一种基于废旧轮胎橡胶粉的聚丙烯纤维泡沫轻质土及其制备方法和应用

摘要

本发明提供一种基于废旧轮胎橡胶粉的聚丙烯纤维泡沫轻质土及其制备方法和应用，属于建筑材料制备技术领域。经研究发现，橡胶粉具有较好的抗冲击性能，可考虑将橡胶粉加入到泡沫轻质土中来既能提高抗震性能又能回收利用橡胶轮胎，不失为一种较好的解决方法。此外，聚丙烯纤维具有较高的强度和弹性模量、分散快、与水泥表面握裹力强，其加入到泡沫轻质土中可以提高抗折强度，可以增加轻质土的韧性及止裂性能，还可以提高轻质土的抗疲劳、抗震、冻融性能，阻止混凝土开裂。聚丙烯纤维能和橡胶粉一起作用，提高抗冲击性能，因此具有良好的实际应用之价值。

说明书

技术领域

本发明属于建筑材料制备技术领域，具体涉及一种基于废旧轮胎橡胶粉的聚丙烯纤维泡沫轻质土及其制备方法和应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

在未来的较长时期内，我国仍将处于大规模基础设施建设阶段。然而，受线位约束的影响，工程建设中不可避免地会出现大量高填、深挖、高陡、拓宽、沿河等特殊路基，进而引发永久占地多、土料用量大、建设费用高、环境破坏严重等诸多社会、经济与环境问题，因此，发展土地高效节约利用技术已成为我国基础设施建设中亟需解决的重大课题。

相比较，泡沫轻质土路基由于具有自重轻、抗压强度高、自立性强、施工便捷、适用性广等特点，而在交通基础设施建设中具有广阔的应用前景。目前，关于路基中的泡沫轻质土应用主要以水泥发泡轻质土、水泥粉煤灰发泡轻质土为主，其他还包括掺加细砂、粉土、黏土、纤维等材料替代部分水泥，降低水泥用量，减少施工成本。然而，轻质土路基属于刚性体材料，在服役过程中，会经受明显的交通动荷载影响，尤其在与桥梁、涵洞等结构物连接处，还会承受较大的冲击荷载。相关研究表明，在较大的交通动荷载作用下，轻质土孔隙结构会受到累积损伤而影响其疲劳寿命。因此，如何通过改变材料配比，提高水泥基泡沫轻质土的减震特性成为其推广应用的核心技术问题之一。

我国道路工程迅猛发展侧面反映了人们的生活水平提高，对生活质量的要求也相应提高，用汽车代步是当代人们生活的真实写照，汽车已然称为人类文明进步的必需品。据不完全统计，2020年1-11月全国橡胶轮胎外胎产量为74448.9万条。在汽车保有量逐年增加、汽车的报废和车型的更替等客观因素影响下，每年轮胎的报废率还会保持在6％～8％之间。将废旧轮胎和其他废弃物一起焚烧以蒸汽或电力的形式回收能量，虽可大量处理废旧轮胎，但资源利用率不高，只能回收约42％的能源。所以废旧轮胎橡胶存在大量堆放的问题，此外，轮胎橡胶难以被生物降解，处理成本较高，带来二次污染，资源的浪费，且危害居民健康，亟需一种合理的解决办法。

发明内容

基于上述现有技术的不足，本发明提供一种基于废旧轮胎橡胶粉的聚丙烯纤维泡沫轻质土及其制备方法和应用。经研究发现，橡胶粉具有较好的抗冲击性能，可考虑将橡胶粉加入到泡沫轻质土中来既能提高抗震性能又能回收利用橡胶轮胎，不失为一种较好的解决方法。此外，聚丙烯纤维具有较高的强度和弹性模量、分散快、与水泥表面握裹力强，其加入到泡沫轻质土中可以提高抗折强度，可以增加轻质土的韧性及止裂性能，还可以提高轻质土的抗疲劳、抗震、冻融性能，阻止混凝土开裂。聚丙烯纤维能和橡胶粉一起作用，提高抗冲击性能，基于上述研究，从而制备一种基于废旧轮胎橡胶粉的聚丙烯纤维泡沫轻质土，因此具有良好的实际应用之价值。

