（材料学专业论文）橡胶集料聚合物改性混凝土道路罩面材料的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 日益增长的废旧橡胶污染环境且危害安全。本文研制两类橡胶集料聚合物 改性混凝土道路罩面材料，对两种罩面材料的成型和养护方式进行初步探讨， 对其配合比就行了优化设计，并对其物理力学性能、应力应变性能、耐磨性能 及抗冲击性能进行了初步的研究。 研究发现：采用振动台振动3 0 s 成型后，用薄膜覆盖保湿养护7 天，再自 然养护是有利于橡胶集料聚合物改性混凝土道路罩面材料强度发展的制备方 式。通过优选，s t y r o f a nd 6 2 3 丁苯乳液更加适合用于该混凝土罩面材料的改性。 橡胶集料聚合物改性多孔型混凝土的最优配比为：1 蝶料：2 蝶料- 9 ：1 ； 聚合物乳液掺1 6 ；1 挣橡胶集料取代率为1 8 ，勰橡胶集料取代率为1 4 。结 果表明：当聚合物乳液和橡胶集料掺入后，橡胶集料聚合物改性多孔混凝土的 抗压强度和抗折强度有所提高，弹性模量降低，极限应力和极限应变增大，混 凝土对能量的吸收能力增强，使得橡胶集料聚合物改性多孔混凝土的韧性得到 极大提高，耐磨性能和抗冲击性能也有明显改善。 橡胶集料聚合物改性密实型混凝土的最优配比为：l 碟料：错集料：3 蝶 料- - 4 ：1 ：2 ；聚合物乳液掺量2 0 ；1 蝶料取代率2 0 ：豁集料取代率1 5 。 聚合物乳液和橡胶集料的掺入，混凝土的力学性能同样有明显改善，其极限应 力和极限应变都有增大，橡胶集料聚合物改性多密实混凝土的韧性得到极大提 高，耐磨性能和抗冲击性能也有明显改善。 在对橡胶集料聚合物改性混凝土的s e m 观测中发现，乳液的掺入并不会 影响混凝土中水泥水化的程度，聚合物乳液在混凝土内部失水形成连续的膜结 构附于水泥水化产物、混凝土集料及橡胶集料的表面。另外，在水泥橡胶集料 聚合物乳液的特殊体系里，聚合物乳液有效地改善了橡胶集料与水泥浆体、橡 胶集料与混凝土集料之间的粘结强度，进而使混凝土的强度得到明显提高，混 凝土的韧性得到显著改善。 关键词：橡胶集料；聚合物乳液；罩面材料；强度；应力应变性能；耐磨性能； 抗冲击性能 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei n c r e a s i n gq u a n t i t yo fs c r a pr u b b e rr e s u l t si ne n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，a n d p u b l i cs e c u r i t y t w ok i n d so fp o l y m e rm o d i f i e dr u b b e ra g g r e g a t ec o n c r e t ep a v e m e n t w e a r i n gl a y e rm a t e r i a l sw e r ed e v e l o p e di nt h i sp a p e r ，t h e i rf a b r i c a t i o na n dc u r i n g s t y l e sw e r eo p t i m i z e dp r e l i m i n a r i l y , t h e i rm i xp r o p o r t i o n sw e r eo p t i m i z i n gd e s i g n e d ， t h e i rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，s t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s h i p ，a b r a s i o nr e s i s t a n c e ，a n di m p a c t p e r f o r m a n c e o ft h i sm a t e r i a lw e r es t u d i e d i ti sf o u n dt h a tt h es u i t a b l e p r e p a r i n gs t y l eb e a t i f y i n g t ot h es t r e n g t h d e v e l o p m e n to fr u b b e ra g g r e g a t ea n dp o l y m e rm o d i f i e dc o n c r e t ei s v i b r a t e do n v i b r a t i n gt a b l ef o r3 0s e c o n d s ，t h e nk e e p i n gw e tw i t hp l a s t i cf i l mf o r7d a y s ，a n d t h e nk e e p i n gi nn a t u r ec o n d i t i o n i na d d i t