基本信息
- 项目名称：
- 路用橡胶混凝土橡胶粉适宜掺和量及最佳改性剂研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本文分析了混凝土路面中橡胶粉的适宜掺和量，探索了混凝土路面中橡胶粉的最佳改性剂及改性工艺。试验研究表明：路用橡胶粉适宜“低掺量”、“高目数”、“多目级配”的掺用方式，其适宜掺和量为4%，最佳改性剂是无机盐改性剂，CaCl2以橡胶粉质量5%作改性剂用量时，能使橡胶混凝土强度提高14%，使混凝土强度下降幅度由27.7%减小为17.5%，改性效果明显。
- 详细介绍：
- 本试验从“低掺量”、“高目数”、“多目级配”掺用方式出发，兼顾橡胶粉最大回收利用的原则，进行路用橡胶混凝土橡胶粉适宜掺和量的试验研究。本试验以4%掺量作为适宜掺和量，来进一步研究路用橡胶混凝土橡胶粉的最佳改性剂。 1 改性剂选择 为了寻找路用橡胶混凝土橡胶粉的适宜改性剂，兼顾经济、环保、适用要求，本试验从无机改性剂、有机改性剂中选取一定的具有改性空间的典型试剂做试验：即选择水、NaOH、CCl4、盐酸、乙酸、氨水、CaCl2、MgSO4、Al2(SO4)3、丙酮、CS2、甘油12种改性剂，其中后九种改性剂为最新尝试。 2 试验方法 由于橡胶粉、混凝土都属于低成本高产量的产品，因此对其改性工艺也应考虑成本的控制，以便更有利于工业化推广应用。 水：橡胶粉在水中浸泡24h后过滤烘干，封装待用，除去橡胶粉表面杂质及添加剂。 无机盐：化工产业中使用1价、2价、3价金属盐（如Na+,Mg2+,Ca2+,Al3+等）做粉末橡胶凝聚剂来合成橡胶，凝聚剂一般控制在4%～10%。参照化工原理，本试验选用CaCl2、MgSO4、Al2(SO4)3做路用橡胶粉改性剂。改性工艺：将改性剂按照橡胶粉质量5%称取，配成10%盐溶液，然后将橡胶粉浸泡在盐溶液中24h后烘干，封装待用。浸泡目的是使无机盐物质充分浸入橡胶颗粒表面，烘干则是使剩余的改性剂以晶体形态附着于橡胶颗粒表面，从而在生产橡胶混凝土时，利用改性剂的凝聚作用增强橡胶颗粒与水泥浆体的粘结。 酸碱溶液：将橡胶粉用1%的NaOH溶液浸泡24h，然后用清水浸泡3h，过滤，再用清水洗涤，最后烘干，封装待用。利用NaOH除去橡胶颗粒表面处的添加剂，使添加剂转换成可溶性的钠盐，从而增强橡胶颗粒与水泥浆体之间的粘结。用相同的工艺，将橡胶粉分别用1%的盐酸溶液、2%的氨水、2%的乙酸溶液浸泡24h，最后烘干，封装待用。酸碱溶液对橡胶颗粒表面也有一定的腐蚀作用，使其表面变得不光滑，从而增强橡胶颗粒与水泥浆体之间的粘结。 有机溶剂：本试验结合橡胶粉的目数即比表面积来确定有机溶剂的合理用量，然后将有机溶剂滴入橡胶粉中，用玻璃棒充分搅拌均匀密封24h后使用。用比表面积计算的目的是让所有的橡胶颗粒表面恰好都形成有机薄膜。 试件制作与上述的混凝土相同，养护28d。 1 试验研究结论 （1）路用橡胶混凝土的橡胶粉适宜“低掺量”、“高目数”、“多目级配”的掺用方式，经试验研究，在该掺用方式和使用改性剂的前提下，橡胶粉适宜掺和量为4%；在4%掺量下展开力学研究，得出：颗粒状橡胶混凝土强度高于纤维状橡胶混凝土；橡胶粉对普通混凝土、钢纤维混凝土、铁尾矿混凝土抗压强度的影响规律相同，三种混凝土分别降低27.7%、29.5%、22.3%；橡胶粉降低混凝土的劈裂强度25%。 （2）兼顾经济、环保、适用的原则，路用橡胶混凝土4%掺量的橡胶粉，最佳改性剂是无机盐改性剂，而有机溶剂、酸碱溶液等不适宜作为路用橡胶粉改性剂；不同无机盐中，CaCl2改性效果最好，Al2(SO4)3次之，醋酸铵和醋酸钠效果不好；橡胶粉在无机盐溶液中浸泡时间越长，抗压强度提高越多，抗压强度越高；CaCl2浓度越小，处理过的橡胶混凝土强度越高；无机盐改性剂对橡胶混凝土劈裂强度影响不大。
作品图片
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的：将废旧轮胎橡胶粉掺入到混凝土路面中，即能减少黑色污染，又能改善混凝土路面裂缝、耐久性等问题。但是，大量橡胶粉掺入到混凝土中会使路面强度降低，应用会受到一定的限制，为此，本文进行路用橡胶混凝土橡胶粉适宜掺和量及最佳改性剂研究，以保证和提高橡胶混凝土强度。基本思路：通过强度试验，确定橡胶粉适宜掺和量，在此研究基础之上，分析橡胶粉的最佳改性剂，探索最合理改性工艺，以加快橡胶粉在混凝土路面中的应用。
科学性、先进性及独特之处