本发明的第一个方面，提供一种基于废旧轮胎橡胶粉的聚丙烯纤维泡沫轻质土，所述轻质土，由以下质量份数的组分制成：

废旧轮胎橡胶粉18-90.472份，水泥219-545份，水159-278份，泡沫18-44份，聚丙烯纤维0.91-2.73份。

本发明的第二个方面，提供上述基于废旧轮胎橡胶粉的聚丙烯纤维泡沫轻质土的制备方法，所述方法包括：

将称量好的水、橡胶、聚丙烯纤维搅拌混合均匀得混合浆料；向混合浆料中加入称量好的水泥并继续搅拌，混合均匀；然后向其中加入泡沫并继续搅拌，即得。

本发明以不同粒径大小及不同掺量的废旧橡胶轮胎粉为掺合料，加入到由水泥、水、泡沫混合而成的泡沫轻质土中，利用废旧轮胎橡胶粉的疏水性、抗冲击性、吸能性以及不与水泥水化产物反应的性能，可改善泡沫轻质土的抗冲击性能；利用聚丙烯纤维具有较强的韧性，提高轻质土的抗折强度和抗冲击性能，阻止混凝土开裂。可用于桥头跳车、机场跑道、柔性防撞等受冲击较大的结构。

因此，本发明的第三个方面，提供上述基于废旧轮胎橡胶粉的聚丙烯纤维泡沫轻质土在作为建筑材料中的应用。

所述建筑材料可用于受冲击较大的结构，包括桥头跳车、机场跑道或柔性防撞设施等。

上述一个或多个技术方案的有益技术效果：

1)上述技术方案首次将废旧轮胎橡胶粉和聚丙烯纤维应用于泡沫轻质土中，提供一种回收利用废旧轮胎橡胶制备的聚丙烯纤维泡沫轻质土的方法。该方法不仅为解决废旧轮胎堆积问题提供了解决方案，充分利用固体废弃物，保护环境，用橡胶粉替代水泥，还大大降低了成本。其制备的聚丙烯纤维泡沫轻质土的静力学指标满足路基填筑要求，既具有经济效益，又具有社会效益。

2)上述技术方案所述的基于废旧轮胎橡胶粉的聚丙烯纤维泡沫轻质土因添加废旧轮胎橡胶提高了抗冲击性能，因添加聚丙烯纤维后有效缓解了因为橡胶颗粒的不亲水性引起的强度降低，提高了抗折强度，具有较好的增韧止裂性能，同时还能提高抗冲击性能。

3)道路的下坡路段多为事故高发路段，基于废旧轮胎橡胶粉的聚丙烯纤维泡沫轻质土较其他混凝土具有较高的抗冲击性能，吸能性更高。可将废旧轮胎橡胶粉聚丙烯纤维泡沫轻质土用于下坡沿线防护，作为柔性防撞设施。

4)整体上来说，对于小粒径的废旧轮胎橡胶粉，适用于大体积聚丙烯纤维泡沫轻质土。废旧橡胶轮胎粉掺量较大时，作为不承压结构，可起填充作用。因此可用于软基回填或采空区充填处理。

5)整体上来说，对于大粒径的废旧轮胎橡胶粉，动静力学性能优于小粒径的废旧轮胎橡胶粉，可用于路床的台背回填中，发挥其冲击效应和吸能效应。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例1中不同粒径废旧轮胎橡胶粉获得的轻质土的无侧限抗压强度；

图2是本发明实施例2中轻质土施用方式示意图；

其中，1-台身，2-基于废旧轮胎橡胶粉的聚丙烯纤维泡沫轻质土，3-填土。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明的一个典型具体实施方式中，提供一种基于废旧轮胎橡胶粉的聚丙烯纤维泡沫轻质土，所述轻质土，由以下质量份数的组分制成：

废旧轮胎橡胶粉18-90.472份，水泥219-545份，水159-278份，泡沫18-44份，聚丙烯纤维0.91-2.73份。

本发明的又一具体实施方式中，所述泡沫是由复合发泡剂稀释为发泡液，并由发泡机将空气引入发泡剂溶液中制成，所述发泡液稀释倍数为40-50倍，发泡倍率为650-1000倍，计算可得到发泡剂的标准泡沫密度为40-76.9kg/m