i o n ，s t y r o f a nd 6 2 3s t y r e n e - b u t a d i e n e e m u l s i o ni sas u i t a b l ep o l y m e rm o d i f y i n ga g e n tf o rt h ec o n c r e t e t h eo p t i m u mm i xp r o p o r t i o no fr u b b e ra g g r e g a t ea n dp o l y m e rm o d i f i e dp o r o u s c o n c r e t ei s ：1 撑a g g r e g a t e ：2 舞a g g r e g a t e = 9 ：1 ；p o l y m e re m u l s i o nb y1 6 ； r e p l a c e m e n t r a t i oo f1 秽r u b b e ra g g r e g a t eb y1 8 ，2 孝r u b b e ra g g r e g a t eb y1 4 t h e r e s u l t si n d i c a t et h a t ：w i t ht h ei n c r e a s e so fr u b b e ra g g r e g a t ea n dp o l y m e re m u l s i o n ， t h ep o l y m e rm o d i f i e dr u b b e ra g g r e g a t ep o r o u sc o n c r e t e g a i n sh i g h e rf l e x u r a l s t r e n g t ha n dc o m p r e s s i v es t r e n g t h t h ee n e r g ya b s o r p t i o nc a p a c i t yo fp o l y m e r m o d i f i e dp o r o u sc o n c r e t ei se n h a n c e d ，a n dt h et o u g h n e s s ，a b r a s i o nr e s i s t a n c e ， i m p a c t i n gr e s i s t a n c e o ft h ep o l y m e rm o d i f i e dp o r o u sc o n c r e t ea r ei m p r o v e d r e m a r k a b l ya l s o t h eo p t i m u mm i xp r o p o r t i o no fr u b b e ra g g r e g a t ea n dp o l y m e rm o d i f i e d c o m p a c t i n gc o n c r e t ei s ：1 芳a g g r e g a t e ：搿a g g r e g a t e ：错a g g r e g a t e = 4 ：1 ：2 ，a d d i n g p o l y m e re m u l s i o nb y2 0 ；r e p l a c e m e n tr a t i oo f1 襻r u b b e ra g g r e g a t eb y2 0 ，错 r u b b e ra g g r e g a t eb y1 5 w i t ht h ei n c r e a s e so fr u b b e ra g g r e g a t ea n dp o l y m e r e m u l s i o n ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h er u b b e ra g g r e g a t ea n dp o l y m e rm o d i f i e d c o m p a c t i n gc o n c r e t ea r ei m p r o v e dr e m a r k a b l y b o t hl i m i ts t r e s sa n dl i m i ts t r a i n i n c r e a s e ，t h et o u g h n e s s ，a b r a s i o nr e s i s t a n c e ，i m p a c t i n gr e s i s t a n c e o f p o l y m e r m o d i f i e dp o r o u sc o n c r e t ea r ei m p r o v e dr e m a r k a b l ya l s o n 武汉理工大学硕士学位论文 t h es e mo b s e r v a t i o no fr u b b e ra g g r e g a t ea n dp o l y m e rm o d i f i e dc o n