CN112341104B - 高性能路用橡胶混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水泥基建筑材料技术领域，尤其涉及一种高性能路用橡胶混凝土及其制备方法。本方案中的高性能路用橡胶混凝土，组成原料为水泥、粉煤灰、河砂、橡胶集料、改性橡胶粉、钢渣粗集料、减水剂、增强助剂和水。改性橡胶粉制备工艺为：轮胎破碎得橡胶粉，将橡胶粉与水玻璃溶液混匀后加入调粘共聚物溶液后干燥。调粘共聚物由异戊烯醇聚氧乙烯醚、甲基丙烯酸甲酯、N,N‑二甲基丙烯酰胺、磷酸氢二(甲基丙烯酰氧乙基)酯聚合而成；增强助剂为氟硅酸盐、醇胺、磷酸二氢铝、十八烷基二甲基苄基氯化铵、聚丙烯酸钠混合物。本方案中的高性能路用橡胶混凝土承压能力强、高韧性、高抗变形性以及高耐久性，可用于重载交通下的公路路面工程。

Description

高性能路用橡胶混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于水泥基建筑材料技术领域，尤其涉及一种高性能路用橡胶混凝土及其制备方法。

背景技术

随着国家基础设施投资建设力度不断增加和国民对高效通勤需求不断扩大，市政道路和高速公路建设迅速，水泥混凝土由于强度高、原料廉价、刚度大，被作为我国道路、桥梁最主要的结构。

水泥混凝土的主要原料为水泥、掺合料组成的胶凝材料，砂石组成粗细骨料，以及减水剂、膨胀剂等功能助剂，水泥混凝土作为路面结构的主要强度来源来自于水泥的水化，水泥的主要活性矿物成分为硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙，该活性组分与水发生水化反应，生成具有一定胶凝强度的水泥石胶凝体，将砂石骨料进行粘合，从而形成路面结构，但是，传统的水泥混凝土路面由于刚度大、变形性能小，非常容易导致路面裂缝产生，并且，水泥混凝土路面在服役过程中不耐磨，长久使用容易发生表面磨损，混凝土作为微观多孔材料，雨水等十分容易渗入路面结构内部，对于冬季气温低于0摄氏度的我国北方地区，混凝土经受多次冻融循环容易发生破坏，甚至断板。例如，目前用于路面材料的多为普通水泥混凝土，即素混凝土，每立方水泥混凝土各成分的重量：水泥：P•O42.5：375Kg~429Kg；中砂： 720Kg~847Kg；石子：1066Kg~1080Kg。该材料存在三方面缺点：①在重载交通作用下，此种材料制成的路面板易发生断裂，即断板现象，影响道路行驶安全。②受混凝土自身性质影响，该材料受冻融环境、雨水浸泡侵蚀等影响，耐久性能大大下降。③受车辆碾压磨损，路面易出现多处表面破损且发生频率高，使维护成本增加。

