安徽理工大学学报（自然科学版）
Journal of Anhui University of Science and Technology( Natural Science)
Vol. 39 No. 2
Mar. 2019
纳米Si02对橡胶砂浆力学及收缩特性影响的研究
马海彬，马晴晴，吴帆，胡凡
(安徽理工大学土木建筑学院，淮南安徽232001)
摘要：为了提高大掺量橡胶颗粒砂浆的力学强度，推进橡肢砂浆在实际工程中的应用，试验 采用外掺纳米Si02的方法对橡股砂浆进行改性，研究不同掺量纳米Si02对橡胶砂浆的孔隙 率、密度、抗压强度与抗折强度以及试块的干缩和自收缩性能的影响。试验结果表明，纳米
Si02的加入能够有效降低橡胶砂浆孔隙率，提高其密度及抗压强度与抗折强度，但在纳米 Si02掺量小于3%时，强度提升幅度随纳米Si02掺量增加明显增加，在纳米Si02掺量大于3%
时，其强度增长幅度变缓。橡肢等体积替代30%砂的条件下，纳米Si02最佳摻量为水泥质量 的3% ;纳米Si02在提高橡胶砂浆抗压与抗折强度的同时也加大了试块的收缩，增大了砂浆的 开裂风险,故在今后的研究中仍需进一步综合考量。关键词：橡胶砂浆;纳米&02;孔隙率;密度;力学性能;收缩性能
中图分类号：TU528
文献标志码：A
文章编号：1672 -1098(2019)02 -_7-06
Experimental Study on Mechanical Properties and Shrinkage Characteristics of
Rubber Mortar with Different Nano - Si02 Content
MA Haibin,MA Qingqing,WU Fan, HU Fan
(School of Civil Engineering and Construction,Anhui University of Science and Technology,Huainan Anhui 232001 ,China)
Abstract ： In order to improve the mechanical strength of large - volume rubber particle mortar and promote the application of rubber mortar to practical engineering. The experiment was carried out by modifying the rubber mortar with nano - Si02. The effects of different nano - Si02 on the porosity, density, compressive strength and flexural strength of the rubber mortar and the shrinkage and self - shrinkage properties of the test piece were studied. The results show that the addition of nano - Si02 could effectively reduce the porosity of rubber mortar, increase its density, compressive strength and flexural strength. However, when the nano - Si02 content was less than 3% , the strength lift rate rises with the increase of nano - Si02 content. When the nano - Si02 content was more than 3% , the strength lift rate became slower. Under the condition that 30% sand was replaced by the same volume of rubber, the optimum dosage of nano Si02 was 3% of the mass of cement. Nano - Si02 increases the compressive and flexural strength of rubber mortar, and also increases the shrinkage of the test piece, which increases the risk of mortar cracking . Therefore, further consideration is needed in the future research.