c r e t e i n d i c a t et h a t ：c e m e n th y d r a t i o nd e g r e ec a nn o tb ea f f e c t e db yt h ep r e s e n c eo f p o l y m e re m u l s i o n ；c o n t i n u o u sm e m b r a n es t r u c t u r e i sf o r m e db yd e h y d r a t i o n p o l y m e re m u l s i o ni nc o n c r e t ei n t e r i o r ，w h i c ha d h e r e st ot h es u r f a c eo fc e m e n t h y d r a t i o np r o d u c t s ，c o n c r e t ea g g r e g a t ea n dr u b b e ra g g r e g a t e i na d d i t i o n ，i nt h e s p e c i a ls y s t e mo fc e m e n t - r u b b e ra g g r e g a t e p o l y m e re m u l s i o n ，t h eb o n d i n gs t r e n g t h b e t w e e nr u b b e r a g g r e g a t e a n dc e m e n tp a s t e ，r u b b e r a g g r e g a t e a n dc o n c r e t e a g g r e g a t eh a v eb e e ni m p r o v e de f f e c t i v e l y ，s ot h es t r e n g t ha n dt o u g h n e s so ft h e c o n c r e t eh a v eb e e ni m p r o v e dr e m a r k a b l y k e yw o r d s ：r u b b e ra g g r e g a t e s ；p o l y m e re m u l s i o n ；p a v e m e n tw e a r i n gl a y e r m a t e r i a l s ； s t r e n g t h ； s t r e s s s t r a i n p r o p e r t i e s ；a b r a s i o nr e s i s t a n c e ；i m p a c t p e r f o r m a n c e 1 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签名： ；垦i 盐 日期：兰! ：坠望 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) 溉嗡 导师( 签名) 黝虱日期沙 乡 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论弟一早珀了匕 随着国民经济的迅猛发展，我国在近几十年开展了大规模的交通基础设施 建设，给广大人民群众的日常生活和生产带来了极大的方便，产生了巨大的经 济和社会效益。1 9 8 8 年全国高速公路车程仅为1 4 7 公里，截至2 0 0 2 年底，我 国高速公里通车里程已达到2 5 2 万公里，2 0 0 7 年达到了5 3 万公里，居世界第 二位【1 1 0 但伴随着高速公路的发展，必然带来发展中存在的普遍问题。由于重 载车辆的飞速发展，而与之相关联的路面受力机理的研究、路面结构的设计以 及路面结构材料开发却相对落后，所以大多数高速公路通车3 5 年后，就发 生许多路面病害，通车6 7 年后，均面临着对高速公路进行加铺罩面的问题， 高速公路的罩面工程逐步成为目前乃至今后高速公路养护管理的一项重要工 程。 同时，我国今年来汽车保有量剧增，废旧橡胶轮胎正在不断增多。美国每 年生产2 7 亿条橡胶轮胎，迄今为止，已有3 亿多个废旧轮胎未作任何处理1 2 j ； 在中国，废旧轮胎的掺量也在不断的增加，据不完全统计，2 0 0 5 年我国废旧轮 胎的产量已经接近1 2 亿条，并以每年1 2 的速度增加，其中约2 0 左右的废 轮胎没有得到回收利用【3 l 废旧轮胎已经造成了严峻的环境问题，提出一些既 经济又环保、并能大量消纳废旧轮胎的方法也已非常紧迫。 常见的路面破坏形式是水泥混凝土路面表层起砂、麻面、露石、脱皮等表 层破坏。水泥混凝土路面的表层破坏，不但降低了路面的抗滑性能，也是进一 步破坏的引发源，直接影响路面的使用寿命。目前，我国公路路面、桥面铺装 罩面方式主要有三种：聚合物乳液水泥砂浆和混凝土、钢纤维水泥砂浆和混凝 土、沥青混凝土【4 1 。聚合物乳液水泥砂浆和混凝土作为水泥混凝土路面罩面修 补材料已有十年【5 1 ，随着界面处理剂的发展，罩面修补材料与下层旧混凝土的 粘结问题也得到了很好的解决，其耐久性也得到了5 年以上时间的考验。