随着城市化的不断发展，我国逐渐成为汽车消费大国，汽车废旧轮胎产量逐年增加，如何将废旧轮胎进行回收利用成为一个技术难题，近年来，将废旧橡胶轮胎进行破碎后用于公路路面铺装成为行业热点，目前形成的主要应用方式是将橡胶进行破碎后作为沥青改性剂或骨料应用于沥青混合料中，也有诸多研究人员和施工人员将橡胶颗粒直接或进行改性后作为骨料用于水泥混凝土道路的铺设。李宁以嵌锁密实水泥混凝土为基础，掺加粒径为0.42mm的废旧轮胎橡胶，使其不仅具有橡胶粉混凝土的优点，同时能够解决橡胶粉水泥混凝土强度不足问题，并通过橡胶粉表面处理使嵌锁密实水泥混凝土与橡胶粉水泥混凝土能够有效结合，采用橡胶粉等体积置换部分砂，分析橡胶粉掺量以及橡胶粉种类对水泥混凝土的抗压强度和抗弯拉强度的作用，试验结果表明:橡胶粉掺量和种类对混凝土的强度有显著的影响，总体是随着橡胶粉掺量的增加强度降低；专利文献CN107188488A公开了以水泥、橡胶粉、河砂、碎石、水、减水剂、钛酸酯偶联剂、橡胶胶乳、疏水改性纤维素、木质素、粒化高炉矿渣粉等原料制备的混凝土，具有抗折强度、抗冲击性、底板抗冲磨性、耐磨性、温缩性、干缩性、抗冻性、极限应变能力、降噪性、容重、抗腐蚀性等性能优于普通水泥混凝土路面；且后期养护费用低于普通水泥混凝土路面等特点，CN108033740A公开了一种高抗压强度橡胶集料混凝土，包括混凝土基料、橡胶集料、钢纤维、减水剂，混凝土基料包括纳米二氧化硅；其中，混凝土基料包括胶凝材料、石子和砂子，其质量比为0.9～1.1:0.6～0.9:1.4～1.8；胶凝材料包括水泥和纳米二氧化硅，流动性、保水性能良好，节约水泥熟料，制备过程简单、环保，易于施工；CN107602145A公开了一种高韧混凝土，原料包括石子、高分子纤维、水性丙烯酸、弹性橡胶颗粒、水泥、沙子、粉煤灰、稀释剂、明胶，由于高分子纤维不会产生自组装效应，所以高分子纤维是呈现网状的，避免车辆在行驶过程中，将其中的沙石骨料等向外带出。然而，现有技术橡胶混凝土仍然存在承压能力低、抗变形性差、成本高、工艺复杂、耐久性差，环保不足，橡胶易上浮等缺陷。

发明内容

为克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种高性能路用橡胶混凝土及其制备方法，通过调整混凝土原料组成，制备一种具有承压能力强、高韧性、高抗变形性以及高耐久性的匀质高性能路用橡胶混凝土材料。

具体的，本发明高性能路用橡胶混凝土，组成原料为水泥、粉煤灰、河砂、橡胶集料、改性橡胶粉、钢渣粗集料、减水剂、增强助剂和水，其中水泥、粉煤灰为胶凝材料，水胶比为水与胶凝材料的质量比。本发明研究表明，采用水泥和粉煤灰双组合形成的水泥浆与改性橡胶粉更具相容性，改性橡胶粉的充分分散降低了水泥浆的密度，提高了自身粘度，从而避免橡胶集料的上浮，由此，橡胶集料可进行直接添加，无需再经改性处理。

优选的，本发明高性能路用橡胶混凝土，由如下原料组成：水泥340-500份，粉煤灰34-40份，河砂600-730份，橡胶集料40-80份，改性橡胶粉40-80份，钢渣粗骨料900-1400份，减水剂6-15份，增强助剂3-6份，水胶比为0.28-0.32。

优选的，所述河砂为中砂。

优选的，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率≥25%。

优选的，所述橡胶集料由废旧轮胎粉碎而成，粒径为2-4mm。

优选的，其特征在于，所述水泥为普通硅酸盐水泥，更优选的，水泥选自PO42.5普通硅酸盐水泥或PO42.5R普通硅酸盐水泥。

优选的，所述改性橡胶粉制备工艺为：将废旧轮胎破碎细磨至136-258μm得橡胶粉，将橡胶粉与水玻璃溶液混合均匀，再加入调粘共聚物溶液充分混合，干燥得改性橡胶粉，橡胶粉、水玻璃溶液与调粘共聚物重量比为：1:2-2.5：0.8；所述调粘共聚物由异戊烯醇聚氧乙烯醚、甲基丙烯酸甲酯、N,N-二甲基丙烯酰胺、磷酸氢二(甲基丙烯酰氧乙基)酯按摩尔比1:3.6：0.06:0.02聚合而成；水玻璃主要成分为硅酸钠，通过其在橡胶粉表面的附着，提高了橡胶粉四周添加粉煤灰的水泥浆的悬浮性，使橡胶粉在水泥浆中充分分散悬浮，调粘共聚物具有主链-支链结构，支链结构含有酰胺、磷酸等官能团，可与水玻璃协同提高橡胶粉在水泥浆中的分散性，本发明在橡胶再利用时采用橡胶集料和改性橡胶粉的双掺形式，本发明研究表明，采用双掺形式可提高废弃轮胎的利用效率，与单掺橡胶集料替代细骨料或单掺橡胶粉替代粉料相比，双掺形式更有利于抑制橡胶在水泥浆中的上浮问题，并且，双掺过程仅需对橡胶粉进行水玻璃和调粘共聚物简单处理，无需对橡胶颗粒进行改性，简化了工艺流程，提高了混匀效果。