本发明的又一具体实施方式中，所述水泥可以是42.5普通硅酸盐水泥，符合标准《通用硅酸盐水泥》GB175-2020。

本发明的又一具体实施方式中，所述废旧轮胎橡胶粉先采用机器制成条带状，再采用橡胶切粒机将条带橡胶切割成块状，再采用橡胶粉碎机和橡胶磨粉机制成。将制成的橡胶粉经清水冲洗、晾晒后即可使用。

本发明的又一具体实施方式中，所述废旧轮胎橡胶粉包括大粒径废旧轮胎橡胶粉和/或小粒径废旧轮胎橡胶粉；而大粒径变化范围控制为1-3mm、3-6mm、5-10mm、10-20mm，小粒径变化范围为30-200目(如100目、60目)；更具体的，任意选取两种粒径，所占质量比例份数分别为x，y；其中，0≤x≤90.472份，y＝90.472-x份；需要说明的是，x可以是大粒径废旧轮胎橡胶粉或小粒径橡胶粉中的任意一种，y可以是大粒径废旧轮胎橡胶粉或小粒径橡胶粉中的任意一种，因此，x和y可以相同。

本发明的又一具体实施方式中，所述废旧轮胎橡胶粉包括1-3mm废旧轮胎橡胶粉和100目废旧轮胎橡胶粉，二者质量比为1：1。

本发明的又一具体实施方式中，所述废旧轮胎橡胶粉可经过预处理获得，从而进一步提高其强度，所述预处理方法具体包括：将所述废旧轮胎橡胶粉经过浓度为8-12％(优选为10％)的NaOH溶液中浸泡1～5h，用水冲洗并干燥12～36小时，采用上述方法处理，其强度提高幅度在9.6％-31.6％之间。

本发明的又一具体实施方式中，所述聚丙烯纤维直径为18-48μm，长度为3-19mm，弹性模量>4.8GPa，抗拉强度>486MPa，拉伸极限>150％，导热性低，抗低温性强，熔点>165℃，密度约为910kg/m

本发明的又一具体实施方式中，提供上述基于废旧轮胎橡胶粉的聚丙烯纤维泡沫轻质土的制备方法，所述方法包括：

将称量好的水、橡胶、聚丙烯纤维搅拌混合均匀得混合浆料；向混合浆料中加入称量好的水泥并继续搅拌，混合均匀；然后向其中加入泡沫并继续搅拌，即得。

本发明以不同粒径大小及不同掺量的废旧橡胶轮胎粉为掺合料，加入到由水泥、水、泡沫混合而成的泡沫轻质土中，利用废旧轮胎橡胶粉的疏水性、抗冲击性、吸能性以及不与水泥水化产物反应的性能，可改善泡沫轻质土的抗冲击性能；利用聚丙烯纤维具有较强的韧性，提高轻质土的抗折强度和抗冲击性能，阻止混凝土开裂。可用于桥头跳车、机场跑道、柔性防撞等受冲击较大的结构。

因此，本发明的又一具体实施方式中，提供上述基于废旧轮胎橡胶粉的聚丙烯纤维泡沫轻质土在作为建筑材料中的应用。

所述建筑材料可用于受冲击较大的结构，包括桥头跳车、机场跑道或柔性防撞设施等。

以下通过实施例对本发明做进一步解释说明，但不构成对本发明的限制。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