但是 聚合物乳液水泥砂浆和混凝土罩面材料的排水性能不好，而且聚合物乳液成本 较高，其推广应用受到一定的限制【引。钢纤维水泥砂浆和混凝土罩面材料有很 好的强度性能和断裂韧性，而且其应用已经取得了一些成功的经验。但是这种 武汉理工大学硕士学位论文 钢纤维水泥砂浆和混凝土罩面层的厚度受到较大的限制，其厚度2 0 r a m 以下的 罩面很难完成，且存在盐侵蚀的地区也不宜采用这种罩面材料【7 】。沥青混凝土 罩面是早期应用最早的罩面方式，但其强度低、塑性大、稳定性差和耐久性问 题一直没能很好的解决，目前，应用范围正在逐渐缩小1 8 j 。 随着我国经济的发展，人们对公路行车质量的提高，以及公路交通量和重 型运输车辆比重的增加，公路路面、桥面对罩面材料的强度和路用性能提出更 高的要求【9 , 1 0 ：( 1 ) 要求较薄的罩面材料具有较高的力学性能、抗冲击性能和耐 疲劳性能；( 2 ) 要求罩面层与下层具有较高的粘结强度；( 3 ) 要求罩面材料具 有很好的路用性能特别是行车安全性和舒适性。 聚合物橡胶集料改性水泥混凝土路面罩面材料是一种新型的公路路面、桥 面铺装罩面材料。它是以水泥和聚合物乳液为胶凝材料制成的一种薄层罩面材 料。聚合物乳液的加入，使水泥混凝土的许多性能如强度、变形性能、粘结性 能、耐久性能等都会有所改善，大大提高了公路的路用和车用性能；而聚合物 相“微纤维”的增韧机理和界面黏结层施工的发展保证了罩面层与下层间具有 较高的粘结强度f l 玎。同时，该罩面混凝土也为目前严重威胁环境的“黑色污染 橡胶轮胎的有效利用提供了一条新的途径。所以，聚合物改性水泥混凝土 路面罩面材料是一种能满足我国当前高行车质量和大交通量要求的多功能路面 罩面材料。 1 2 国内外研究应用现状 1 2 1 聚合物改性水泥混凝土的研究现状 聚合物改性水泥混凝土( p m c c ) 是指将水泥和骨料在混合的时候，与分散在 水中或者可以在水中分散的有机聚合物材料结合所生成的复合材料。加入了聚 合物材料以后，水泥混凝土的许多性能如强度、变形性能、粘结性能、防水性 能、耐久性能等都会有所改善，改善的程度与聚灰比、聚合物的品种有很大关 系。聚合物在水泥沙浆和混凝土的应用已经有了很久的历史。自从c r e s s o n y 于 1 9 2 3 年获得用聚合物改性水泥基材料方面的第一个专利后，1 9 2 4 年l e f e b u r e 第一个用配合比设计的方法来设计天然橡胶改性水泥混合料，至此p m c c 已经 走上了具有现代意义的道路。随后的八十多年来，不同的国家对p m c c 进行了 大量的研究和探索，取得很多重要的成果。然而，最重要的研究和发展是在2 0 2 武汉理工大学硕士学位论文 世纪5 0 年代、特别是在2 0 世纪7 0 年代以后。我国对p m c c 的研究主要始于 2 0 世纪7 0 年代，随后的研究工作基本上与国际上同步。 在发展新型建筑材料并力求使其达到较高耐久性方面，p m c c 有着很大的 优势。它不但能兼具普通水泥混凝土较高的强度和普通沥青混凝土良好的变形 性能的优点，而且也避免了普通水泥混凝土断裂韧性差、柔性不足和普通沥青 混凝土强度低、塑性大、稳定性差的缺点。同时由于聚合物直接和间接的改性 作用，通过优化的聚合物改性，可以使水泥混凝土达到较高的耐久性，如同低 于水灰比和良好后养护的普通同混凝土的耐久性。p m c c 以其较高的化学和力 学性能，除了在新型建筑物上使用外，还特别适用于房屋，工业建筑，道路， 地下和水工构筑物等易受损结构部位的防护和修复【1 2 】。而且随着以后工业技术 和经济水平的提高，p m c c 广泛应用的前景十分看好。 表1 - 1 乳液聚合物的典型配方 用于水泥混凝土改性的聚合物有四类，即水容性聚合物、聚合物乳液( 或 分散体) 、可再分散的聚合物粉料和液体聚合物。而常用的水泥混凝土改性用的 聚合物有聚丙烯酸脂( p a e ) 、苯丙共聚物( s a e ) 、丁苯共聚物( s b ) 、乙酸乙 武汉理工大学硕士学位论文 烯脂乙烯共聚物( 墟) 等，大多属于聚合物乳液类。聚合物乳液( 或分散体) 通常是将可聚合单体在水中进行乳液聚合而获得的，乳液中聚合物粒子很小， 直径0 0 5 5 9 m 。一般根据聚合物乳液中聚合物粒子所带电荷的类型将其分为三 类：阳离子型乳液、阴离子型乳液和非离子型乳液。混凝土改性用乳液聚合是 主要使用非离子型的乳化剂。通常，聚合物乳液的固含量为4 0 一5 0 ，其中包 括聚合物、乳化剂、稳定剂等等。专门用于水泥混凝土改性的商品聚合物乳液 常常加有适量的消泡剂。典型的聚合物乳液配方见表1 1 【6 】。 聚合物改性水泥混凝土( p m c c ) 最突出的特点是其胶结材有水泥和聚合物 两种成分组成，这使聚合物的性质发生一系列的变化，比如，抗折强度提高、 抗压强度降低、刚性降低、柔性增加、变形能力提高、耐磨性增加、粘结强度 提高、耐久性提高等。关于聚合物改性的作用机理，由于研究所用的聚合物品 种和掺量以及研究方法的不同，得出的结论也有所不同。但目前比较一致的看 法是，改善作用是通过聚合物在水泥浆和骨料间形成具有较高粘结力的膜，并 堵塞水泥混凝土内的孔隙来实现的。