橡胶粉、废砖粉对粘结砂浆性能影响及微观机理研究

秦培成 孙 涛

目前，随着城市化建设步伐的加快，建筑、生活废物不断增加，对城市环境造成了相当严重的危害，如何变废为宝是工程行业可持续发展的出路之一，因此需大力推广使用绿色建筑。而市场所售轻质隔墙板容易在接缝处产生收缩裂缝，主要原因是隔墙板和粘结砂浆收缩率过大，容易出现收缩变形进而导致裂缝的产生。

本文重点研究的内容是如何减少粘结砂浆的收缩率进而控制接缝处的裂缝。相关研究表明，在砂浆中掺入橡胶粉和废砖粉均能减少收缩。橡胶粉由废弃轮胎制备而成，具有很多优良性能[1-5]，例如橡胶混凝土具有良好的抗震性、弹性、韧性、耐久性以及抗收缩性。废砖作为建筑垃圾主要组成之一，其资源化程度直接影响建筑垃圾的资源化和产业化进程[6]。

1 单因素试验方案

为了减少粘结砂浆的收缩率，本文选取废砖粉和橡胶粉为研究对象，进行单因素试验，共设计了10组不同配合比，重点研究不同掺量橡胶粉、废砖粉对粘结砂浆收缩率的影响。

1.1 试验设计

采用普通水泥砂浆、粘结砂浆掺5%、10%、15%、20%（体积分数）60目的橡胶粉（取代砂）和5%、10%、15%、20%（质量分数）的废砖粉（取代水泥），共设计10组配合比，严格控制砂浆流动度在160～191 mm，试验配合比如表1所示。其中，W1为普通水泥砂浆，W2为粘结砂浆，A1～A4分别为单掺5%、10%、15%、20%（质量分数）废砖粉的粘结砂浆，B1～B4分别为单掺5%、10%、15%、20%（体积分数）60目的橡胶粉（取代砂）的粘结砂浆。

表1 试验配合比（单位：kg/m3）

1.2 试验原材料

砂：表观密度为2 630 kg/m3。

橡胶粉：表观密度为980 kg/m3，其颗粒形貌如图1（a）所示。

纤维素：湖南汇祥纤维生产的9 mm长聚丙烯纤维，其微观形貌如图1（b）所示，性能参数见表2。水泥：P·O42.5普通硅酸盐水泥。

图1 SEM微观形貌（来源：作者自摄）

表2 聚丙烯纤维材料性能

VAE乳液：市场所售VAE乳液，PH值4.7，不挥发物质量分数为55.6%，粘度884 mPa·s，残存乙酸乙烯酯0.10%，乙烯含量为15.7%，如图2所示。

图2 原材料（组图，来源：作者自摄）

膨胀剂：选用U型膨胀剂（U-type Expansive Agent For Concrete，UEA），总碱量0.70%，氯离子含量0.04%，含水率2.9%，28 d水中限制膨胀率0.1%，21 d空气中限制膨胀率-0.02%。

粉煤灰：矿物掺合料采用F级粉煤灰如图2（b）所示。

废砖粉：海南某工地分选废砖磨细，根据胶砂活性试验确定其比表面积为583 m2/kg。

减水剂：聚羧酸高效减水剂，固含量20%。

1.3 试验设备

试验设备主要包含数显游标卡尺（精度为0.01 mm）、不锈钢测头、行星轴式搅拌机（见图3）、跳桌、截锥模、圆柱捣棒以及砂浆抗压抗折试验机。

图3 行星轴式搅拌机（来源：作者自摄）

1.4 试验过程及测试方法

先将水泥、粉煤灰、砂、膨胀剂、砖粉以及橡胶粉放入行星轴式搅拌机中干拌1 min，然后将聚丙烯纤维均匀散开加入干拌2 min，再依次加入VAE乳液、减水剂和水湿拌2 min，最后得到水泥基复合材料拌和物。搅拌完成后，将拌合物浇筑到40 mm×40 mm×160 mm的模具中成型并标号，保鲜膜覆盖养护指定龄期后拆模。标准条件下，即温度（20±2）℃、相对湿度＞95%，养护至指定龄期后取出，并进行物理力学性能试验[7-8]。相关试验及参照标准如下：流动度试验，参照《水泥胶砂流动度测定方法》（GB/T 2419—2005）；强度试验，参照《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T 17671—2021）；收缩性能试验，参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JGJ/T 70—2009）。

收缩率测试公式为：

式中，ε表示试件的收缩率，mm/m；L0表示试件的初始长度，用数显游标卡尺测得，mm；Lt表示不同时间的试件长度，用数显游标卡尺测得，mm。

所用试件及测试方法如图4所示，即用精度为0.01 mm的数显游标卡尺，卡紧试件两端测钉中心位置进行测量。为减小试验误差，每次测量3个试件，将3次求和取平均值并记录数据。

图4 试验试件及测试方法（组图，来源：作者自摄）

2 试验结果分析

2.1 单因素试验

为探究橡胶粉、废砖粉对粘结砂浆性能的影响，本次试验制备了10组试件。流动度测试结果如图5所示，从图中可以发现，粘结砂浆比普通砂浆流动度要低，这可能是因为粘结砂浆中含有纤维素和其他填充物，能够降低砂浆的流动性。随着废砖粉掺量的增加，砂浆的流动度持续减小；随着橡胶粉掺量的增加，砂浆整体流动度呈降低趋势，但是在5%掺量状态下要高于粘结砂浆流动度，这是因为在砂浆结构体系中少量胶粉可以一定程度上改善砂浆的流动性。胶粉具有密度小且呈松散堆积状态的物理性质，在相同体积情况下，胶粉的质量远小于细砂的质量，从而导致砂浆密实度有所降低，含气量有所增大。同时，细砂含量的减少会使水泥砂浆中摩擦力减小，从而造成砂浆流动性增加，出现了极大值。而随着胶粉掺量的增加，胶粉的吸水性将会增大，砂浆中游离水量持续减少，流动度显著下降[9]。