优选的，所述增强助剂为氟硅酸盐、醇胺、磷酸二氢铝、十八烷基二甲基苄基氯化铵、聚丙烯酸钠混合物，氟硅酸盐、醇胺、磷酸二氢铝、十八烷基二甲基苄基氯化铵、聚丙烯酸钠质量比例为2:1：0.5:0.3:0.1。现有技术中利用废弃橡胶进行混凝土制作时常出现混凝土拌合与施工过程橡胶颗粒上浮现象，部分技术人员对橡胶颗粒进行再利用时对其进行复杂的表面改性，成本高，环保性能不足，本发明经过大量实验，研制由氟硅酸盐、醇胺、磷酸二氢铝、十八烷基二甲基苄基氯化铵、聚丙烯酸钠组成的增强助剂，可解决橡胶原料在混凝土中添加造成的上浮问题，增强助剂使用过程直接添加至混凝土中即可，无需进行特殊工艺环节。

更优选的，所述氟硅酸盐选自氟硅酸钙、氟硅酸镁的至少一种；所述醇胺为三乙醇胺、三异丙醇胺的至少一种。本发明通过采用氟硅酸盐、醇胺、磷酸二氢铝、十八烷基二甲基苄基氯化铵、聚丙烯酸钠作为增强助剂对橡胶混凝土进行改性，一方面提高了浆体稠度，使橡胶颗粒、河砂、改性橡胶粉之间形成紧致连接，提高了橡胶颗粒和改性橡胶粉在水泥浆中的分散性，抑制了橡胶颗粒和改性橡胶粉的上浮，另一方面，氟硅酸盐和醇胺提高了橡胶混凝土的密实度，增强了硬化混凝土的力学性能和耐久性。

本发明还涉及高性能路用橡胶混凝土制备方法，具体的，包括如下步骤：

1）制备橡胶集料、改性橡胶粉；

2）按配比称取各原料；

3）将减水剂加入水中制备成为减水剂溶液；

4）将河砂、橡胶集料、钢渣粗集料依次加入搅拌机进行搅拌，再将改性橡胶粉、粉煤灰、水泥、增强助剂依次加入搅拌机进行搅拌，最后加入减水剂溶液，搅拌均匀。

本发明以水泥、粉煤灰双掺作为胶凝材料，以河砂和钢渣粗骨料作为骨料，添加橡胶集料和改性橡胶粉，以减水剂、氟硅酸盐、醇胺、磷酸二氢铝、十八烷基二甲基苄基氯化铵、聚丙烯酸钠作为助剂，并添加水制备高性能路用混凝土，本发明采用橡胶集料和改性橡胶粉对橡胶进行再利用，与单掺橡胶集料替代细骨料或单掺橡胶粉替代粉料相比，双掺形式更有利于抑制橡胶在水泥浆中的上浮问题，并且进一步提高了橡胶的利用率；（重点技术效果）