水泥水化与聚合物成膜同时进行，最后形 成水泥浆与聚合物膜相互交织在一起的互穿网络结构。具有可反应基团的聚合 物可能会与固体氢氧化钙表面或集料表面的硅酸盐发生化学反应，这种反应可 望改进水泥水化产物与骨料之间的粘结，从而改善水泥混凝土的性能。 针对聚合物对水泥混凝土的改性机理，学者们曾提出过很多模型，诸如， o h a m a 模型【1 3 1 、k o n n i e t z k o 模型【1 4 】、和p u t e r m a n 与m a l o m y 模型1 1 5 】，其中最 著名的是o h a m a 模型。o h a m a 认为聚合物改性混凝土的结构形成过程可分成三 个阶段【1 6 j ： 第一个阶段，当聚合物乳液在水泥混凝土搅拌过程中掺入混凝土后，乳液 中的聚合物颗粒均匀分散在水泥混凝土体系中。随着水泥颗粒的水化，体系中 的一部分水被水泥水化所结合，聚合物悬浮液中的水分被转移，聚合物颗粒在 水化产物和未水化颗粒表面、毛细孔中絮凝。 第二个阶段，随着水化进一步进行，毛细孔隙中的水量逐渐减少，絮凝的 聚合物逐渐搭接在一起，拌和物中较大的空隙被有粘结性的聚合物所填充。因 为拌和物中的毛细孔隙尺寸在0 2 一劾m 之间，而聚合物颗粒尺寸一般在 o 0 5 0 5 m 2 _ 间。所以认为聚合物颗粒主要填充在毛细孔隙中的理论是比较合 理的，为大多人所接受。 第三个阶段，随着水泥水化的进一步深化，聚合物几乎全部聚集在水泥浆 体的孔隙中，聚合物中的水分被水泥水化吸收后，聚合物颗粒相互靠近聚合成 4 武汉理工大学硕士学位论文 一个整体，在混凝土空间内形成连续的网状结构的聚合物膜。聚合物膜网络同 水泥水化产物网络相互交织在一起，形成一种互穿网络结构，并把混凝土骨料 包裹入其中，因而改善了水泥石的结构形态。 梁乃兴等人的研究发现【1 7 】，聚合物的掺入会延缓水泥水化的速率，但不会影 响水泥水化的最终程度。而且，他们用扫描电镜观察得知，当聚合物的掺量较 适宜时，聚合物会在水泥石中形成连续的三维空间网状结构，水泥石也穿越聚 合物网的孔隙形成连续的网状结构。两个网结构相互缠绕在一起，形成一个整 体结构，使水泥石的性能得以明显改善。 钟世云，王培铭掣1 8 】通过扫描电镜，在对经过1 盐酸腐蚀以后的聚合物改 性水泥混凝土的观察中也发现，在混凝土的界面过渡区内存在大量的聚合物， 形成了很好的网络结构。 熊建平等用扫描电镜发现【1 9 1 ，当聚灰比p c o 1 0 时，聚合物膜与水泥水化 产物相互交织缠绕，聚合物渗入混凝土内部的微裂隙和孔壁中，形成较为完善 的空间网架结构，聚合物乳液还可以浸润和渗透水化c s h ，使材料明显细化， 进一步提高混凝土内部网络结构的完整性。此外，在空间网架结构中，聚合物 浸润在整个过渡区界面上并包裹水泥水化颗粒，大大提高了骨料之间的粘结性 能，界面过渡区得到明显改善，使混凝土的力学性能和耐久性能大幅提高。 聚合物加入到水泥混凝土中后，水泥水化产物与聚合物膜形成互穿网络结 构，这样得到的复合材料的性能比传统水泥混凝土的性能要好很多。p m c c 的 性能主要取决于聚合物种类、聚灰比、水灰比、灰砂比、引气量和养护条件等 因素。 聚合物对新拌混凝土的工作性有较大影响。这是因为分散的聚合物颗粒同 粉煤灰一样具有“滚珠”效应，能提高新拌混凝土的流动性；聚合物本身及加入 到乳液中以减少聚合物悬浮颗粒聚沉的表面活性剂具有减水效果，可减少水泥 混凝土的用水量；同时，加入聚合物乳液中的表面活性剂及稳定剂在新拌p m c c 中引入许多气泡，适量气泡可以改善新拌混凝土的和易性和抗冻能力，但太多 的气泡会使硬化混凝土的强度降低。因此，通常在p m c c 中加入消泡剂，以控 制引入的气泡量。由于引气作用改善了颗粒堆积状态，提高了p m c c 中水泥颗 粒的分散效果，从而使泌水和离析现象减少。因此，聚合物的表面活性剂作用 及亲水性胶体特征使得混凝土的微观结构更加均匀；此外，由于聚合物乳液中 含有带羟基和羧基的成分，它们对水泥水化产物中的c 3 s 、c a 有缓凝作用i 删， 通常，p m c c 的凝结时间比普通的水泥混凝土要长，延长程度与聚合物类型和 5 武汉理工大学硕士学位论文 聚灰比有关，聚灰比增大，凝结时间有延长的趋势，表1 2 列出了钟世云等对 苯丙乳液$ 4 0 0 改性水泥的凝结时间随聚灰比的变化的研究【2 1 】。 表1 。2 聚灰比对凝结时间的影响 表1 3 丁苯胶乳( s d 6 2 3 ) 改性砂浆的抗拉强度 在p m c c 中，聚合物的掺加使硬化后其各种性能都比普通水泥混凝土好。 一般来说，p m c c 的抗拉和抗折强度比普通水泥混凝土有明显提高，而抗压强 度则没有明显改善，甚至有所降低。这主要是因为聚合物本身较高的抗拉强度 和水泥水化产物与骨料之间的粘结的改善。表1 3 列出了王培铭等对丁苯胶乳 ( s d 6 2 3 ) 改性砂浆的抗拉强度随聚灰比的变化的研究【2 2 】。钟世云等的研究表 明，随着聚灰比的提高，p m c c 的抗拉、抗折一般先提高，然后再下降，说明 存在一个最佳掺量范围1 2 1 j 。 p m c c 与其他材料的粘结强度高于普通水泥混凝土。