题目：废橡胶颗粒联合改性用于制备水泥砂浆机理研究
作者：陈伟，孟皞，颜岩，袁波
单位：武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室；武汉理工大学材料科学与工程学院湖北工业大学土木建筑与环境学院
关键词：废弃橡胶颗粒；水泥砂浆；表面改性；TEOS；界面
基金来源：国家自然科学基金（）
出处：硅酸盐通报,,39(6):-+.
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背
景
介
绍
中国是世界最大的废橡胶产生国，产量常年居世界首位。除了磨成胶粉并作为填料再利用之外，还有相当一部分的废旧橡胶制品被当成垃圾焚烧或填埋，既污染环境，占用土地，又浪费资源。加快推进废旧轮胎的综合利用，治理环境污染，提升废橡胶材料的综合利用水平十分紧迫。
上世纪90年代初，国外的研究者开始把目光投向废旧轮胎改性水泥混凝土上。将橡胶粉掺入水泥砂浆中制成橡胶集料砂浆，不仅能够提高砂浆的韧性、耐磨性能、抗裂性能及工作性能，还可以综合利用废旧轮胎，改善其引起的环境问题。然而在混凝土中掺入橡胶颗粒会降低混凝土的强度和刚性，严重限制了橡胶混凝土的应用及推广。通过橡胶颗粒表面改性来提高两种材料的结合力，从而提高橡胶颗粒混凝土的强度，成为近年来国内外科学家的研究热点。
文
章
导
读
作者使用氢氧化钠（10wt%NaOH）溶液预处理，再通过正硅酸乙酯（5wt%、10wt%、15wt%TEOS）试剂对废橡胶颗粒进行联合表面改性，将改性前后的橡胶替代标准砂制备水泥砂浆，对比了改性前后橡胶颗粒掺量对水泥砂浆工作性能、力学性能的影响，采用XRD、FT-IR、SEM等微观表征技术，对比处理前后橡胶颗粒表面化学结构变化，分析橡胶水泥砂浆界面结合情况，进一步揭示改性橡胶颗粒与水泥浆体的界面结合机理，以期为有效利用废旧橡胶提供参考。
01
联合改性橡胶表面机理分析
傅里叶红外光谱分析发现，经氢氧化钠、正硅酸乙酯联合改性后，橡胶表面出现一些新的特征峰，包括在cm-1附近出现羟基特征峰，在cm-1、cm-1、cm-1出现亚甲基、甲基、碳氧单键特征峰，在cm-1出现Si-O-Si的伸缩振动峰，在cm-1、cm-1附近出现了Si-O的伸缩振动峰，等等。
表面元素分析发现，经过NaOH改性后，橡胶表面出现Na元素，且Zn元素消失，即预处理橡胶可以去除由于制造过程而存在于轮胎橡胶表面的硬脂酸锌层。经过5wt%TEOS改性后，Si元素含量上升，结合红外光谱分析结果表明，橡胶表面引入了Si-O、Si-O-Si、C-O等有机官能团。
02
流动度和抗压强度测试
相对未掺橡胶的水泥砂浆，掺入橡胶使其流动度减小。然而，NaOH改性和5wt%TEOS改性的橡胶砂浆与原始橡胶砂浆流动度差异不大，10wt%与15wt%TEOS改性的橡胶砂浆流动度下降较少，且10wt%TEOS改性后橡胶砂浆流动度改善效果最好。分析认为，TEOS改性后表面引入了有机官能团，使橡胶吸水性下降，从而改善了橡胶砂浆的流动度。
实验发现，经表面改性可以有效提高橡胶水泥砂浆的抗压强度。10wt%NaOH改性后，10wt%与15wt％橡胶掺量的水泥砂浆7d抗压强度较改性前分别提升了24.62%与27.12%；再经过5wt%TEOS改性后，掺量10wt%与15wt％的橡胶水泥砂浆7d抗压强度较原始砂浆分别提升了47.29%与52.51%，可见通过对橡胶改性，大大提高了砂浆的抗压强度。
03
微观形貌分析
SEM观察10wt%NaOH改性橡胶砂浆试块，发现橡胶与浆体之间的缝隙大大减小；进一步经TEOS改性后，橡胶与水泥浆体界面结合更加紧密，且5wt%TEOS改性界面结合最为紧密。5wt%TEOS既可以提供表面反应硅，增加界面结合度，又可以抑制其成膜形成弱界面的弊端，改性效果最佳。
04
联合改性橡胶砂浆机理分析
正硅酸乙酯在橡胶表面进行缩合反应，在橡胶表面引入了Si-O、Si-O-Si、C-O等有机官能团，加入到水泥基体中，与水进行水解反应，形成Si-OH，表面形成OH基团进一步通过氢键结合或通过脱水缩合化学结合水泥浆体，增强两者之间的粘结强度，提高橡胶砂浆的力学性能。
随着橡胶掺量的增加，砂浆抗压强度大幅度下降。氢氧化钠和正硅酸乙酯表面改性橡胶可以抑制橡胶掺入对砂浆抗压强度的不利影响，实验条件下5wt%正硅酸乙酯改性橡胶的方法最佳，抑制了橡胶掺入对砂浆抗压强度的不利影响，且该条件下橡胶与水泥浆体界面结合更加紧密，可以改善混凝土强度，对实际应用具有一定的指导意义。
图
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图1橡胶表面改性前后红外光谱（OR:原状橡胶；NR：氢氧化钠改性橡胶；5TR、10TR、15TR分别为5wt%、10wt%、15wt%正硅酸乙酯改性橡胶）
图2改性方法对橡胶砂浆抗压强度的影响（ORM:原状橡胶砂浆；NRM：氢氧化钠改性橡胶砂浆；5TRM、10TRM、15TRM分别为经过5wt%、10wt%、15wt%正硅酸乙酯改性的橡胶砂浆）
图3改性前后橡胶砂浆微观形貌(a)原始橡胶砂浆;(b)10wt%氢氧化钠改性橡胶砂浆；(c)、(d)、(e)分别为5wt%、10wt%、15wt%正硅酸乙酯改性的橡胶砂浆
图4橡胶表面改性示意图
图5TEOS改性橡胶砂浆反应原理
延伸阅读
《硅酸盐通报》近年刊登了多篇有关橡胶混凝土方面的论文，相关文章目录附后，欢迎感兴趣的读者长按识别下方