的普通中砂,胶粉使用广东方达环宇环保科技有限公司的10目、20目、30目、60目、100目的橡胶粉。
1.2 胶粉处理
⑴ 清水处理 以自来水清洗橡胶粉表面,后用远红外干燥箱50℃烘干。
⑵ 超声波清洗 在超声清洗槽中将橡胶粉超声清洗30min, 后用远红外干燥箱50℃烘干。
⑶ NaOH处理 以饱和NaOH溶液浸泡橡胶粉14h,用清水洗净,抽滤后用远红外干燥箱50℃烘干。
⑷ CCl4处理 以CCl4液体浸泡橡胶粉10h,抽滤后用远红外干燥箱50℃烘干。
⑸ Si-69处理 将质量为橡胶粉质量5% Si-69偶联剂配制成质量浓度为5%的乙醇溶液,分别加入硫化促进剂CZ、DM各0.5%(相对于橡胶粉质量百分比),与橡胶粉一起加入带有冷凝管的三口烧瓶中加热搅拌,在80℃将乙醇蒸馏回收,然后加热到160℃保温30min。
KH⑹-151偶联剂处理
将质量为橡胶粉质量5%的 KH-151 偶联剂配制成质量浓度为5%的乙醇溶液,浸泡橡胶粉30min,加入带有冷凝管的三口烧瓶中加热搅拌,在80℃将乙醇蒸馏回收,后将4%(相对于KH-151质量百分比)的过硫酸钾配制成质量浓度40%的水溶液,加入三口烧瓶中,加热到100℃保温2h。
⑺自制处理剂处理
将质量为橡胶粉质量5%的A配制成质量浓度为80%的乙醇溶液,撒在橡胶粉表面,搅拌使其充分浸润橡胶粉,加入带有冷凝管的三口烧瓶中加热搅拌,在80℃将乙醇蒸馏回收,后将4%(相对于A质量百分比)的过硫酸钾配制成质量浓度40%的水溶液,加入三口烧瓶中,加热到100℃保温1h,后加入B,继续反应2h。
⑻钛酸酯处理 将质量为橡胶粉质量5%的钛酸酯偶联剂配制成质量浓度为5%的乙醇溶液,浸泡橡胶粉30min,加入带有冷凝管的三口烧瓶中加热搅拌,在80℃将乙醇蒸馏回收,后加热到100℃保温2h。
1.3 试样制备
分别用以上八种胶粉处理方法对10目、20目、30目、60目、100目的橡胶粉进行处理,将处理好的胶粉按以下质量比例进行混合, m10:m20:m30:m60:m100 =7:40:20:20:12。按GB/T17671-1999方法进行橡胶改性水泥胶砂强度测试,水泥:砂:水=1:3:0.5,将未处理的混合胶粉和不同方法处理的混合胶粉分别按等体积取代水泥胶砂中10%的砂子,制成40 mm×40 mm×160mm试块。
2 结果与讨论
2.1 抗折强度
分别测定试件3天、7天、28天的抗折强度,结果如图1所示。胶粉掺入砂浆,降低了砂浆的抗折强度,且随着养护时间延长,胶粉对砂浆抗折影响越大。采用8种方法对胶粉进行表面处理后,砂浆的抗折强度得到提高,但是对不同养护期的效果有较大差异。3天的抗折强度,掺入10%的Si-69处理的胶粉,能达到空白的91.5%;其次是NaOH,能达到89.6%;自制的达到79.4%;胶粉的9种处理方式对改善胶粉砂浆抗折强度的大小依次是Si-69>NaOH>KH-151>钛酸酯>超声水洗>未处理>自制>CCl4>水洗。7天的抗折强度,经NaOH处理,能使抗折强度达到空白试样的79.1%;其次是自制的能达到77.6%,胶粉的9种处理方式对改善胶粉砂浆抗折强度的大小依次是NaOH>自制>Si-69>超声水洗>KH-151>水洗>未处理>钛酸酯>CCl4。28天的抗折强度,胶粉表面的处理方式的影响大小依次是自制>KH-151>CCl4>未处理>超声水洗>NaOH>Si-69>水洗>钛酸酯。综合胶粉的处理方式对各养护期抗折强度影响,采用自制表面改性剂、NaOH、 Si-69等处理方式较好。