这主要是由于亲水性 聚合物与水泥颗粒悬浮液的液相一起向被粘附材料空隙内渗透，在孔隙内充满 被聚合物增强的水泥水化产物，使得p m c c 与被粘附材料间具有较高的粘结强 度。 表1 4 丁苯乳胶p m c c 的吸水性( p c = 1 5 ) 与普通水泥混凝土相比，p m c c 的吸水性降低，耐水性得到很大改善，这 主要是因为聚合物填充或封闭了大的孔。而且随着龄期的延长，p m c c 的吸水 6 武汉理工大学硕士学位论文 性进一步降低，耐水性进一步提高。根据s h a k e r 等人的研究，表1 4 列出了丁 苯乳胶p m c c 不同龄期的吸水性( p c = 1 5 ) 【冽。同时，p m c c 吸水率的大大 降低，孔隙率的降低，以及一定的引气作用，大大改善了其抗冻性能。 p m c c 的耐久性要比普通混凝土好。这是由于聚合物网络与水泥水化产物 间的互穿网络的存在，以及使用聚合物时较低的孔隙率及合理的孔结构所致。 p m c c 弹性模量较普通混凝土低，对改善p m c c 的变形协调性有利l z 5 1 ；同时， p m c c 的抗拉强度提高，延伸性能改善，可减少混凝土内裂缝的形成，有利于 p m c c 耐久性的提高。然而，由于聚合物是一种对温度敏感的材料，混凝土内 聚合物网络在高温条件下很不稳定，p m c c 的热稳定性要比普通水泥混凝土差。 除随温度升高强度降低外，温度上升到一定程度会对聚合物网络形成破坏，导 致混凝土的抗渗性、耐久性大幅度下降【2 1 2 3 l 。 p m c c 以其较高的化学和力学性能，除了在新型建筑物上使用外，还特别 适用于房屋，工业建筑，道路，地下和水工构筑物等易受损结构部位的防护和 修复，同时在做防水材料和道路路面材料方面都有很好的发展前景。 p m c c 因其较高的化学和力学性能，简易的施工工艺，使其在防护和修复 材料方面得到很好的发展，在各种构筑物中都有应用i 矧。表1 5 列出了p m c c 防护和修复的典型实例【6 j 。 p m c c 因其较高的化学和力学性能，简易的施工工艺，使其在防护和修复 材料方面得到很好的发展，在各种构筑物中都有应用【2 6 】。表1 5 列出了p m c c 防护和修复的典型实例【6 j 。 表1 5p m c c 防护和修复的典型实例 7 武汉理工大学硕士学位论文 在做防水材料方面，苏英、贺行洋等人详细介绍了聚合物改性水泥防水混 凝土优良的抗冻、防裂及抗渗能力i 矧。此外，在道路路面材料方面，聚合物改 性多孔混凝土有良好的发展前景，c e r h a r z 介绍了该路面材料的实验结果，表明 该路面材料具有以下优点【2 7 】：很好的降噪和吸音性能( 降低5 d b 以上) ；很好 的排水性能；冬天没有黑冰；高抗变形性能( 不形成车辙) 。重庆交通学院研究 的多功能聚合物骨架空隙混凝土路面( m p l c ) 采用了集料骨架空隙结构，综 合考虑了路面材料的强度和变形能力，具有薄层铺装、节约投入成本和资源的 优点，具有透水、降噪、彩色功能，并已初步形成了该种路面的施工工艺1 2 8 - 3 。 1 2 2 橡胶集料改性混凝土的研究现状 废旧橡胶是固体工业废弃物的一种，主要来源于废旧轮胎和废旧橡胶制品， 即我们所说的“黑色污染 ，对环境已经造成了严峻的危害。而随着汽车工业 和橡胶工业的迅猛发展，废旧轮胎和废旧橡胶制品的数量急剧增多，例如，美 国每年产生2 7 亿条橡胶轮胎，我国每年废旧轮胎产量也已超过1 亿条，其中约 2 0 没有得到回收利用。这些废旧轮胎不仅是一种资源浪费，而且对其不当的处 理还会对环境造成严峻的影响，废旧轮胎的处理已成为严重的社会问题。 目前常用的处理方法主要有：1 ) 作为燃料；2 ) 将轮胎破碎成橡胶纤维或 粉末生产橡胶制品或在沥青混凝土中使用；3 ) 一些特殊用途，比如制造碳黑、 人造礁石等【2 1 。在我国，废旧轮胎多粉碎后用于生产橡胶颗粒，少量用于生产橡 胶纤维。生产橡胶粉和橡胶纤维的方法主要有常温法和低温法。常温法是利用 物理的方法进行粉碎、切割，生产出来的橡胶集料表面粗糙，形状不规则，利 于与其他材料相结合。而低温法则是利用化学的方法，使得废旧橡胶在低温的 状态下变脆，进而对其进行破碎呈颗粒状，这样生产出来的橡胶颗粒表面平滑， 形状规则，具有较高的断裂强度和扯断伸长率。橡胶颗粒的粒径一般在1 0 目2 0 0 目之间，橡胶纤维的尺寸一般为0 1 m m 5 0 m m 长，0 1 m m 5 m m 宽。粒径对橡胶 集料的表面状态影响很大，随着粒径的增加，橡胶集料的表面就越显得凸凹不 平，而在1 0 0 目以上的橡胶颗粒，表面就已经非常光滑平型3 2 】。市场价格对橡胶 集料应用的影响也很大，据了解8 0 目的橡胶颗粒目前的市场最低价格为1 3 0 0 多 元每吨。但随着国内对废旧橡胶回收利用技术的不断进步，其价格将会不断地 降低。 利用废旧橡胶颗粒作为集料用于生产沥青混凝土和水泥混凝土，是一种大 武汉理工大学硕士学位论文 量消纳废旧橡胶的有效途径，已引起了广泛关注和研究兴趣。将橡胶颗粒掺入 沥青混凝土中，可以有效改善沥青混凝土路面的抗滑性能，防止路面的疲劳开 裂，延长了道路的使用寿命1 3 3 碰】。