1)一种基于废旧轮胎橡胶粉的聚丙烯纤维泡沫轻质土，以水胶比0.50，按照重量份数计，具体包括如下组分：

①废旧轮胎橡胶粉22份、水泥419份、水220.5份，泡沫38.4份，聚丙烯纤维1.82份。

②废旧轮胎橡胶粉44.2份，水泥397.8份，水221份，泡沫36.98份，聚丙烯纤维1.82份。

③废旧轮胎橡胶粉66.4份，水泥376.5份，水221.49份，泡沫35.5份，聚丙烯纤维1.82份。

④废旧轮胎橡胶粉88.79份，水泥355.2份，水221.98份，泡沫34份，聚丙烯纤维1.82份。

2)单一掺加橡胶粉，粒径分别为1-3mm和100目；混掺橡胶粉的粒径分别为1-3mm和100目，1-3mm和3-6mm，100目和60目，橡胶粉掺量为两种粒径平均分配，均按1)中①-④组分配制基于废旧轮胎橡胶粉的聚丙烯纤维泡沫轻质土，且1)中①-④废旧轮胎橡胶粉的份数为总份数；所述废旧轮胎橡胶粉均经过浓度为10％的NaOH溶液中喷淋3h，再喷淋清水0.5h，并用鼓风机干燥24小时。

3)将1)中所述的废旧轮胎橡胶粉、水泥、水、聚丙烯纤维称取好，并用烧杯量取发泡剂200mL，按40倍稀释。

4)先将3)中配制好的发泡剂用发泡机制成泡沫，并用已去皮的密度测量筒测其密度是否达到62.5kg/m

5)待泡沫密度达到要求后，向称取好的水中加入橡胶粉、聚丙烯纤维，用搅拌机搅拌的同时加入称取好的水泥，继续搅拌，搅拌至均匀，且混合物处于比较粘稠状态，停止搅拌。

6)称取新拌混合物测其密度及流值，待符合要求后浇筑于100mm×100mm×100mm的三联模具中，该模具已事先放入100mm×100mm的铁片，并刷上机油，以防脱模时掉角，每组设置3个平行试验。

7)将模具用新拌基于废旧轮胎橡胶粉的聚丙烯纤维泡沫轻质土填满后，刮平，并用保鲜膜将模具上方盖住，放入养护室中养护2-3天，脱模后继续养护。

8)养护28天，测其无侧限抗压强度，粒径为100目的无侧限抗压强度为1.3973-2.4685；粒径为60目的无侧限抗压强度为1.4142-2.3827；粒径为1-3mm的无侧限抗压强度为1.4429-3.1031；混掺粒径为1-3mm和100目的无侧限抗压强度为1.6275-3.3561；混掺粒径为1-3mm和3-6mm的无侧限抗压强度为1.5847-3.2848；混掺粒径为100目和60目的无侧限抗压强度为1.5267-3.2164；

实施例2

1)一种基于废旧轮胎橡胶粉的聚丙烯纤维泡沫轻质土，按照重量份数计，具体包括如下组分：废旧轮胎橡胶粉(优选混掺)66.45份，水泥376.5份，水221.5份，泡沫35.5份，聚丙烯纤维1.82份。其中废旧轮胎橡胶粉经过浓度为10％的NaOH溶液中喷淋3h，再喷淋清水0.5h，并用鼓风机干燥24小时。

2)首先进行基槽清理，排干积水，清除淤泥，清除台背回填范围内的杂物和不适宜材料，挖除坡面上松散的路基土。在桥台或涵洞两端，用袋装砂包堵筑以形成台背回填基槽。

3)下一台阶回填完毕后，再进行上一台阶的开挖，以保证回填结合处路基土的密实度。

4)将1)中所述的组分集中均匀混合、搅拌，保证新拌的混合物密度达到700kg/m

5)台阶两侧支立模板，并将新拌混合物采用泵送形式泵送至需回填处，废旧轮胎橡胶粉聚丙烯纤维泡沫轻质土一次浇筑高度为80cm，若回填高度大于80cm，则分层铺筑；若回填高度不满80cm，则一次性浇筑完成。

6)在饱水情况下，采用插振法(如插入式振动棒)及平振法(如平板振动器)相结合的施工方法，做到表面平整美观，内在密实可靠。

7)台背回填浇筑完成后，需洒水养护，待表面抗压强度达0.8MPa以上即可。

对比例1：泡沫轻质土的组分含量如下：398份水泥、0份橡胶粉(100目)、221份水、37份泡沫、0份聚丙烯纤维。

对比例2：泡沫轻质土的组分含量如下：398份水泥、44.2份橡胶粉(100目)、221份水、37份泡沫、0份聚丙烯纤维。

对比例3：泡沫轻质土的组分含量如下：398份水泥、44.2份橡胶粉(1-3mm)、221份水、37份泡沫、0份聚丙烯纤维。

对比例4：泡沫轻质土的组分含量如下：398份水泥、44.2份橡胶粉(1-3mm和100目，所占比例份数平分44.2份橡胶粉)、221份水、37份泡沫、0份聚丙烯纤维。

