1. 引言
随着全球汽车产业的蓬勃发展，废旧轮胎的数量急剧增加[1]-[4]。据统计，每年全球产生的废旧轮胎数以亿计，如何有效处理这些废旧轮胎已成为环境保护和资源利用领域的重要课题。将废旧轮胎加工成胶屑，并应用于水泥基复合材料中，不仅可以解决废旧轮胎的处置难题，还能实现资源的循环利用，具有显著的环境和经济效益。
然而，橡胶水泥砂浆在实际应用中面临着诸多挑战[5]-[11]。其中，橡胶颗粒与水泥基质之间较差的界面粘结性，导致了复合材料机械强度的降低，这严重限制了橡胶水泥砂浆在建筑领域的广泛应用。许多研究表明，改善橡胶–水泥基质界面是提升橡胶水泥砂浆性能的关键所在。
在过去的研究中，众多学者尝试了各种方法来改善橡胶–水泥基质界面，如表面预处理、添加辅助胶凝材料等，但效果参差不齐。一些方法虽然在一定程度上提高了复合材料的某些性能，但整体机械强度仍难以达到预期目标，且部分方法存在成本高、工艺复杂等问题。
石灰石粉(LP)和硅灰(SF)作为常见的建筑材料添加剂[12]-[16]，在改善水泥基复合材料性能方面具有潜在的优势。LP具有良好的填充效应，能够优化水泥浆体的微观结构；SF则具有较高的火山灰活性，可与水泥水化产物发生二次反应，生成更多的胶凝物质，增强材料的密实度。本研究创新性地采用LP预涂胶屑和SF的两阶段法，旨在探索一种高效、经济的提升橡胶水泥砂浆性能的方法。
2. 实验材料及方法
2.1. 实验材料
本实验选用普通硅酸盐水泥(OPC)作为胶凝材料，其物理化学性能指标符合标准。硅灰(SF)作为辅助胶凝材料，具有较高的活性和比表面积，能够有效改善水泥浆体的微观结构。石灰石粉(LP)用于预涂胶屑，其粒径细小，能够在胶屑表面形成一层均匀的包覆层。
细骨料采用符合规范要求的标准砂，其颗粒形状规则、级配良好。胶屑由机械破碎废旧轮胎获得，通过筛分分析其粒径分布，结果显示约86%的胶屑颗粒粒径小于2.3 mm。
在预涂过程中，LP和水的用量分别为胶屑质量的15%和5.25%。将胶屑、水和LP在搅拌机中低速搅拌均匀，然后将预涂后的胶屑在空气中干燥24小时，并储存于塑料袋中备用。
2.2. 试验设计
本实验设计了多组不同配合比的砂浆试件，以研究LP预涂胶屑和SF对橡胶水泥砂浆性能的影响。具体配合比如表1所示：
Table 1. Design of mix proportion
表1. 配合比设计
混合物名称 |
细骨料体积替代率(%) |
水泥替代率(%) |
各材料用量(g) |
|
|
|
水 |
水泥 |
硅灰 |
细骨料 |
胶屑 |
R |
0 |
0 |
242 |
500 |
- |
1375 |
0 |
A5 |
5 |
0 |
242 |
500 |
- |
1306 |
28.5 |
A10 |
10 |
0 |
242 |
500 |
- |
1238 |
57.1 |
A15 |
15 |
0 |
242 |
500 |
- |
1169 |
85.6 |
C5 |
5 |
0 |
242 |
500 |
- |
1306 |
28.5 |
C10 |
10 |
0 |
242 |
500 |
- |
1238 |
57.1 |
C15 |
15 |
0 |
242 |
500 |
- |
1169 |
85.6 |
C5 + SF |
5 |
10 |
242 |
450 |
37 |
1306 |
28.5 |
C10 + SF |
10 |
10 |
242 |
450 |
37 |
1238 |
57.1 |
C15 + SF |
15 |
10 |
242 |
450 |
37 |
1169 |
85.6 |
