废橡胶胶粉在砂浆混凝土中应用的研究进展

发布日期:2015-05-10 13:31:23
混凝土
随着全球橡胶工业,特别是汽车工业的迅速发展,造成了大量混凝土废橡胶的堆积。废橡胶不易降解,填埋处 理既占地又对土壤和地下水环境产生较大污染,焚烧虽可回收其中部分能源但会带来大气污染。因此,大量 废橡胶的产生及其堆积已构成了严重的“黑色污染”。发达国家非常重视废橡胶轮胎的处理与再利用。据 统计,2003年美国产生了 2.90亿条废轮胎,再利用率达80%。我国随着汽车工业的迅速发展,废轮胎的产 生量已位居世界第二,仅次于美国,2004年达1.12亿条。据中国轮胎翻修利用协会预计在2010年废轮胎 产生量将达到2亿条以上,而目前我国废轮胎回收利用率不足30%,相当一部分废轮胎用于生产低档品或直接堆放填埋,污染环境,浪费资源。因此,加快对废橡胶的高效清洁利用技术的研究,是我国科研工作者的 一项紧迫任务。
 
目前常采用的处理和回收利用废橡胶的途径有:生产再生胶、热裂解回收有机物和热能及生产胶粉等。 前两者由于存在环境和经济的合理性问题正在逐渐被淘汰;生产胶粉将是今后废橡胶回收利用的主要途径。 胶粉利用较成熟的技术是用以改性沥青路面和制备橡胶制品,但这些远不能满足废橡胶特别是废旧轮胎增 长的要求。
 
我国是世界水泥生产大国,同时也是混凝土使用量最大的国家。据统计,2005年,我国水泥产量达10.48 亿吨,占世界总产量的二分之一左右;2004年混凝土用量达到15多亿m3。可见,混凝土在国民经济中占了重 要的位置,但是,与金属材料、高分子材料等相比,普通混凝土还存在一些不足,如抗拉、抗弯强度低,抗冲 击、抗冻、抗震性能差,干燥收缩大,易发生开裂等。为弥补普通混凝土的这些不足,往往采用掺加外加剂对 混凝土进行收缩补偿、增韧、抗冻等改性,但由于外加剂价格很高,往往使得混凝土成本增加很大,从而增加 了工程造价。,胶粉是由废旧橡胶破碎而成的不溶、不熔,具有一定弹性、强度和抗滑性能的交联聚合物。通常,胶粉中 都含有大量无机填料和各种橡胶组分。通过对废轮胎胶粉的成份分析发现,胶粉含胶率一般为50%左右, 填料质量分数(包括炭黑、粘土等)为40%左右,其中的橡胶多为天然橡胶(NR)、顺丁橡胶(BR)、丁苯橡胶 (SBR)等的混合物[1]。由于胶粉具有上述特点,使得其用于混凝土的增轫成为可能。
 
利用橡胶粉具有良好弹性这一特点将其应用于混凝土中,既可以改善混凝土的上述不足,同时又可以解 决大量废橡胶的有效再利用问题,这一研究从2Q世纪90年代起得到世界发达国家科研工作者的重视,逐渐 发展成一种新型的“橡胶粉-混凝土”复合材料。国际上对橡胶粉-混凝土复合材料的研究和应用历史较短。 从已有的资料来看,可能由于汽车大国的缘故,美国学者在橡胶混凝土复合材料的研究方面开展的工作最 多,英国、日本以及南美一些国家也都非常重视这一领域的研究。20世纪90年代初美国北卡罗来纳州立大 学土木工程学院教授Shuaib Ahmad[2]将废旧轮胎磨碎制得胶粉,然后与混凝土混合,制成“橡胶混凝土” (mbcrete)。试验表明,这种橡胶混凝土的强度和刚性都有明显下降,但可以增加混凝土的钿性,有效改善其 抗冲击性和抗震性能。当橡胶质量分数不超过10%时,则有望用于对强度要求不髙的修筑公路或路面、桥 面覆盖层、人行道、隔音层和公路分车道等地方。同时,更深人的研究表明,将橡胶粉掺人到混凝土中有可能 会极大改善其抗收缩性能、提高轫性、抗冲击性以及抗冻融性能,这些发现都极大地鼓舞了世界各国研究人 员对橡胶混凝土的结构和性能进行更深入的研究。
 
