CN115159902B - 一种基于改性橡胶粉的橡胶混凝土及其制备方法 - Google Patents

一种基于改性橡胶粉的橡胶混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于改性橡胶粉的橡胶混凝土，按重量份计，其原料包括：水泥200～250份，砂350～500份，碎石1100～1300份，改性橡胶粉50～80份，增强剂3～5份，减水剂3～5份以及水90～135份；所述改性橡胶粉为：废旧橡胶粉经碱性水溶液处理后，采用高锰酸钾水溶液在酸性条件下进行氧化处理；然后采用十二烷基苯磺酸溶液进行磺化处理；继续采用桃树树脂对橡胶粉进行包覆处理，最后进行破碎处理得到；橡胶混凝土的制备方法为：将砂和改性橡胶粉先倒入搅拌机中，之后加入水泥，再加入碎石，搅拌；再加增强剂、减水剂及水到搅拌机中，搅拌，浇筑、捣实、养护得到基于改性橡胶粉的橡胶混凝土；该橡胶混凝土中引入改性橡胶粉，提高了橡胶混凝土的力学性能、抗渗性能和绝缘性。

Description

一种基于改性橡胶粉的橡胶混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及混凝土及其制备方法，特别涉及一种基于改性橡胶粉的橡胶混凝土及其制备方法。
背景技术
随着经济的发展，我国汽车工业的迅速崛起会造成大量的轮胎等橡胶废弃品堆积。在自然条件下，橡胶属于高分子弹性材料，不溶于水、难溶于有机溶剂，而且不易腐烂。废旧橡胶不易降解，堆放和填埋橡胶造成了大量的土地资源浪费。由于橡胶的堆放会造成地下水源污染、滋生蚊蝇、传播疾病甚至会造成火灾。因此废旧橡胶被当今世界认为是“黑色污染源”。目前常用的废旧橡胶回收再利用的方法主要有：轮胎翻新、再生胶、焚烧和磨制胶粒胶粉。
将废旧轮胎破碎成橡胶粉添加到混凝土作为其新的组成成分，制成橡胶混凝土，是一种非常有前景的处置方式。然而，添加橡胶将导致混凝土抗折强度和抗压强度显著下降。主要原因如下：橡胶材料是亲水性差的有机材料。水泥浆体为亲水性强的无机材料。两者的物理化学性质差异较大，相容性差，界面粘结力弱，导致混凝土强度显著降低，阻碍了橡胶混凝土的大规模应用。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的是提供一种提高力学性能、抗渗性能和绝缘性能的基于改性橡胶粉的橡胶混凝土；本发明的第二目的是提供所述的橡胶混凝土的制备方法。
技术方案：本发明所述的橡胶混凝土，按重量份计，其原料包括：水泥200-250份，砂350～500份，碎石1100～1300份，改性橡胶粉50～80份，增强剂3～5份，减水剂3～5份以及水90～135份；所述改性橡胶粉为：废旧橡胶粉经碱性水溶液处理后，采用高锰酸钾水溶液在酸性条件下进行氧化处理；然后采用十二烷基苯磺酸溶液进行磺化处理；继续采用桃树树脂对橡胶粉进行包覆处理，最后进行破碎处理得到。
优选的所述橡胶粉为150～250目。
采用碱液对废旧橡胶粉进行处理的作用是：和胶粉表面的憎水性杂质反应溶解，析出橡胶颗粒表面的芳羟油和硬脂酸盐，从而改善橡胶颗粒与水泥基质材料的粘接性。
采用高锰酸钾对橡胶粉进行氧化处理，使其表面产生含氧基团，增加橡胶粉的亲水性。优选的，所述氧化处理中，高锰酸钾水溶液的浓度为4～6wt％，酸性条件为溶液pH值为2～3，处理温度为60℃，时间为1～3小时。
采用十二烷基苯磺酸溶液对橡胶粉进行磺化处理，引入强极性的磺酸基，从而提高橡胶粉的亲水性。优选的，所述磺化处理中，十二烷基苯磺酸溶液的浓度为3～5wt％，处理温度为70～90℃，时间为7～9小时。
采用桃树树脂对橡胶粉进行包覆处理，形成以有机废旧橡胶粉为核，有机桃树树脂为壳的复合结构，该复合结构兼顾两种材料的优点，橡胶粉作为弹性体可提高混凝土抗开裂能力；树脂可提高橡胶粉的粘接强度。采用桃树树脂包覆处理后的橡胶粉用于制备橡胶混凝土相容性好，界面粘接强度大，并且能显著提高混凝土的抗渗性能和绝缘性。优选的，所述橡胶粉和桃树树脂的质量比为1:2～3，桃树树脂用量要足够够包裹住橡胶粉，但裹覆层不宜过厚，用量过多过少，改性效果都较差。优选的，所述包覆处理的工艺为在90～110℃下搅拌1～4小时。桃树树脂溶解后呈液体状，与橡胶粉混合。