为抑制橡胶粉和橡胶颗粒的上浮（解决的重点技术问题），首先，本发明采用水泥和粉煤灰双组合形成水泥浆，其与经水玻璃和调粘共聚物改性的橡胶粉更具相容性，水玻璃主要成分为硅酸钠，通过其在橡胶粉表面的附着，提高了橡胶粉四周添加粉煤灰的水泥浆的悬浮性，使橡胶粉在水泥浆中充分分散悬浮，调粘共聚物支链结构含有酰胺、磷酸等官能团，可与水玻璃协同提高橡胶粉在水泥浆中的分散性，并且，改性橡胶粉的充分分散降低了水泥浆的密度，提高了自身粘度，从而避免橡胶集料的上浮，由此，仅需对橡胶粉进行简单处理，橡胶集料可进行直接添加，无需再经改性处理，简化了工艺流程，保证了混匀效果，此外，本发明采用氟硅酸盐、醇胺、磷酸二氢铝、十八烷基二甲基苄基氯化铵、聚丙烯酸钠作为增强助剂对橡胶混凝土进行改性，一方面提高了浆体稠度，使橡胶颗粒、河砂、改性橡胶粉之间形成紧致连接，提高了橡胶颗粒和改性橡胶粉在水泥浆中的分散性，抑制了橡胶颗粒和改性橡胶粉的上浮，另一方面，氟硅酸盐和醇胺提高了橡胶混凝土的密实度，增强了硬化混凝土的力学性能和耐久性，各组分相互配合，形成了协同效应，钢渣粗集料和河砂质地坚硬，可保证橡胶颗粒和改性橡胶粉添加后混凝土仍可满足力学性能和耐磨性的需要。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例和对比例水泥采用PO42.5普通硅酸盐水泥，河砂采用中砂，减水剂采用减水率25%的聚羧酸减水剂，橡胶集料由废旧轮胎粉碎而成，粒径为2-4mm，改性橡胶粉制备工艺为：将废旧轮胎破碎细磨至136-258μm得橡胶粉，将橡胶粉与水玻璃溶液混合均匀，再加入调粘共聚物溶液充分混合，干燥得改性橡胶粉，橡胶粉、水玻璃溶液与调粘共聚物重量比为：1:2-2.5:0.8；所述调粘共聚物由异戊烯醇聚氧乙烯醚TPEG-2400、甲基丙烯酸甲酯、N,N-二甲基丙烯酰胺、磷酸氢二(甲基丙烯酰氧乙基)酯按摩尔比1:3.6:0.06:0.02聚合而成，普通橡胶粉采用废旧轮胎破碎磨细至136-258μm的产品。

实施例1

高性能路用橡胶混凝土，由如下原料组成：水泥420份，粉煤灰34份，河砂660份，橡胶集料65份，改性橡胶粉65份，钢渣粗骨料1200份，减水剂12份，氟硅酸钙2份，三异丙醇胺1份，磷酸二氢铝0.5份，十八烷基二甲基苄基氯化铵0.3份，聚丙烯酸钠0.1份，水胶比为0.30。

经检测，橡胶混凝土初始流动性710mm，混凝土成型效果好，翻拌松软，橡胶集料无上浮，300次冻融循环质量损失率-1.0%，300次冻融循环相对动弹性模量77%，28d抗压强度66MPa，28d抗折强度7.4MPa，耐磨度2.7，总电通量900C。

实施例2

高性能路用橡胶混凝土，由如下原料组成：水泥500份，粉煤灰38份，河砂640份，橡胶集料70份，改性橡胶粉75份，钢渣粗骨料1180份，减水剂15份，氟硅酸钙4份，三乙醇胺2份，磷酸二氢铝0.5份，十八烷基二甲基苄基氯化铵0.3份，聚丙烯酸钠0.1份，水胶比为0.29。

经检测，橡胶混凝土初始流动性720mm，混凝土成型效果好，翻拌松软，橡胶集料无上浮，300次冻融循环质量损失率-0.7%，300次冻融循环相对动弹性模量81%，28d抗压强度73MPa，28d抗折强度8.7MPa，耐磨度2.7，总电通量860C。

实施例3

高性能路用橡胶混凝土，由如下原料组成：水泥450份，粉煤灰40份，河砂700份，橡胶集料68份，改性橡胶粉60份，钢渣粗集料1170份，减水剂13份，氟硅酸镁2份，三乙醇胺1份，磷酸二氢铝0.5份，十八烷基二甲基苄基氯化铵0.3份，聚丙烯酸钠0.1份，水胶比为0.30。