2废橡肢粉在砂浆混凝土中应用的国内外研究进展Kahtib等[3]研究了对不同橡胶细集料掺量的水泥混凝土强度的变化规律,并建立了橡胶细集料掺量-混 凝土强度间量化的数学模;Eldin等[4]认为橡胶细集料能够阻止或延缓混凝土中微小裂缝的发展,达到阻裂 效;SavaS#[5]发现加人橡胶微粒后的混凝土具有较好的抵抗温度应力的能力,抗冻融性能良好;Hernandez 等[6]进行了动态弹性模量试验,研究了橡胶细集料混凝土的能量耗散性能;TlKmgm和Segre?都针对橡胶微 粒与水泥浆间的粘结及掺人橡胶后造成强度降低的问题,提出了必须要对胶粉改性,以加强界面结合。国内 关于橡胶混凝土的研究工作尚处于起步阶段。综合目前国内外关于橡胶混凝土复合材料方面的研究工作, 主要包括以下内容:(1)气含量与容重Fedroff等[9]发现尽管没有使用引气剂,掺橡胶粉的混凝土较基准混凝土的气含量要高。他们认为这可 能与橡胶颗粒的非极性有关,同时胶粒粗糙的表面易引人空气。橡胶粉掺量越大,砂浆的容重就越小。但是 当橡胶含量低于总骨料的10 ~20%时,对容重的影响就很不明显了。'(2)强度目前已开展的研究结果表明,胶粉作为一种轻质骨料掺人到混凝土中,混凝土的力学性能包括抗压强度、抗折强度都会产生显着的下降,下降幅度取决于混凝土中粉碎橡胶的含量以及形状。
 
Eldin等[4]和Topcu [1°]报道,含条状和碎橡胶骨料的混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度要比普通的混 凝土低P如果用粗橡胶粉全部替代混凝土中的粗骨料,抗压强度和劈裂抗拉强度大约下降85%和50%,而 用细橡胶粉全部替代细骨料时,二者则分别下降65%和约50%。熊杰等[11]也发现橡胶混凝土的抗压强度 均随橡胶掺量增加而降低。由于胶粉表面为憎水性,与无机胶凝材料不浸润,胶粉与混凝土基体的界面结合 脆弱,从而导致混凝土强度的大幅下降。
 
(3)钿性和抗冲击性Khatib等[3]报道了随着橡胶混凝土中橡胶含量的增加,试件的破坏变缓,而且破坏面的形状为圆锥形或 圆柱形。当橡胶含量达总骨料的60%时,试样表现出弹性变形,即当卸除荷载试样仍保持原样。Eldin等[4] 阐明含橡胶颗粒试样的破坏形式是缓慢的而不是脆断。宋少民等[12]研究表明,胶粉掺量为3%时,混凝土 的抗折强度变化不大,但冲击功可以提高70%。
 
在混凝土中掺入橡胶粉,一方面使得混凝土结构中的软弱点增多,结构强度下降,使得抗压强度有所下 降;另一方面,由于混凝土中存在大量不同孔径的孔隙,胶粉的掺人,填充了这些孔隙,提高了密实度。可见, 如果胶粉与水泥石间能产生一定的胶结作用,则它将与水泥石、集料等形成一整体和具有一定强度的结构, 减少了混凝土孔隙中存在的应力集中点;同时由于橡胶自身的弹性特点,在混凝土受力时将能负担并缓冲一 部分应力,且约束微裂缝的发展,从而使得混凝土的轫性和抗冲击性能得以改善。
 
(4)阻尼性橡胶粉掺人混凝土对提高混凝土的阻尼比效果明显。研究表明,与基准混凝土相比,橡胶粉掺量在0.5% ~ 2.5%时,混凝土阻尼比可提高50% ~ 60% ;当橡胶粉掺量超过2.5%后,混凝土阻尼比随橡胶粉掺 量增大而快速增大,其阻尼比可提高约1.3 ~ 2.3倍[13’14]。但其减振机理还鲜见报道。
 