2.2 抗压强度
胶粉的处理方式对胶粉砂浆抗压强度的影响如图2所示,胶粉的掺入降低了各个时期的抗压强度,但是通过对胶粉的表面处理能提高胶粉砂浆的抗压强度。对于3天的抗压强度,Si-69的效果最好,能达到空白样的99.8%,9种处理方式作用大小依次是Si-69>KH-151>水洗>未处理>CCl4>超声水洗>NaOH>钛酸酯>自制。7天,CCl4处理能达到空白样的90.3%,各方法的作用大小依次是CCl4>Si-69>超声水洗>NaOH>KH-151>未处理>水洗>自制>钛酸酯。28天,CCl4能与空白样相当,大小依次是CCl4>自制>超声水洗>KH-151>Si-69>NaOH>未处理>钛酸酯>水洗。综合分析CCl4、Si-69、超声水洗等方法较好。
2.3 抗劈裂强度
砂浆56天的抗劈裂强度如图3所示,胶粉降低砂浆的劈裂强度,但是通过对胶粉表面处理,能提高胶粉砂浆的抗劈裂强度,各种方法的效果大小依次是Si-69>自制>KH-151>CCl4>未处理>超声水洗>NaOH>水洗>钛酸酯。经Si-69处理后能达到空白样的88.5%,自制的处理剂能达到空白样80%。
综合以上分析,用Si-69、KH-151和自制处理剂处理橡胶粉效果较好,其中Si-69可以较好地改善添加胶粉后胶砂3天抗折和抗压强度,分别达到未加胶粉空白试样的91.5%和99.8%,而KH-151和自制处理剂可以较好的改善添加胶粉后胶砂后期抗折抗压强度,28天抗折强度分别达到未加胶粉空白试样的73.2%和78.6%,抗压强度分别达到未加胶粉空白试样的92.6%和93.9%,抗劈裂强度也表现了相似的规律。CCl4处理的胶粉试件抗压强度降低较少,但抗折强度降低较多。
3 讨论
目前使用的胶粉通常是由废旧轮胎破碎得到,轮胎内部分子结构是一种交联网状结构,长链烯烃通过硫桥交联在一起,而聚合物分子链又通过物理和化学键吸附在主要补强成分炭黑表面。在废旧轮胎破碎过程中,立体分子链必然被破坏,橡胶粉表面必然存在着断裂的分子链、硫桥键,裸露的炭黑、惰性填料以及增塑剂硬脂酸等。这些活性点由于在加工过程中吸附气体或杂质而失去活性,所以所制得的橡胶粉末表面通常为惰性的,在使用时需要对其表面进行改性。
用Si-69、KH-151和自制处理剂处理橡胶粉效果较好,这可能是由于这三种处理方法使胶粉与水泥基体之间形成了如图4所示的牢固结合,改善了胶粉和水泥基体之间的界面过渡区,从胶粉砂浆断面扫描电镜照片可以验证这一点,图5 (a)为未处理胶粉在试块断裂时发生了抽拔行为,橡胶粉本身没有断裂,而且胶粉与水泥基体界面有较大空隙,图5 (b)是经自制处理剂处理后的胶粉,在试块破坏时发生了韧性断裂,说明胶粉与水泥基体有了较强结合。
其它处理方法(水洗、超声水洗、NaOH腐蚀)都是通过清洗胶粉表面除去其表面吸附物和扩散到表面的增塑剂硬脂酸等,使胶粉自身表面活性提高,改善与水泥基体结合性能,改性效果不是很好。
4 结论
(1)胶粉掺入砂浆中降低砂浆的抗折、抗压和抗劈裂强度,通过对胶粉的表面处理能够改善砂浆的力学性能,但是水洗、超声水洗、NaOH腐蚀等处理方法处理胶粉效果不如偶联剂等表面改性方法效果好。
(2)用Si-69偶联剂处理胶粉可以较好地改善添加胶粉后水泥胶砂3天抗折和抗压强度,分别达到未加胶粉空白试样的91.5%和99.8%,用自制处理剂处理胶粉可以较好的改善添加胶粉胶砂后期抗折和抗压强度,28天抗折强度分别达到未加胶粉空白试样的78.6%,抗压强度达到未加胶粉空白试样的93.9%,抗劈裂强度也表现了相似的规律。