- 科学性：本作品从力学试验研究入手，得出试验数据，运用数理统计进行科学分析，得出符合要求的各项力学性能指标。 先进性：从开发满足需要的新材料的角度出发，站在循环经济的高度，研究开发路用橡胶混凝土橡胶粉的适宜掺和量及最佳改性剂，其改性剂品种最多，改性剂改性工艺最合理、最先进。 独特处：本作品所进行的低掺量下的适宜掺和量与最佳改性剂研究是橡胶混凝土研究领域的第一例。
应用价值和现实意义
- 首先，有助于消除黑色污染，促进废旧轮胎的有效利用，遏制轮胎对土地的占用和环境的污染。第二，对改善混凝土路面的脆性、密度、吸声隔热、抗冲击和抗裂性能有积极意义。第三，国内有相当数量的公路、桥梁需要建设，急需解决目前混凝土路面材料存在性能上的不足。 本课题适应科学研究和产业发展的趋势，符合环保和资源利用两大主题，不仅有着良好的社会效益和经济效益，而且有着广阔的市场发展空间和光明的应用前景。
学术论文摘要
- 本作品设计0%、1%、2%、3%、4%、5%共6种掺量的路用橡胶混凝土，以研究橡胶粉适宜掺和量。经测定：橡胶粉掺量超过3%时，抗压、抗折强度均低于设计强度要求。本作品分析4%掺量可以作为橡胶粉的适宜掺和量，但前提是利用橡胶粉改性剂。本作品选取12种改性剂，在4%掺量下测试改性剂对强度的影响。经测定：无机盐改性剂能显著增强橡胶粉与水泥基体的粘结强度，CaCl2以橡胶粉质量5%作改性剂用量时，能使橡胶混凝土强度提高14%，使混凝土强度下降幅度由27.7%减小为17.5%，改性效果最好。有机溶剂、酸碱溶液不适宜作为路用橡胶粉改性剂；路用橡胶粉之无机盐改性工艺基本可行，但还需通过试验不断地探索和研究。
获奖情况
- 1《Research on Modifier and Modified Process for Rubber-particle Used in Rubberized Concrete for Road》2011.6在海口土木与建材国际会议发表，将被EI收录。 2《废旧橡胶粉在水泥砼路面中应用研究》2011.6《北方交通》发表，已录用。 3《路用橡胶砼研究现状及前景》2011.7《混凝土》发表，已录用。
鉴定结果
- 鞍山市公路管理处讨论认为：本作品试验研究合理，数据可靠，分析到位，技术先进，具有很好的应用价值和使用价值，可以在鞍山地区修筑试验路段，以便于以后的推广和应用。
参考文献
- 1贾峰，包惠明.橡胶粉水泥混凝土性能试验的研究[J].混凝土，2007（9）：69-72. 2马一平，刘晓勇等.改性橡胶混凝土的物理力学性能[J].建筑材料学报，2009（4）：379-383. 3李丽娟，陈智泽，谢伟峰等.橡胶改性高强混凝土基本性能的试验研究[J].混凝土，2007（5）：60-63. 4李悦，王敏等.界面改性剂对橡胶集料水泥砂浆强度的影响[J].武汉理工大学学报，2008（6）：63-65.
同类课题研究水平概述
- 强度研究：研究表明，橡胶颗粒的掺入会显著影响混凝土的抗压、抗折和劈裂抗拉强度，特别是抗压强度；随着橡胶粉掺量增加，强度下降更大，掺量与下降值之间没有线性关系。其中，胶粉粒径对橡胶混凝土的抗压强度影响较大，40目橡胶粉强度降低值最小；掺量不变，水灰比越小，抗压强度降低值越小；早期强度增长缓慢，后期强度增长较快；水中养护的橡胶混凝土抗压强度低于标准养护下的强度；掺用改性橡胶粉的混凝土强度下降幅度显著减小；胶粉的表面改性工艺对强度的影响高于橡胶粉细度的影响。橡胶混凝土的抗折强度随橡胶粉掺量的增加而近似呈线性降低，其降低程度要低于抗压强度的降低程度，从而印证了橡胶混凝土比普通混凝土具有优越的抗裂性能。其中，橡胶粉掺量越高抗裂性能越好；抗折强度随着水灰比的降低而增大，橡胶混凝土路面，最佳水灰比应在0.34~0.45之间；经过改性处理的橡胶混凝土，路面弯拉强度可达到5.0MPa，基本满足高强低弹要求。橡胶颗粒使混凝土劈裂抗拉强度降低较多，且颗粒粒径对劈裂抗拉强度影响较大。所有研究都认为添加橡胶粉会降低混凝土的弹性模量，其弹性模量随橡胶掺量的增加和温度的升高而减小。 改性剂研究：橡胶粉改性剂大体分为三类，即无机改性剂、有机改性剂、偶联剂。从研究情况上看，硅烷偶联剂适用于橡胶粉中等掺量和高掺量时改性情况，不适于路用橡胶混凝土低掺量改性情况；CCl4有机改性剂和NaOH溶液无机改性剂也是如此，同样不适用于路用橡胶混凝土低掺量改性情况；而固态NaCl和NaOH直接加入混凝土中，使3%橡胶粉掺量的橡胶混凝土，强度提高了10%-27%，说明无机改性剂中固态无机盐、碱，适用于路用橡胶混土低掺量情况，有一定的改性空间，但其改性工艺还不成熟，需要继续研究和探索。