Key words ： rubber mortar ； nano - Si02; porosity ； density ； mechanical property ； shrinkage performance
收稿日期:2018-11 -02
基金项目：国家自然科学基金海外及港澳学者合作研究基金资助项目（51728201);安徽理工大学青年科学研究基金资助项目 (QN2017210)
作者简介:马海彬（1978 -),女，内蒙古赤峰人，副教授，在读博士，硕士生导师，研究方向：新型绿色建筑材料及成本分析。
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安徽理工大学学报（自然科学版)
汽车产业的迅猛发展使得废弃橡胶轮胎的处
第39卷
30%，抗折强度亦提高20%以上，表明纳米Si02能 有效吸收Ca( OH) 2晶体，且更有效细化Ca( 0H) 2 晶体，显著提高混凝土的抗压强度与抗折强度。
综合以上研究结果,相比改性橡胶的方法，加 入纳米Si02能够改善混凝土内部的微结构，明显 提高混凝土力学强度，所以本文以外掺纳米Si02 作为强度补偿方法,研究不同纳米Si02掺量对橡 胶砂浆力学及收缩性能的影响，综合评价纳米
Si02对橡胶砂浆性能的影响。
理成为环境治理的一大难题，我国橡胶产量以及相 应的废弃橡胶轮胎产量以每年8%〜10%的速度 增长，位居世界第一。妥善处理废弃橡胶成为亟待 解决的问题，橡胶混凝土是回收和再利用废旧橡胶 的有效途径[1_2]。
有研究表明[3_5]，与普通混凝土相比，橡胶混 凝土抗裂性能、抗冲击性能、减震性能、抗渗性能、 抗冻性能、隔热和隔声性能都有显著提高，但其抗 压强度明显降低，且随着橡胶掺量的增加力学强度 降低幅度增大。为推进橡胶混凝土在实际工程中 的应用,学者们在改进橡胶颗粒的表观物理性能以 及改善水泥砂浆性能进而提高橡胶混凝土的力学 性能方面作了大量研究。文献[6]分别运用浓度 为3%的NaOH溶液与硅烷偶联剂KH - 550溶液 对橡胶颗粒进行改性，在橡胶等量替代30%砂时，
NaOH改性橡胶混凝土强度提高6. 5% ,而KH -
1试验材料与方法
1.1试验原材料
水泥为P. 〇 42. 5普通硅酸盐水泥，BET比表 面积为1.447m2/g。砂为淮河黄砂，细度模数为 2.6，密度为2 5201^«13。橡胶颗粒为20~40目， 密度为1 0301^8/1113。纳米沅〇2含量奋99.5%，粒 径为30 ±5mn。减水剂为聚羧酸液态减水剂。
1)试验配合比
本试验采用水胶比为〇. 3，砂率为50%的基准 配合比，橡胶等体积替代30%砂。研究不同纳米
Si02掺量对橡胶砂浆性能的影响，分别按照水泥
550改性橡胶混凝土强度仅提高3. 9%。文献[7] 以马来酸酐为原料，引人不同引发剂对其接枝改性 废旧橡胶粉，用分析纯过氧化二异丙苯作为引发剂 时抗压强度结果最好，在水灰比为〇. 4橡胶等体积 替代15%砂时强度最大值为45. IMPa。已有的研 究表明,采用改变橡胶表观性能的方法改性橡胶混 凝土，虽能提高橡胶混凝土的力学强度，但提高幅 度并不明显。文献[8]研究了纳米沿02的掺入对混 凝土性能的影响，混凝土的抗压强度提高10% ~
表1
质量的0%、1%、3%、5%外掺纳米Si02，试验配合 比见表1。试验编号M0为未添加纳米Si02对照 组，Ml、M3、M5分别为按水泥质量的1%、3%、5% 外掺纳米Si02的试验组。
100g基准配合比
试验分组
M0M138.46M3M5
水泥/g
38.4635.0038.4638.46
砂/g
35.0011.5435.0035.00
水/g
11.546. 1311.5411.54
橡胶/g
6.130.386.136.13
纳米Si02/g
0.001.821. 151.92
浆体密度/(g
1.85
1.851.66
2)孔隙率及密度测试
根据ASTM C20[9]，测试试块的孔隙率、真实密 度、表观密度,3个试块为一组，测量结果取平均值。 具体方法为将试块置于烘箱在105尤条件下烘干至 恒重，测其重量即为试块干重之后将试块煮沸 2h并在水中浸泡12h,使用细线悬于水中测其悬挂 重量込，并测其饱和重量密度以及表观密度按以下公式进行换算
①孔隙率
n = (Q, ②真实密度
~Q2) xlOO%
(i)(2)(3)
p, = ③表观密度
- Qi)pb = Qy(Q3~Q2)第2期马海彬，等:纳米Si02对橡胶砂浆力学及收缩特性影响的研究9
3) 力学强度测试
根据 ASTM C349[l°]，制备 40mm x 40mm x 160mm棱柱体试块，在温度为23丈，相对湿度> 95%的条件下分别养护至3d、7d、28七测试过程 中，使用抗压和抗折模具分别测试其抗压强度与抗 折强度，抗压强度6个试块为一组，抗折强度3个 试块为一组，测试结果取平均值。
4) 自收缩测试