我国是一个地震多发国,减振混凝土可有效降低地震损失;在航空航天、核技术工程和高精度机床等设 备安装方面,建筑有良好减振性能的混凝土基础和构件,可减少外界干扰的影响,确保仪器设备髙精度运行, 因而橡胶混凝土的阻尼研究将为减振混凝土提供新的研究方向。
 
(5)收缩性RaghaVan[15]报道表明,粉碎橡胶的含量越多,裂缝的长度和宽度越小,产生裂缝的初始时间也越迟。
 
尽管橡胶粉与水泥浆体的粘合作用很弱,但橡胶粉对微裂缝的产生与发展的抑制作用却是很显着的。 在砂浆中掺加粉碎橡胶,对于减少塑性收缩裂缝的产生是很有益处的,但其机理还不清楚,还有必要做进一 步的研究。
 
(6)抗冻融性能Benazz〇uk[16]、SavaS[5]、Siddique[17]等开展了橡胶混凝土快速冻融稳定性的研究。结果发现:掺10%和 15%橡胶掺合料的混凝土耐久性指标要高于标准60% (胶粉粒径为2 ~ 6mm),而掺2〇%和30%时,混凝土 耐久性指标却反而达不到ASTM标准的要求。
 
东南大学张亚梅等[18]研究认为,弹性橡胶颗粒在混凝土内部的广泛分布,为水结成冰时的体积膨胀提 供了空间。在冻融循环作用的过程中,橡胶颗粒被反复地压缩和产生弹性回复,膨胀产生的应力大大削举, 从而混凝土的抗冻性大幅度提高。
 
(7)抗疲劳性能李锐等[19]通过利用超声波检测和疲劳实验后混凝土的残留强度测试发现,橡胶混凝土具有明显优于普 通水泥混凝土的抗疲劳特性。
 
(8)胶粉的表面改性迄今为止,胶粉表面改性技术主要包括机械力化学法、物理辐射、偶联剂处理、接途或互穿聚合物网络 法、核/壳改性法[2347]等。而应用于混凝土的胶粉改性技术报道不多。最早的是Eldin等[28]只是简单地用 水浸泡和冲洗以去除胶粉表面的杂质污物。而R〇stami[29]分别使用水、水和四氯化碳,以及水和乳液混合物 来清洗橡胶粉表面。结果表示,用含水洗橡胶的砼强度比含未处理橡胶的轮强度高16%,而用四氯化碳处 理时,抗压强度则提高57%。
 
目前,国内外报道的用于混凝土中的胶粉的表面处理方法主要包括用甲苯、润滑油、氢氧化钠及偶联剂 来对其进行表面处理[2〇_22]。表面接触角测试结果表明,现有胶粉表面改性技术中,以氢氧化钠溶液的处理 效果为最好,胶粉具有相对最好的亲水性。经力学性能测试发现,用氢氧化钠处理后的胶粉掺人到混凝土中 在掺量小于10%时,仍保持了较好的抗压强度和抗折强度;润滑油处理的次之;用甲苯处理的效果最差。红 外分析发现,胶粉表面存在一些游离出的硬脂酸锌,它可以与氢氧化钠发生离子交换,从而使得改性后的废 胶粉表面亲水性增加。
 
LeeM用SBR(苯乙烯-丁二烯)胶乳来改性粉碎橡胶的试验,结果表明添加了 SBR乳液吟橡胶混凝土的 抗折强度和抗冲击强度要比基准混凝土和用乳液改性的混凝土高很多。SEM图像表明由于SBR的作用,在 碎橡胶与水泥浆之间有较好的粘合,可以改善胶粉与混凝土的界面结构,大幅度提高混凝土的抗冲击性能。
 