优选的，所述增强剂为羧甲基纤维素和聚乙烯醇按照1:0.4～0.6的重量比混合得到。
优选的，所述破碎处理为采用行星式球磨机机械破碎，转速2000～3000转/分钟，研磨时间1～3分钟。
优选的，所述减水剂为聚羧酸减水剂。
本发明所述的混凝土的制备方法，包括以下步骤：将砂和改性橡胶粉先倒入搅拌机中，之后加入水泥，再加入碎石，搅拌；再加增强剂、减水剂及水到搅拌机中，搅拌，浇筑、捣实、养护得到基于改性橡胶粉的橡胶混凝土。
发明机理：本发明通过采用高锰酸钾水溶液对橡胶粉在酸性条件下进行氧化处理，然后采用十二烷基苯磺酸溶液进行磺化处理，分别引入含氧基团和磺酸基，从而提高橡胶粉的亲水性；最后采用桃树树脂对橡胶粉进行包覆处理，形成以有机废旧橡胶粉为核，有机桃树树脂为壳的复合结构。经过多级处理，改善了橡胶粉的力学性能，并且用于制备橡胶混凝土相容性好，界面粘接强度大，用于混凝土能保证混凝土的力学强度，并提高混凝土的抗渗性能和绝缘性。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：(1)该橡胶混凝土中引入改性橡胶粉，提高了橡胶混凝土的力学性能、抗渗性能和绝缘性；(2)改性橡胶粉力学性能更高、耐久性更好，用于制备橡胶混凝土相容性好，界面粘接强度大，用于混凝土能保证混凝土的力学强度，并提高混凝土的抗渗性能和绝缘性；(3)制备方法简单，易于工业化。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
本发明的基于改性橡胶粉的橡胶混凝土，按重量份计，其原料包括：水泥200份，砂425份，碎石1100份，改性橡胶粉60份，增强剂(羧甲基纤维素与聚乙烯醇质量比1:0.5)4份，聚羧酸减水剂4份以及水90份；
其中改性橡胶粉的制备包括以下步骤：
(1)将200目超细废旧橡胶粉用水浸泡，超声清洗处理15分钟，烘干；
(2)继续采用1mol/L的NaOH水溶液清洗浸泡7小时，然后用去离子水洗涤，烘干；
(3)将步骤(2)处理后的橡胶粉加入质量分数5％的高锰酸钾水溶液中，添加稀硫酸将溶液的pH值调节至2～3，并将溶液加热至50℃搅拌均匀，使氧化反应持续约3小时，其间不断补充高锰酸钾和稀硫酸，保持pH值约2～3，反应结束，过滤；
(4)将步骤(3)处理后的橡胶粉加入质量分数4％的十二烷基苯磺酸水溶液中，搅拌均匀后，放入磁力搅拌机中进行70℃恒温搅拌9小时，然后过滤，烘干；
(5)向步骤(4)处理后的橡胶粉橡胶粉1份(重量份)加入2份(重量份)桃树树脂，将桃树树脂少量多次分批加入到改性橡胶粉中，边加边搅拌后，加热至90℃搅拌4小时，冷却，橡胶粉表面沉积形成桃树树脂包覆层；
(6)采用行星式球磨机机械破碎，转速2500转/分钟，研磨时间2分钟。
混凝土的制备方法包括以下步骤：
将砂、石和水泥先倒入搅拌机中搅拌1min，之后加入改性橡胶粉，搅拌1min；再加增强剂、减水剂及水到搅拌机中，搅拌3min后，浇筑模型并在振动台上进行振实，振动过程中为避免橡胶颗粒上浮，浇筑试模时分两次浇筑，浇筑完成后，在初凝前1小时左右抹面，为避免水分蒸发，用薄膜覆盖试件表面，在温度为20℃条件下静置24小时后，拆模移至养护室在标准条件下养护28d得到基于改性橡胶粉的橡胶混凝土。
实施例2
本发明的基于改性橡胶粉的橡胶混凝土，按重量份计，其原料包括：水泥230份，砂350份，碎石1200份，改性橡胶粉50份，增强剂(羧甲基纤维素与聚乙烯醇质量比1:0.6)3份，聚羧酸减水剂3份，以及水90份；
其中改性橡胶粉的制备包括以下步骤：
(1)将250目超细废旧橡胶粉用水浸泡，超声清洗处理15分钟，烘干；
(2)继续采用1mol/L的NaOH水溶液清洗浸泡6小时，然后用去离子水洗涤，烘干；