注：“R”代表基准混合物(Reference mixture)，即不含有胶屑的普通砂浆试件。“A”代表含有未经过LP预涂处理胶屑的混合物(As-received crumb rubber mixtures)。其中，A5、A10、A15中的数字表示胶屑替代细骨料的体积百分比分别为5%、10%、15%。“C”代表含有LP预涂胶屑的混合物(Limestone Powder pre-coated crumb rubber mixtures)。同样，C5、C10、C15里的数字代表LP预涂胶屑替代细骨料的体积百分比为5%、10%、15%。设置这组混合物，目的是探究LP预涂胶屑对砂浆性能的作用。而像C5 + SF、C10 + SF、C15 + SF，则表示在含有对应比例LP预涂胶屑的基础上，又添加了10%水泥替代率的硅灰(Silica Fume，缩写为SF)，用于研究LP预涂胶屑和SF共同作用时对橡胶水泥砂浆性能的影响。
2.3. 测试方法
2.3.1. 抗压强度测试
采用50 mm × 50 mm × 50 mm的立方体试件，每组制备3个试件。在试件养护28天后，使用压力试验机以1.7 kN/s的加载速率进行加载，直至试件破坏，记录破坏荷载并计算抗压强度。
2.3.2. 抗折强度测试
制作40 mm × 40 mm × 160 mm的棱柱体试件，每组4个。在试件养护28天后，采用三分点加载方式，以0.072 mm/min的加载速率进行测试，记录破坏荷载并计算抗折强度。
2.3.3. 耐磨性测试
使用100 × 52 mm的圆柱体试件，每组3个。试件在切割辊转速为200 rpm、压力为98 N的条件下，每个面研磨2分钟。测试结束后，称量试件的质量损失，计算质量损失率以评估耐磨性。
2.3.4. 吸附性测试
采用50 mm × 50 mm × 50 mm的立方体试件，每组3个。将试件的浇筑面浸入3.5 mm深的水中，分别在0.25、1、4和24小时测量其吸水量，计算吸水速率以评估吸附性。
3. 结果及分析
3.1. 抗压强度
不同配合比砂浆试件的抗压强度测试结果如图1所示。从图中可以看出，随着胶屑掺量的增加，橡胶水泥砂浆的抗压强度呈下降趋势。其中，A5、A10和A15试件的抗压强度分别为基准试件R的85.6%、75.2%和62.3%。这主要是由于胶屑与水泥基质之间的界面粘结性较差，导致在受力过程中容易产生应力集中，同时胶屑的加入增加了混合物的孔隙率，降低了材料的密实度。
对于含有LP预涂胶屑的试件，其抗压强度有所改善。C5、C10和C15试件的抗压强度分别为基准试件R的89.6%、81.6%和67.7%。这是因为LP预涂在胶屑表面，在一定程度上改善了胶屑与水泥基质之间的界面过渡区，增强了界面粘结力。
当同时添加LP预涂胶屑和SF时，抗压强度得到了更显著的提升。C5 + SF、C10 + SF和C15 + SF试件的抗压强度分别为基准试件R的104%、96.8%和75.2%。这得益于SF的火山灰反应，生成了更多的胶凝物质，填充了孔隙，使基体更加致密，同时LP与SF的协同作用进一步改善了橡胶–水泥浆体颗粒界面，从而有效提高了抗压强度。
Figure 1. Compressive strength test results of mortar specimens with different mix ratios
图1. 不同配合比砂浆试件的抗压强度测试结果
3.2. 抗折强度
抗折强度测试结果如图2所示。与抗压强度趋势相似，随着胶屑掺量的增加，橡胶水泥砂浆的抗折强度逐渐降低。A5、A10和A15试件的抗折强度分别为基准试件R的96.2%、86.5%和71.2%。
含有LP预涂胶屑的试件抗折强度变化不明显，C5、C10和C15试件的抗折强度与含有未预涂胶屑的对应试件相近。然而，当添加SF后，抗折强度显著提高。C5 + SF、C10 + SF和C15 + SF试件的抗折强度分别为基准试件R的119.2%、109.6%和96.2%。这表明SF的加入不仅改善了基体的微观结构，还增强了橡胶–水泥浆体颗粒界面的韧性，使材料在受弯时能够承受更大的变形而不发生断裂。