李悦等[19]通过掺人硅灰,硅烷偶联剂、PVA预处理胶粉等方法发现,橡胶颗粒表面用PVA和硅烷偶联 剂处理,虽然橡胶混凝土的强度较原混凝土强度还有所降低,但与未处理的橡胶混凝土相比,橡胶改性混凝 土的强度有很大的提高,且其轫性和抗疲劳特性明显优于普通水泥混凝土。、此外,笔者通过表面改性技术对废胶粉进行了接枝改性。将磺酸基团、羟基等极性k团接枝到胶粉表 面,改善其亲水性能,并将改性胶粉应用到水泥混凝土中,Xt其工作性能和力学性能进行了研究。结果表明, 改性胶粉可以有效改善混凝土的流动性,并减小流动度损失;在力学性能方面,改选胶粉/混凝土复合材料在 保证其抗压强度的同时,实现了抗折强度的提高,材料表现出一定的初性。而且SEM观察结果显示,改性后 的胶粉与混凝土具有很好的界面结合。这一结果将为胶粉应用于混凝土中提供了新的研究方向。
 
3废橡肢粉应用存在的问题及关键技术综上所述,目前制备的废橡胶粉混凝土复合材料虽然能在一定程度上有效提高材料的弹性,并具有较好 抗冲击性能和减震性能,但由于胶粉的憎水性与混凝土的亲水性使得材料界面结合较差,导致混凝土强度明 显降低。目前在橡胶粉-混凝土复合材料的研究与应用等方面还存在较多不足,主要表现在:(1)由于胶粉 表面的憎水性,使得胶粉与混凝土界面结合差;即使是采用了胶粉改性技术,但由于改性效果欠佳,造成混凝 土工作性能和强度性能下降明显;(2)对“橡胶粉-混凝土”这一新型复合材料的形成机理、界面过渡层 (interfacial transition zone,ITZ)结构和特性关系的研究还很不完善;(3)对这种新型材料的功能性潜力的挖 掘与发展不足。这些都一定程度上限制了 “橡胶粉-混凝土”技术的推广和应用。
 
由于目前对应用于混凝土中的废胶粉改性技术的研究还很少,可供参考的资料有限。要使得废胶粉能 够大量应用于混凝土,并实现工业化应用,其关键技术问题有以下几点:(1)适宜的胶粉表面改性技术,使得混凝土强度不下降甚至有所增加,因此提高胶粉与水泥界面的结合 是解决问题的关键(目前尚无报道)。目前报道的几种对胶粉表面处理的方法仍不能有效地解决界面结合 的问题,这是由于一方面对胶粉在水泥水化过程中的作用和反应机理以及胶粉在水泥石结构中的存在形式 研究不足,缺少足够的理论指导;另一方面对于胶粉改性技术的研究也开展的非常有限。另外,不同的改性 方法可能会使混凝土表现出不同的性能,因此,明确用途的改性可能会使得废胶粉的应用更为广泛。
 
(2)胶粉表面改性的成本控制:由于混凝土、胶粉都属于低成本高产量的产品,因此对其改性技术也应 考虑成本的控制,以便更有利于工业化推广应用。
 
(3)胶粉掺人混凝土时的配方及施工技术。包括混凝土水灰比的确定、胶粉与外加剂的复配问题,胶粉 应能够直接应用于混凝土的配制,不需要增加施工工序,同时不改变混凝土的工作性能。
 
4展望 使橡胶粉成为一种可高效利用于混凝土工业的再生资源,由其制备的橡胶粉-混凝土复合材料作为一种新型的环境友好材料具有轻质、保温、高韧、抗渗以及一定阻尼减震吸音等功能,将其应用到道路、桥梁、高 速公路、铁路轨枕、机场跑道等地方,能有效提高车辆的行驶安全和路面使用寿命;更重要的是,该项技术和 该材料的研究与应用,可以有效减少废橡胶所产生的“黑色污染”,使得橡胶粉作为一种混凝土新型改性剂 得以大量应用,实现橡胶粉的高效利用。目前,国内外对橡胶粉混凝土的结构和性能的应用基础研究还非常 有限,因此,该体系进行深人系统的理论和应用研究有着重要的科学和实际应用价值。
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