而对橡胶集料在水泥混凝土中应用的研究， 国际上始于2 0 世纪9 0 年代。随着社会的发展，人们对工程和建筑规模的要求的 提高，很多高强和超高强混凝土被应用于工程实践当中。但是人们发现，很多 高强混凝土在满足强度要求的情况下，仍然会出现结构破坏，而且是低应力的 脆性断裂。也就是说，混凝土本属于半脆性材料，在混凝土达到较高的强度时， 其脆性则表现的更加突出，混凝土的高强度与高脆性之间的矛盾很大地限制了 高强混凝土的发展与应用。针对上述问题，人们一直试图通过混凝土改性来降 低混凝土的脆性，改善混凝土的韧性。橡胶集料改性混凝土则能有效的解决上 述问题。经研究发现，橡胶集料掺入水泥混凝土中，混凝土的延性和韧性得到 显著的改善，同时橡胶集料改性混凝土还具有减震、防滑、降噪、透水等独特 优点【3 鲥0 1 。甚至有学者将橡胶集料改性混凝土定义为“弹性混凝土”1 4 1 1 ，并十 分看好其应用前景。众多研究说明，橡胶集料改性混凝土将可以广泛应用于高 抗震地区房屋及工厂建筑、道路工程建筑、高速公路的围档及碉堡等抗冲击和 抗爆炸的部位、基础工程和火车站等要求振动阻尼高的场所，建筑装饰材料， 自流平填料等【4 2 椰】。 目前，发达国家如美国等高度重视对橡胶集料改性水泥混凝土的研究，在 大量实验室研究工作的基础上，已经将橡胶集料改性水泥混凝土成功地应用于 许多实际工程中。近些年来，我国对橡胶集料改性水泥混凝土的研究也逐渐的 重视起来，开展了大量的橡胶集料改性水泥混凝土的研究工作，取得了很多实 质性的成果。橡胶集料水泥混凝土作为一种特殊性能的混凝土，其推广应用将 为大量的消纳废旧橡胶提供了一条有效的途径。 橡胶集料的加入对新拌混凝土的工作性能影响显著，橡胶集料的颗粒形状、 表面粗糙度和颗粒尺寸都会给混凝土的工作性带来明显变化。但不同的学者其 研究结果差别也较大。有些学者研究认为橡胶集料改性水泥砂浆后，砂浆的工 作度与未加橡胶集料的砂浆的工作度相当或者略好1 3 5 娜j 。而有些研究发现，随着 橡胶集料掺量的增加，混凝土的坍落度会有所降低，当橡胶集料的体积掺量大 于4 0 时，混凝土的坍落度趋于为零。细橡胶集料对混凝土坍落度的影响要低 于粗橡胶集料1 3 3 4 7 】。此外，还有研究发现，橡胶集料对混凝土具有较好的保水作 用，混凝土的泌水性减小；橡胶集料混凝土的含气量要比普通混凝土的高，而 橡胶集料的密度仅在1 0 0 0 k g m 3 ，所以橡胶集料混凝土的密度要比普通混凝土的 9 武汉理工大学硕士学位论文 4 f f - 0 3 , 4 8 - y 口 由于橡胶集料是一种柔性材料，而且它作为一种有机材料与水泥混凝土这 种无机材料之间的结合存在问题，所以橡胶集料混凝土的抗压强度随着橡胶集 料掺量的增加会显著下降。可以通过对橡胶集料表面进行预处理来改善橡胶集 料与混凝土材料之间的粘结强度，进而改善橡胶集料改性混凝土的强度。预处 理方法包括清水冲洗、酸碱腐蚀、等离子预处理和各种偶联剂处理等。另外， 研究发现橡胶集料的粒径对混凝土的强度也有影响，但具体的研究结果也各不 相同，有研究认为，为橡胶颗粒作为粗集料降低混凝土强度的作用要比细集料 明型3 3 1 ，但有的研究报道却恰恰相反【4 2 1 。 对橡胶集料改性混凝土，可以采用加压成型的方法来成型。有研究结果表 明，加压成型的方法可以有效的提高橡胶集料改性混凝土的抗压强度和抗拉强 度，而且成型时压力越高，提高橡胶混凝土力学性能的效果就越显著，特别是 对抗折强度的提高更加显掣4 9 。 橡胶集料的掺入可以明显改善混凝土的收缩性能，橡胶集料的掺量越大， 混凝土的收缩越小，开裂时间也越晚，裂缝的长度和宽度也越小洋j 。同时，橡 胶集料的掺量和颗粒形状显著影响着混凝土的抗冻性，这主要是因为橡胶粉以 其特有的形式在混凝土中可以看作为固体引气剂，且能够保证其在混凝土中分 布的稳定性及均匀性，从而提高了混凝土抗冻性【5 0 j 。 有研究表明【2 9 ，3 2 1 ，当橡胶集料的掺量达到一定程度后，混凝土的断裂呈塑 性屈服破坏形态。与普通混凝土的脆性断裂不同，这种断裂模式在反复加载至 破坏，循环多次都不会完全破碎。说明橡胶集料改性混凝土对能量的吸收能力 比普通混凝土要强很多，极限拉、压应变也会远远大于普通混凝土，橡胶集料 的掺入显著改善了混凝土的延性和韧性。橡胶混凝土的动力学性能研究主要集 中于抗冲击性和阻尼性。还有研究发现，橡胶集料改性混凝土的抗冲击性能与 普通混凝土相比有明显提高，认为主要原因是材料吸收能量的能力提剐5 1 4 3 1 。 此外，有研究表明橡胶集料可以显著提高混凝土的阻尼系数，与普通混凝土相 比，橡胶集料掺量在o 5 2 5 时，混凝土阻尼系数可提高5 0 6 0 ，但是 提高幅度随橡胶掺量变化不大；当橡胶集料掺量超过2 5 后，混凝土阻尼系数 随橡胶集料掺量增大而快速增大，提高了1 3 2 3 倍，适用于基础工程和火车 站等振动较多的环境中i ”j 。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 研究目标、研究内容、拟解决的关键问题及技术路线 1 3 1 研究目标 采用聚合物乳液和橡胶集料复合改性，通过合理的配合比设计，配制出适 合降雨量充沛地区公路路面的聚合物橡胶集料改性多孔混凝土罩面材料和适 合大交通量公路路面的聚合物橡胶集料改性密实混凝土罩面材料。