(3)将步骤(2)处理后的橡胶粉加入质量分数6％的高锰酸钾水溶液中，添加稀硫酸将溶液的pH值调节至2～3，并将溶液加热至60℃搅拌均匀，使氧化反应持续约2小时，其间不断补充高锰酸钾和稀硫酸，保持pH值约2～3，反应结束，过滤；
(4)将步骤(3)处理后的橡胶粉加入质量分数4％的十二烷基苯磺酸水溶液中，搅拌均匀后，放入磁力搅拌机中进行90℃恒温搅拌7小时，然后过滤，烘干；
(5)向步骤(4)处理后的橡胶粉橡胶粉1份(重量份)加入2.5份(重量份)桃树树脂，将桃树树脂少量多次分批加入到改性橡胶粉中，边加边搅拌后，加热至110℃搅拌1小时，冷却，橡胶粉表面沉积形成桃树树脂包覆层；
(6)采用行星式球磨机机械破碎，转速3000转/分钟，研磨时间1分钟。
橡胶混凝土的制备方法同实施例1。
实施例3
本发明的基于改性橡胶粉的橡胶混凝土，按重量份计，其原料包括：水泥250份，砂500份，碎石1300份，改性橡胶粉80份，增强剂(羧甲基纤维素与聚乙烯醇质量比1:0.4)5份，减水剂5份，以及水135份；
其中改性橡胶粉的制备包括以下步骤：
(1)将150目超细废旧橡胶粉用水浸泡，超声清洗处理15分钟，烘干；
(2)继续采用1mol/L的NaOH水溶液清洗浸泡8小时，然后用去离子水洗涤，烘干；
(3)将步骤(2)处理后的橡胶粉加入质量分数4％的高锰酸钾水溶液中，添加稀硫酸将溶液的pH值调节至2～3，并将溶液加热至70℃搅拌均匀，使氧化反应持续约1小时，其间不断补充高锰酸钾和稀硫酸，保持pH值约2～3，反应结束，过滤；
(4)将步骤(3)处理后的橡胶粉加入质量分数4％的十二烷基苯磺酸水溶液中，搅拌均匀后，放入磁力搅拌机中进行80℃恒温搅拌8h，然后过滤，烘干；
(5)向步骤(4)处理后的橡胶粉橡胶粉1份(重量份)加入3份(重量份)桃树树脂，将桃树树脂少量多次分批加入到改性橡胶粉中，边加边搅拌后加热至100℃搅拌2小时，冷却，橡胶粉表面沉积形成桃树树脂包覆层；
(6)采用行星式球磨机机械破碎，2000转/分钟，研磨时间3分钟。
橡胶混凝土的制备方法同实施例1。
对比例1
在实施例2的基础上，废旧橡胶粉仅采用水和氢氧化钠水溶液处理，不进行其他处理步骤，其余条件不变。
性能测试
对实施例1～3和对比例1的橡胶混凝土的抗压强度、电阻率和电通量进行测试，测试方法如下：
抗压强度测试方法：依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)测试试件强度。采用式(1)计算试件的抗压强度，以3个试件的抗压强度平均值作为最终的抗压强度，计算结果保留小数点后一位。
Figure BDA0003694674920000051
式中，P为抗压强度，MPa；F为极限荷载，N；A为上压板面积，m2。
电阻率测试方法：二电极法。待通电至规定时间后，从试验装置中取出圆柱体试件，去除侧面的环氧树脂涂层。将导电胶分别贴于试件的阴极端与阳极端表面，并外接导线用于电阻率测试。将外接好测试电极的试件浸入水中24h后，采用数字万用电表(fluke8845a)测试饱水后试件的电阻。待试件的电阻值趋于平稳后，记录该数值。采用式(2)计算试件的电阻率，以3个试件的电阻率平均值作为最终的电阻率，计算结果保留小数点后两位。
Figure BDA0003694674920000052
式中，ρ为电阻率，kΩ·cm；R为试件的电阻，kΩ；S为试件的横截面积，cm2；l为两测试电极的间距，cm。
电通量测试方法：试验所用仪器为NJ-AR型多功能混凝土耐久性综合实验设备。每组3个试件，标准养护28d后，在其侧面涂上一层环氧树脂，待环氧树脂凝固后放入真空保水机中保水，然后依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082进行试验，在试件两端施加直流电压，电压为60V，在电场作用下，试件负极一侧的氯离子向正极移动。系统每0.5h测一次通过试件的电流。试验结束后，根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082按式(3)计算总电通量：