经检测，橡胶混凝土初始流动性700mm，混凝土成型效果好，翻拌松软，橡胶集料无上浮，300次冻融循环质量损失率-0.8%，300次冻融循环相对动弹性模量83%，28d抗压强度69MPa，28d抗折强度8.1MPa，耐磨度2.5，总电通量890C。

对比例1

高性能路用橡胶混凝土，由如下原料组成：水泥500份，矿粉38份，河砂640份，橡胶集料70份，改性橡胶粉75份，钢渣粗骨料1180份，减水剂15份，氟硅酸钙4份，三乙醇胺2份，磷酸二氢铝0.5份，十八烷基二甲基苄基氯化铵0.3份，水胶比为0.29。

经检测，橡胶混凝土初始流动性650mm，混凝土成型时橡胶集料轻微上浮，300次冻融循环质量损失率-3.5%，300次冻融循环相对动弹性模量64%，28d抗压强度63MPa，28d抗折强度6.1MPa，耐磨度2.0，总电通量1780C。

对比例2

高性能路用橡胶混凝土，由如下原料组成：水泥500份，粉煤灰38份，河砂710份，改性橡胶粉75份，钢渣粗骨料1180份，减水剂15份，氟硅酸钙4份，三乙醇胺2份，磷酸二氢铝0.5份，十八烷基二甲基苄基氯化铵0.3份，聚丙烯酸钠0.1份，水胶比为0.29。

经检测，橡胶混凝土初始流动性660mm，300次冻融循环质量损失率-4.7%，300次冻融循环相对动弹性模量71%，28d抗压强度62MPa，28d抗折强度6.3MPa，耐磨度2.0，总电通量1810C。

对比例3

高性能路用橡胶混凝土，由如下原料组成：水泥550份，粉煤灰63份，河砂640份，橡胶集料70份，钢渣粗骨料1180份，减水剂15份，氟硅酸钙4份，三乙醇胺2份，聚丙烯酸钠0.9份，水胶比为0.29。

经检测，橡胶混凝土初始流动性600mm，混凝土成型时橡胶集料大量上浮，试件成型效果差，300次冻融循环质量损失率-6.2%，300次冻融循环相对动弹性模量60%，28d抗压强度41MPa，28d抗折强度3.2MPa，总电通量2460C。

对比例4

高性能路用橡胶混凝土，由如下原料组成：水泥500份，粉煤灰38份，河砂640份，橡胶集料70份，改性橡胶粉75份，钢渣粗骨料1180份，减水剂15份，氟硅酸钙6份，水胶比为0.29。

经检测，橡胶混凝土初始流动性690mm，混凝土成型时橡胶集料出现上浮，300次冻融循环质量损失率-4.8%，300次冻融循环相对动弹性模量66%，28d抗压强度63MPa，28d抗折强度6.4MPa，耐磨度1.9，总电通量2000C。

对比例5

高性能路用橡胶混凝土，由如下原料组成：水泥500份，粉煤灰38份，河砂640份，橡胶集料70份，改性橡胶粉75份，钢渣粗骨料1180份，减水剂15份，三乙醇胺6份，水胶比为0.29。

经检测，橡胶混凝土初始流动性680mm，混凝土成型时橡胶集料出现上浮，300次冻融循环质量损失率-5.0%，300次冻融循环相对动弹性模量65%，28d抗压强度58MPa，28d抗折强度6.1MPa，耐磨度1.8，总电通量2150C。

对比例6

高性能路用橡胶混凝土，由如下原料组成：水泥500份，粉煤灰38份，河砂640份，橡胶集料70份，橡胶粉75份，钢渣粗骨料1180份，减水剂15份，水胶比为0.29。

经检测，橡胶混凝土初始流动性690mm，混凝土成型时橡胶集料大量上浮，试件成型效果差，150次冻融循环混凝土试件发生破坏，28d抗压强度52MPa，28d抗折强度3.6MPa。

对比例7

高性能路用橡胶混凝土，由如下原料组成：水泥500份，粉煤灰38份，河砂640份，橡胶集料70份，橡胶粉75份，钢渣粗骨料1180份，减水剂15份，氟硅酸钙4份，三乙醇胺2份，水胶比为0.29。