通过合理的 配合比设计，使聚合物橡胶集料改性多孔混凝土罩面材料在符合公路路面罩面 材料强度要求的同时，具有良好的排水、降噪、防滑及减震功能；使聚合物 橡胶集料改性密实混凝土罩面材料具有较高的强度，良好的韧性以及优良的抗 冲击性能和耐磨性能。同时，采用合理的方法，使两种罩面材料与下层混凝土 有较高的粘结强度。为有效的消纳“黑色污染废旧轮胎提供一条新的途径。 1 3 2 研究内容 1 ) 集料级配的确定 通过对错料( 4 7 5 9 5 m m ) 、鲥料( 2 3 6 4 7 5 m m ) 、错料( o 3 2 3 6 m m ) 三种集料进行复配，分别配置出符合聚合物橡胶集料改性多孔混凝土罩面材料 和聚合物橡胶集料改性密实混凝土罩面材料的集料级配。 2 ) 水泥用量的确定 为保证罩面材料的强度、工作性、以及孔隙率来确定一个合适的水泥用量。 3 ) 乳液优选及掺量的确定 通过对比试验，在多种聚合物乳液中优选出最适合混凝土罩面材料的乳液， 使罩面材料具有较高的强度和良好的韧性。同时通过掺量对比试验来确定乳液 的最佳掺量。 4 ) 橡胶集料取代率的确定 采用1 群胶粒等体积取代2 带集料，揣胶粒等体积取代错集料，鲥胶粒等体积 取代错集料，对比不同的取代量时混凝土的强度和韧性，分别确定1 挣胶粒、2 劳 胶粒和3 舞胶粒的最佳取代量。 5 ) 混凝土透水性能的测定( 聚合物橡胶集料改性多孔混凝土罩面材料) 测定聚合物橡胶集料改性多孔混凝土罩面材料的渗透系数，以确保该罩面 材料有良好的排水功能。 武汉理工大学硕士学位论文 6 ) 弹性模量 聚合物乳液和橡胶颗粒作为优良的柔性材料，它们的掺入，会给混凝土的 脆性带来显著改善。测定混凝土的弹性模量的改变程度，来探索两种罩面材料 韧性的改善情况。 7 ) 应力应变曲线 聚合物乳液和橡胶颗粒作为优良的柔性材料，它们的掺入，会显著改善混 凝土的延性和韧性。测定混凝土的应力应变曲线，来探索两种罩面材料延性和 韧性的改善情况。 8 ) 抗冲耐磨性能 抗冲击韧性和耐磨性能是罩面材料的两个重要指标，探索随着聚合物乳液 以及橡胶集料的掺入，混凝土抗冲击韧性和耐磨性能的变化情况，来衡量两种 罩面材料优劣性。 9 ) 界面粘结强度 界面粘结强度也是衡量罩面材料优劣性的重要指标之一，必须确保罩面材 料与下层混凝土之间足够的粘结强度。 1 0 ) 两种罩面材料的微观结构 通过s e m 观测两种罩面材料的微观结构，观察聚合物乳液的成膜状况，观 察水泥浆体与集料以及橡胶集料间的结合情况，观察橡胶集料与集料之间的结 合情况，从微观结构角度解释聚合物以及橡胶集料影响混凝土强度等性能的原 因。 1 1 ) 显微硬度分布 通过对两种罩面材料的显微硬度分布的观察，来探索两种罩面材料中组元 间几面过渡区的强度大小，从而分析各组元之间结合的紧密程度。 1 3 3 拟解决的关键问题 1 ) 罩面材料合理的组成与配合比设计 a 确定合理的集料级配，水泥用量，保证罩面材料的强度、工作性、以及 合适的孔隙率； b 聚合物乳液的优选以及最佳掺量的确定； c 橡胶集料取代率的确定： 2 ) 罩面材料优良的性能 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 a 强度性能：要求罩面材料在满足强度要求时有尽量高的折压比，其抗折 强度有明显提高； b 韧性：要求两种罩面材料要有良好的韧性，弹性模量低； c 透水性能：要求聚合物橡胶集料改性多孔混凝土罩面材料有优良的排水 性能； d 良好的抗冲耐磨性能； e 较高的界面粘结强度； 3 ) 罩面材料的微观结构； 1 3 4 技术路线 1 ) 罩面材料合理的组成与配合比设计 a 通过对2 撑料( 4 7 5 9 5 m m ) 、3 群料( 2 3 6 4 7 5 m m ) 、钳料( o 3 2 3 6 m m ) 三档料子进行复配，分别配置出符合聚合物橡胶集料改性多孔混凝土罩面材料 和聚合物橡胶集料改性密实混凝土罩面材料的集料级配，保证罩面材料的有 较高的强度及合适的孔隙率，通过罩面材料的强度指标及混凝土的工作性能来 确定一个合适的水泥用量： b 通过对比试验，在多种聚合物乳液中优选出最适合混凝土罩面材料的乳 液，使罩面材料具有较高的强度和良好的韧性。同时通过掺量对比试验来确定 乳液的最佳掺量； c 采用l 群胶粒等体积取代2 蝶料，勰胶粒等体积取代3 蝶料，3 撑胶粒等体 积取代甜噪料，对比不同的取代量时混凝土的强度和韧性，分别确定1 劳胶粒、 勰胶粒和3 舞胶粒的最佳取代量。 2 ) 罩面材料的性能 a 强度性能：研究聚合物乳液及橡胶集料对混凝土强度性能的影响，特别 是对抗折强度的改善； b 韧性：通过对罩面材料的应力应变关系、弹性模量的测定，研究两种 罩面材料的韧性； c 排水性能：通过测定罩面材料的渗透系数，来研究聚合物橡胶集料改 性多孔混凝土罩面材料的排水性能； d 抗冲耐磨性能：抗冲击韧性和耐磨性能是罩面材料的两个重要指标，探 索随着聚合物乳液以及橡胶集料的掺入，混凝土抗冲击韧性和耐磨性能的变化 1 3 武汉理