根据ASTM C1698[u]，采用波纹管法测试每一 组配合比线性自收缩。3个试件为一组，测量结果 取平均值。以终凝时刻试件长度为初始值，自收缩 微应变值按下式计算
队=(Lr-L0) x106/L0 (5)式中:i。和~分别为终凝时刻和测量时刻试件长 度值。
5) 干缩测试
根据ASTM 5%U2]，制备尺寸为25_ x25mm x 285mm的干缩试件。试验方法为将浇筑完毕的 新拌砂浆连同模具放置在温度为23T，相对湿度 >95%的环境中养护24h,拆模后，浸泡在饱和Ca - (〇H)2溶液中继续养护48h，龄期为72h时将试块 取出擦干首次测量试块的初始长度，之后将试件放 人相对湿度为50% ±3%的环境中，每天测试一 次，连续测至7d，测量结果取平均值。
2
试验结果及分析
2.1
孔隙率及密度
表2
孔隙率及密度
试验孔隙率真实密度表观密度分组/%/(g • cm\"3)
/(g • cm\"3)
M011.001.901.64Ml9. 692.211.76M37.482.411.88M5
9. 66
2. 18
1.71
表2为试块的孔隙率及密度数据，由表2可 知，纳米Si02的加人对试块的孔隙率、真实密度与 表观密度有显著影响，试块孔隙率减小、真实密度 与表观密度增大。随着纳米Si02掺量的增加，试
块的孔隙率的降低幅度呈先增大后减小的趋势，真 实密度与表观密度的提高幅度亦呈先增大后减小 的趋势。在纳米Si02掺量为3%时影响效果最显 著，孔隙率达到最低值7.48%，与对照组M0相比 降低32% ;真实密度与表观密度亦达到最大值，分 别为2. 41g/cm3、
1. 88g/cm3，与对照组相比分别增 大26.8%、14.6%。纳米&02的加人明显提高砂 浆的密实度，这是由于砂浆内部纳米Si02与水泥 水化产物反应生成硅酸钙凝胶，有效填补了橡胶颗 粒与砂浆之间的孔隙，降低了砂浆的孔隙率，使其 更加密实[13]。在纳米Si02掺量为3%的条件下, 纳米Si02与水泥水化产物反应最充分，生成的结 构最为致密，而在掺量为5%时掺人纳米Si02过量 阻止了凝胶形成长链[14],孔隙率的降低幅度以及 真实密度和表观密度的提高幅度降低。2.2抗压强度
试验分别测试了橡胶砂浆各龄期抗压强度，如表3所示：
表3 4组配合比各龄期橡胶砂浆抗压强度
各龄期抗压强度/MPa
试验分组
_
3d7d28dM018. 3422.8224.37Ml18. 9426. 3828. 60M320.0031.0332.96M5
17. 23
25.86
27.52
35
3
02' 2
51 01
5 011
_1
3
28
龄期/天
■ M0吻
Ml 曰
M3麵M5
图
1组配合比各龄期橡胶砂浆抗压强度
10
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图1将4组配合比橡胶砂桨各龄期抗压强度
进行了对比，通过对比可知，在橡胶砂浆中掺入纳 米Si02，可有效提高橡胶砂浆的抗压强度，且抗压 强度提高幅度随其掺量的增加呈先增大后减小的 趋势。与M0相比，3d时，Ml、M3的抗压强度分别 提高3. 28%、9. 08%，而M5的抗压强度降低了 6%;7d时，M1、M3、M5的抗压强度分别提高 15. 57%、35. 93%、13. 25% ;28d 时，Ml、M3、M5 的 抗压强度分别提高17.32%、35. 20%、12. 87%。 这是由于纳米Si02粒径小，比表面积大，表面效应 更显著，与水泥水化产物大量键合,吸收水泥硬化 浆体中富集的Ca(OH)2，在其颗粒表面形成更多 的C-S-H凝胶，形成致密的微结构，增强砂浆的 强度[13]0
在整个龄期内，M3组试块的抗压强度提高幅 度明显高于Ml、M5 ,且在7d与28d时抗压强度均 提高30%以上。说明在掺量3%时纳米Si02与水 泥水化产物充分反应，而纳米Si02掺量为5%时， 砂浆内部生成过量的硅酸盐，阻止凝胶形成过长的 链，降低了试块强度的提高幅度[14]。2.3抗折强度
图2为4组不同配合比在不同龄期的抗折强 度，在橡胶砂浆中掺人纳米Si02亦有效提高了试 块的抗折强度,且抗折强度的变化规律与抗压强度 的变化规律大致相符。与M0相比，Ml、M3、M5的 抗折强度均有显著提高，3d时,Ml、M3、M5组抗折 强度分别提高 20.34%、26.78%、8. 13% ;7d 时,
Ml、M3、M5组抗折强度分别提高4. 34%、
28. 90%、4. 04% ;28d 时，Ml、M3、M5 组抗折强度 分别提高3. 55%、17. 97%、3. 78% ,试块抗折强度 提高幅度随纳米Si02掺量的增加呈先增大后减小 的规律。这也归因于纳米Si02促进了水泥水化， 提高结构致密性，增强了砂浆的抗折强度，且在 3%掺量时纳米Si02与水泥水化产物的反应最充 分，抗折强度提高幅度最显著。2.4自收缩
试验采用波纹管法测试每一组配合比的线性 自收缩情况,3个试件为一组，测量结果取平均值。 图3为4组不同配合比的橡胶砂浆28d龄期内自