经检测，橡胶混凝土初始流动性710mm，混凝土成型时橡胶集料出现上浮，300次冻融循环质量损失率-5.1%，300次冻融循环相对动弹性模量69%，28d抗压强度67MPa，28d抗折强度6.3MPa，耐磨度2.1，总电通量1930C。

本发明向混凝土中掺入橡胶集料，可明显提高混凝土的路用性能。主要原因有三方面：①由于其橡胶集料自身的特性，掺入混凝土后使该材料具有高抗变形性能，配合钢渣粗集料和重视可提高耐磨性能。②橡胶集料本身的弹性也能缓解冻融产生的收缩应力，同时掺入的粉煤灰增加了材料的粘聚性，有效提高了该材料的抗冻性能。③橡胶集料自身属于弹性材料，可提高混凝土的抗弯折性能，改善其韧性。

与现有配方相比较的优点：高性能路用橡胶混凝土提高了混凝土材料的韧性、抗变形性以及耐久性；采用较小粒径的橡胶集料和更小粒径的改性橡胶粉可以提高材料的抗弯折性能；在混凝土中掺入橡胶颗粒和改性橡胶粉的同时，掺入适量的粉煤灰同样增加了该材料的粘聚力，提高了抗冻性能与抗氯离子渗透性能；相对于普通橡胶混凝土材料，本发明高性能路用橡胶混凝土在提高其韧性与耐久性能的同时，也保证了其承载能力满足重载交通情况要求。

Claims (7)

1.一种高性能路用橡胶混凝土，其特征在于，由如下原料组成：水泥340-500份，粉煤灰34-40份，河砂600-730份，橡胶集料40-80份，改性橡胶粉40-80份，钢渣粗骨料900-1400份，减水剂6-15份，增强助剂3-6份，水胶比为0.28-0.32；

所述改性橡胶粉制备工艺为：将废旧轮胎破碎细磨至136-258μm得橡胶粉，将橡胶粉与水玻璃溶液混合均匀，再加入调粘共聚物溶液充分混合，干燥得改性橡胶粉，橡胶粉、水玻璃溶液与调粘共聚物重量比为：1:2-2.5：0.8；

所述调粘共聚物由异戊烯醇聚氧乙烯醚、甲基丙烯酸甲酯、N,N-二甲基丙烯酰胺、磷酸氢二(甲基丙烯酰氧乙基)酯按摩尔比1:3.6：0.06:0.02聚合而成；

所述增强助剂为氟硅酸盐、醇胺、磷酸二氢铝、十八烷基二甲基苄基氯化铵、聚丙烯酸钠混合物，氟硅酸盐、醇胺、磷酸二氢铝、十八烷基二甲基苄基氯化铵、聚丙烯酸钠质量比例为2:1：0.5:0.3:0.1。

2.根据权利要求1所述的高性能路用橡胶混凝土，其特征在于，所述河砂为中砂。

3.根据权利要求1所述的高性能路用橡胶混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率≥25%。

4.根据权利要求1所述的高性能路用橡胶混凝土，其特征在于，所述橡胶集料由废旧轮胎粉碎而成，粒径为2-4mm。

5.根据权利要求1所述的高性能路用橡胶混凝土，其特征在于，所述水泥为P.O42.5 普通硅酸盐水泥或P. O42.5 R普通硅酸盐水泥。

6.根据权利要求1所述的高性能路用橡胶混凝土，其特征在于，所述氟硅酸盐选自氟硅酸钙、氟硅酸镁的至少一种；所述醇胺为三乙醇胺、三异丙醇胺的至少一种。

7.根据权利要求1-6任一项所述的高性能路用橡胶混凝土制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）制备橡胶集料、改性橡胶粉；

2）按配比称取各原料；

3）将减水剂加入水中制备成为减水剂溶液；

4）将河砂、橡胶集料、钢渣粗集料依次加入搅拌机进行搅拌，再将改性橡胶粉、粉煤灰、水泥、增强助剂依次加入搅拌机进行搅拌，最后加入减水剂溶液，搅拌均匀。