Figure 2. Bending strength test results of mortar specimens with different mix ratios
图2. 不同配合比砂浆试件的抗折强度测试结果
3.3. 耐磨性能
耐磨性测试结果以质量损失率表示，如图3所示。所有橡胶水泥砂浆试件的质量损失率均高于基准试件R，表明胶屑的加入降低了材料的耐磨性。A5、A10和A15试件的质量损失率分别为0.25%、0.40%和0.42%，而基准试件R的质量损失率仅为0.13%。这是因为在研磨过程中，胶屑容易从试件表面脱落，形成孔隙，加速了材料的磨损。
Figure 3. Quality loss of mortar specimens with different mix ratio after wear test
图3. 不同配合比砂浆试件的磨损试验后质量损失
LP预涂胶屑对耐磨性有一定的改善作用，C5、C10和C15试件的质量损失率分别为0.23%、0.32%和0.37%。当同时添加LP预涂胶屑和SF时，耐磨性得到了更明显的提升。C5 + SF、C10 + SF和C15 + SF试件的质量损失率分别为0.22%、0.18%和0.17%。这主要是由于LP和SF的协同作用增强了橡胶–水泥浆体颗粒界面的粘结力，使胶屑更牢固地结合在基体中，减少了胶屑的脱落，从而提高了材料的耐磨性。
3.4. 吸附性能
吸附性测试结果如图4所示。随着胶屑掺量的增加，橡胶水泥砂浆的吸水速率逐渐降低。A5、A10和A15试件在24小时后的吸水速率分别比基准试件R降低了24.3%、43.0%和51.7%。这是因为胶屑的加入增加了混合物中的气孔含量，降低了毛细管压力，从而减少了水分的吸收。
LP预涂胶屑对吸水速率的影响较小，C5、C10和C15试件在24小时后的吸水速率与含有未预涂胶屑的对应试件相近。然而，添加SF后，吸水速率进一步降低。C5 + SF、C10 + SF和C15 + SF试件在24小时后的吸水速率分别比基准试件R降低了29.4%、47.6%和59.2%。这是由于SF的火山灰反应生成了更多的凝胶物质，填充了孔隙，细化了孔径，降低了孔隙的连通性，从而有效提高了材料的抗渗性，减少了水分的吸收。
Figure 4. Test results of adsorbability of mortar specimens with different mix ratios
图4. 不同配合比砂浆试件的吸附性测试结果
4. 结语
本研究通过实验深入探究了石灰石粉预涂胶屑及硅灰两阶段法对橡胶水泥砂浆性能的影响，得出以下主要结论：
(1) 胶屑的加入会降低橡胶水泥砂浆的抗压强度、抗折强度和耐磨性，但石灰石粉预涂胶屑和硅灰的两阶段法能够有效改善橡胶–水泥基质界面，提升材料的力学性能和耐磨性。在含有10% LP预涂胶屑和SF的混合物中，抗压强度与基准相当，抗折强度比基准提高了约10%~19%。
(2) 胶屑的加入降低了橡胶水泥砂浆的吸附性，随着胶屑掺量的增加，吸水速率明显降低。同时，SF的加入进一步提高了材料的抗渗性，使吸水速率降低更为显著，最大降低幅度可达59.2%。
(3) 石灰石粉预涂胶屑及硅灰两阶段法是一种有效的提升橡胶水泥砂浆性能的方法，在实际工程应用中具有潜在的应用价值，为废旧轮胎在建筑材料领域的大规模应用提供了新的途径和理论依据。
未来的研究可以进一步优化两阶段法的工艺参数，探索不同类型橡胶屑和添加剂的组合效果，以及研究该方法在不同环境条件下的长期性能稳定性，为橡胶水泥砂浆的广泛应用提供更全面的技术支持。