Qs＝812.25(I0+2I30+…+2It+…+2I330+I360)   (3)
式中：Qs为实际为通过试件的总电通量值，C；I0为初始电流，A；It为时间t的电流，A。
通过计算得出连续6h流过试件的总电通量值，来评价混凝土的渗透性。
测试结果见表1。
表1橡胶混凝土性能测试结果
样品号 28天抗压强度/MPa 电阻率/kΩ·cm 通电量/C
实施例1 57.7 85.68 325
实施例2 61.1 89.7 266
实施例3 55.6 82.05 280
对比例1 49.8 69.84 420
采用抗压强度反映养护28d后橡胶混凝土的力学性能变化。从表1可以看出，相比较对比例1，实施例1～3的抗压强度明显提高，说明橡胶粉表面改性有效改善了橡胶混凝土的强度。其中实施例2改善效果最为明显，是因为其橡胶粉表面改性程度更高，提高了橡胶粉与矿物材料间的黏结强度，受力时能很好的与界面周围的水泥协同变形，导致强度提高并且改性后的橡胶粉颗粒亲水性提高，掺入水泥之中提高了水泥间的黏结性，进而提高强度。
采用电阻率反映通电28d后橡胶混凝土的孔隙率变化。从表1可以看出，相比较对比例1，实施例1～3的电阻率明显增大，说明橡胶粉表面改性有效改善了橡胶粉混凝土内部孔隙结构。其中实施例2改善效果最明显，是因为其橡胶粉表面改性程度更好，亲水性提高，可使橡胶粉在混凝土内部分布更为均匀，并发挥微集料效应，成为微细的集料，与凝胶集合，从而使混凝土拌合物中毛细孔隙细化，进而有效增强橡胶混凝土的电阻率。
抗渗性是影响混凝土耐久性的重要因素之一，而氯离子渗透性反映了混凝土的密室程度和抵抗外部腐蚀介质向混凝土内部侵蚀的能力。因此采用电通量反映橡胶混凝土的渗透性。从表1可以看出，实施例1～3的电通量比对比例要低，说明改性橡胶粉可以提高混凝土抗氯离子渗透能力。而实施例2提升效果最为显著，是因为其橡胶粉改性程度更好，细度更细，提高了混凝土拌合物的粘结强度，并且橡胶粉表面改性，亲水性提高，加速了水泥水化的速度，改善了水化产物的分布，在一定程度上阻挡了氯离子渗透通道，进而提高了水泥砂浆抗氯离子渗透能力。

Claims (6)

1.一种基于改性橡胶粉的橡胶混凝土，其特征在于，按重量份计，其原料包括：水泥200~250份，砂350~500份，碎石1100~1300份，改性橡胶粉50~80份，增强剂3~5份，减水剂3~5份以及水90~135份；所述改性橡胶粉为：废旧橡胶粉经碱性水溶液处理后，采用高锰酸钾水溶液在酸性条件下进行氧化处理；然后采用十二烷基苯磺酸溶液进行磺化处理；继续采用桃树树脂对橡胶粉进行包覆处理，最后进行破碎处理得到；所述氧化处理中，高锰酸钾水溶液的浓度为4~6wt%，酸性条件为溶液pH值为2~3，处理温度为50~70℃，时间为1~3小时；所述磺化处理中，十二烷基苯磺酸溶液的浓度为3~5wt%，处理温度为70~90℃，时间为7~9小时；所述橡胶粉和桃树树脂的质量比为1:2~3，包覆处理的工艺为在90~110℃下搅拌1~4小时。
2.根据权利要求1所述的橡胶混凝土，其特征在于，所述废旧橡胶粉为150~250目。
3.根据权利要求1所述的橡胶混凝土，其特征在于，所述增强剂为羧甲基纤维素和聚乙烯醇按照1:0.4~0.6的重量比混合得到。
4.根据权利要求1所述的橡胶混凝土，其特征在于，所述破碎处理为采用行星式球磨机机械破碎，转速2000~3000转/分钟，研磨时间1~3分钟。
5.根据权利要求1所述的橡胶混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂。
6.一种权利要求1所述的橡胶混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将砂和改性橡胶粉先倒入搅拌机中，之后加入水泥，再加入碎石，搅拌；再加增强剂、减水剂及水到搅拌机中，搅拌，浇筑、捣实、养护得到基于改性橡胶粉的橡胶混凝土。
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