对比例5：泡沫轻质土的组分含量如下：398份水泥、44.2份橡胶粉(100目)、221份水、37份泡沫、0.91份聚丙烯纤维。

对比例6：泡沫轻质土的组分含量如下：398份水泥、44.2份橡胶粉(1-3mm和100目，所占比例份数平分44.2份橡胶粉)、221份水、37份泡沫、0.91份聚丙烯纤维。

对比例7：泡沫轻质土的组分含量如下：398份水泥、44.2份橡胶粉(100目)、221份水、37份泡沫、1.82份聚丙烯纤维。

对比例8：泡沫轻质土的组分含量如下：398份水泥、44.2份橡胶粉(1-3mm和100目，所占比例份数平分44.2份橡胶粉)、221份水、37份泡沫、1.82份聚丙烯纤维。

对比例9：泡沫轻质土的组分含量如下：398份水泥、44.2份橡胶粉(100目)、221份水、37份泡沫、2.73份聚丙烯纤维。

对比例10：泡沫轻质土的组分含量如下：398份水泥、44.2份橡胶粉(1-3mm和100目，所占比例份数平分44.2份橡胶粉)、221份水、37份泡沫、2.73份聚丙烯纤维。

对比例11：泡沫轻质土的组分含量如下：398份水泥、44.2份橡胶粉(100目)、221份水、37份泡沫、1.82份聚丙烯纤维。

对比例12：泡沫轻质土的组分含量如下：398份水泥、44.2份橡胶粉(1-3mm和100目，所占比例份数平分44.2份橡胶粉)、221份水、37份泡沫、1.82份聚丙烯纤维。

需要说明的是，上述对比例中，除对比例5之外，其余对比例中使用的橡胶粉均经过浓度为10％的NaOH溶液中喷淋3h，再喷淋清水0.5h，并用鼓风机干燥24小时。

表1不同粒径下的抗冲击性能

表2不同纤维掺量下的抗折强度

表3不同纤维掺量下的抗冲击性能

表4经NaOH溶液处理后的抗压强度

由表1得，单一掺加橡胶粉的轻质土比无掺加轻质土的抗冲击性能提高26.1％和34.83％，分别对应的是小粒径和大粒径。混掺橡胶粉的轻质土的抗冲击性能分别比单一掺加小粒径和大粒径的轻质土提高15.52％和8％。这说明掺加橡胶粉可提高抗冲击性能。由表2得，掺加纤维的橡胶轻质土比无掺加轻质土的抗折强度最少提高7.3％。其中，掺0.2％的橡胶轻质土效果最好，尤其是在混掺轻质土中，所得的抗折强度更高。由表3得，掺加纤维后的橡胶轻质土较只掺加橡胶的轻质土抗冲击性能提高6.9％-19％。表明，掺加纤维不仅可以提高抗折强度，还能进一步提高抗冲击性能。由表4得，经10％NaOH溶液处理过的橡胶粉掺入轻质土中比未处理过的性能好。综上所述，本发明所制备的基于废旧轮胎橡胶粉的聚丙烯纤维泡沫轻质土相较于普通轻质土具有更好的路用性能，尤其是体现在抗压强度、抗折强度、抗冲击性能上。

通过图1可以看出，任一工况的抗压强度都随着掺量的增加而减小。在单一掺加橡胶粉时，大粒径的抗压强度要大于小粒径的抗压强度，但在小粒径中，橡胶掺量＜44.2份时，目数越大抗压强度越大；橡胶掺量≥44.2份时，目数越大抗压强度越小。当大粒径与小粒径的橡胶粉混掺时，效果要比单一掺加橡胶粉好，最好的是大粒径与小粒径的混掺，其次是不同大粒径之间的混掺，最后是不同小粒径之间的混掺。

最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。