龄期/天
EI3M0 ES3M1 ^
M3 _
M5
图2 4组配合比各龄期橡胶砂浆抗折强度
收缩变化曲线。
0 5
10 15
20
25
30
龄期/天
+ M()
-ni-Ml
+M3
+M5
图3 4组配合比28天龄期内橡胶砂浆自收缩
4组配合比橡胶砂浆的自收缩在7d测试龄期 内都呈线性增长的趋势，在l〇d龄期前后试块的自 收缩趋于平缓。加人纳米Si02在有效提高试块力 学性能的同时增强橡胶砂浆微结构的密实性，对砂 架的收缩性能产生重要影响。纳米&02的加人增 大了砂浆的自收缩，且随着纳米Si02掺量的增加 自收缩呈先增大后减小的变化趋势，Ml、M3、M5 的自收缩均大于M0组,M3组的自收缩最大，最大 值为477(xs。自收缩主要是水泥基材料在密闭环 境中，由于水泥持续水化，水分损失引发自干燥现 象，在毛细孔毛细应力作用下引发的变形。加人纳 米Si02促进水泥早期水化，提高微结构的致密性， 减小毛细孔毛细压力，产生较大自收缩。纳米
Si02掺量在3%时，砂浆的微结构密实性最高，孔
隙率最小，试块的自收缩最为显著,增加砂浆开裂 风险。但在纳米Si02掺量为5%的条件下砂浆内
第2期马海彬，等:纳米Si02对橡胶砂浆力学及收缩特性影响的研究
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部形成过量硅酸盐组织了长链形成，砂浆的收缩降 低，砂浆开裂风险减小。2.5干燥收缩
图4图5为4组不同配合比28天龄期内橡胶 砂浆干燥收缩与质量损失的变化曲线。
;I[
It80_0h
r:t
0 5
10
15
20
25
30
龄期/天
+
M()
♦Ml 去 M3
-<»-M5
图4 4组不同配合比28天龄期内橡胶砂浆干燥收缩
0 5
10 15
20
25
30
龄期/天
-*-M0
-»-Ml
+M3
-<-M5
图5 4组不同配合比28天龄期内橡胶砂浆质量损失
如图所示，7d测试龄期内，各组橡胶砂浆干燥 收缩与质量损失都呈线性增大的趋势，之后增长速 度减缓，在20天龄期时曲线趋于平缓。纳米Si02 的加人对橡胶砂浆的干燥收缩和质量损失也产生 重要影响。由图4可以看出干燥收缩与自收缩发 展规律基本一致，加人纳米Si02明显提高橡胶砂 楽的干燥收缩，且收缩量随着纳米Si02的增加呈 先增大后减小的趋势,在掺量3%条件下提高幅度 最大，最大收缩量达到1 394^e。干燥收缩是指混 凝土试块停止养护后，不饱和条件下混凝土内部毛 细孔和凝胶孔的吸附水散失至外部引起的收缩，反
应水泥基材正常工作时的收缩性能，是一种不可逆 的收缩n5]。事实上，加人纳米Si02可有效提高砂 浆微结构密实性，降低孔隙率，减小试块在干燥环 境中的水分散失，降低试块干燥收缩。然而，干缩 测试数据发展规律却与此相反，这说明，干缩试件 不仅发生着干燥收缩变化，因其结构较为密实，在 试件内部尚发生着一定的自收缩。
试块的质量损失是由于试块内部自由水散失到 干燥的空气中引起的，从图5可看出，随着S02摻 量的增加橡胶砂浆的质量损失呈逐渐减小的趋势，
M0组质量损失大于M1、M3、M5，且M5组干燥收缩
质量损失最小，仅为3. 68%。这说明纳米Si02与水 泥水化产物发生反应生成水合物，降低砂浆中游离
水的含量，且加人的纳米Si02越多,砂浆中游离水 的含量越低，反应生成的凝胶亦填补了砂浆内部孔 隙，减少水分的散失,降低砂浆质量损失。
3结论
本文研究了不同纳米Si〇2掺量对橡胶砂浆物
理性质、力学性能以及收缩性能的影响，得出以下 结论：
(1)
纳米Si02与水泥水化产物Ca( OH) 2反应
生成C - S - H凝胶，形成致密微结构，降低橡胶砂 浆孔隙率，提高砂浆的真实密度与表观密度；
(2)
纳米Si02的加人，使橡胶砂浆内部微结构
更加密实，改善橡胶砂浆的力学性能，橡胶砂浆的 抗压强度和抗折强度均显著提高；
(3)
橡胶等体积替代30%砂的条件下,试块力
学性能的提升幅度随着纳米Si02的掺量增加呈现
先增大后减小的趋势，纳米Si02掺量为3%时抗压 强度与抗折强度提高最大，纳米Si02加人过多生 成过量的硅酸盐会阻止凝胶生成长链，降低试块强 度的提高幅度，从力学性能的角度看，在水胶比为 0. 3砂率为50%的情况下，试验最佳的纳米Si02 掺量为水泥质量的3% ;
(4)
纳米Si02的加人在提高试块的抗压强度
的同时也增大了试块的收缩，纳米Si02掺量为3% 的橡胶砂浆的干燥收缩以及自收缩幅度大于另外 两个掺量，增大了砂浆的开裂风险，故在今后的研 究中仍需进一步综合考量。
12安徽理工大学学报（自然科学版)第39卷
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(责任编辑：丁寒，李丽）
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