图5 流动度测试结果（来源：作者自绘）

抗压强度测试结果如图6所示，从图中可以发现废砖粉、橡胶粉的掺入会对试件强度产生不利的影响，均导致试件强度降低，这与相关研究结果保持一致[10]。单掺20%（质量分数）废砖粉可使试件7 d、28 d抗压强度分别降低26%、20%；单掺20%（体积分数）橡胶粉可使试件7 d、28 d抗压强度分别降低34%、39%，对比发现橡胶粉的掺入对试件抗压强度影响更显著。

图6 抗压强度测试结果（来源：作者自绘）

抗折强度试验结果如图7所示，从图中可以发现随着废砖粉、橡胶粉掺量的增加，其抗折强度与抗压强度损失趋势基本一致，均导致试件强度降低。单掺20%（质量分数）废砖粉可使试件7 d、28 d抗折强度分别降低31%、49%；单掺20%（体积分数）橡胶粉可使试件7 d、28 d抗折强度分别降低36%、52%。研究发现，在废砖粉、橡胶粉掺量较高的状态下，砂浆强度损失很大，因此在工程中应重视这一情况。

图7 抗折强度测试结果（来源：作者自绘）

收缩率是衡量建筑材料收缩性能的一个重要指标，单掺废砖粉的收缩性能试验如图8所示。从图中可以发现，废砖粉的掺入会减少砂浆的自由收缩，其收缩曲线增长阶段主要集中在18 d范围内，前9 d收缩率增长最快，18 d后收缩曲线先缓慢增长直至28 d后趋于稳定。对比养护时间为33 d的普通砂浆W1与粘结砂浆W2，W2的收缩率会降低19%；A1～A4的33 d自由收缩率较基准组W2分别减少2%、12%、23%、29%。

图8 不同砖粉掺量对粘结砂浆收缩率的影响（来源：作者自绘）

单掺橡胶粉的收缩性能试验如图9所示，其收缩变化规律与单掺废砖粉收缩变化规律类似，B1～B4的33 d自由收缩率对比W2组分别减少4%、8%、8%、15%。综上所述，若既要降低水泥砂浆收缩，同时又要满足高强度要求，可优选0%～10%掺量的废砖粉、橡胶粉作为参考[11]。

图9 不同橡胶粉对粘结砂浆收缩率的影响（来源：作者自绘）

2.2 橡胶粉水泥净浆水化产物分析

为研究橡胶粉对水泥净浆水化影响的微观机理，采用扫描电子显微镜对普通砂浆W1、粘结砂浆W2、掺10%橡胶粉B2的水泥净浆水化产物进行28 d龄期的微观形貌分析，结果如图10所示[12]。

图10 普通砂浆、粘结砂浆与掺10%橡胶粉水泥净浆在28 d龄期的SEM照片（组图，来源：作者自摄）

对比28 d龄期的W1、W2和B2可以看到，橡胶颗粒与水泥基体之间的界面填充密实，连接更为紧密，已无明显缺陷；氢氧化钙和钙矾石等结晶度高的水化相作为橡胶颗粒与水泥基体之间的黏结剂，将骨料与橡胶很好地结合在一起。其机理分析如下。

（1）由于水泥砂浆中细骨料的强度远大于橡胶，在水泥砂浆中添加橡胶将导致整体强度显著降低。另外，由于橡胶是一种有机相，水泥浆是一种无机相，二者之间的接合面特别脆弱，内部结构不连续，从而削弱了水泥砂浆骨料的骨架作用。当受到外力作用时，水泥砂浆在界面处遭到破坏，这也会导致其强度降低[13]。（2）随着橡胶粉用量的增加，水泥砂浆的收缩率降低，这主要是因为橡胶粉作为一种弹性填充材料，具有一定的收缩变形能力。此外，橡胶粉含有一定量的纤维，对水泥砂浆的收缩有一定的约束作用，橡胶粉用量越大，水泥砂浆中纤维含量越高，对砂浆收缩的抑制作用越明显[14]。

3 结语

通过本文研究可知，随着橡胶粉、废砖粉掺量的增加，砂浆的流动性、强度逐渐降低。单掺20%（质量分数）废砖粉可使试件7 d、28 d抗折强度分别降低31%、49%，单掺20%（体积分数）橡胶粉可使试件7 d、28 d抗折强度分别降低36%、52%。这是一个很大的强度损失值，工程应用中需重视这一情况。试验得到废砖粉、橡胶粉掺量与收缩率之间的关系曲线，二者收缩变化规律基本一致，收缩增长阶段主要集中在0～18 d范围内，前9 d收缩率增长较快，18 d后收缩率缓慢增长，直至28 d后趋于稳定。单掺5%、10%、15%、20%（质量分数）废砖粉粘结砂浆A1～A4，其33 d自由收缩率较基准组W2分别减少2%、12%、23%、29%；单掺5%、10%、15%、20%（体积分数）60目橡胶粉（取代砂）的粘结砂浆B1～B4，其33 d自由收缩率较W2分别减少4%、8%、8%、15%。优选橡胶粉、废砖粉在砂浆中的掺量应为0%～10%，在此范围内的效果最佳，否则会对砂浆强度造成比较大的影响。