橡膠改性機理及對混凝土耐久性能研究概況

姜麗 楊曉波

摘要：將廢舊橡膠顆粒加入混凝土中，既能降低普通混凝土的脆性，同時廢舊輪胎的回收利用問題又得到解決，對利廢、環保、可持續發展均具有深遠影響.首先從抗氯離子腐蝕、抗凍融、抗滲透、抗碳化等方面闡述了橡膠顆粒（未改性）對混凝土耐久性能的影響.考慮到橡膠顆粒與混凝土中水泥基體界面的差異，為了提高二者的粘結強度，當前主要通過對橡膠表面進行改性處理，以提高橡膠表面活性，達到二者界面相容的目的.因此，將橡膠改性處理后再加入混凝土中能進一步提高混凝土的耐久性.最后對該項研究提出一些建議，以期該研究能加快橡膠混凝土的應用和發展.

關鍵詞：改性劑;橡膠顆粒;混凝土;耐久性

中圖分類號：TU528? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）01-0096-04

近年來，我國正處于基礎設施和城市住宅建設的高峰期，資金龐大.但是，根據相關資料，這些項目也將在約30-50年后進入維護期.如果忽視耐久性，后續用于修補加固甚至重建的費用將更巨大.美國學者曾用“五倍定律”來解釋耐久性的重要性，譬如到2020年我國用于軌道交通建設的投資額估計將達4萬億，依據“五倍定律”，若是耐久性不夠，其維護成本將達到數萬億乃至幾十萬億.因此，一定要高度關注混凝土耐久性的重要性，實現混凝土工程的高耐久和長壽命對節約資源、環境保護、實現建筑行業良性發展均有重要意義.

橡膠混凝土利用橡膠粉高彈耐磨的特點將其應用于普通混凝土中，提高混凝土抗拉、抗彎強度的同時，又能彌補普通混凝土脆性強、干燥收縮大，易開裂等不足，同時解決了大量廢橡膠的回收利用問題.自20世紀90年代以來，這項研究一直是世界各國科學研究的焦點.眾多成果表明，橡膠混凝土具有密度低、延性好、抗沖擊能力高、減震降噪以及隔熱等優良性能.但由于橡膠顆粒與粗骨料和膠凝材料之間界面差別很大，橡膠混凝土和普通混凝土在工作性能、機械性能和耐久性等方面有很大差異.

目前國內外對橡膠混凝土工作和力學性能研究較為成熟，而耐久性研究尚未形成統一體系.因此，文中對國內廢舊橡膠顆粒在混凝土耐久性方面的研究近況，膠粉表面改性機理以及對混凝土性能影響進行了梳理總結，以期為下一步研究改性橡膠混凝土的耐久性提供理論依據，為進一步拓寬廢橡膠綜合利用提供參考.

1 橡膠混凝土耐久性能研究概況

1.1 抗氯離子腐蝕性能

葉啟軍[1]等研究表明，隨著應力增加，氯離子滲透系數增大，到達深度40mm后，氯離子不再擴散.隨著時間延長，氯離子侵蝕深度增大，濃度減小.一般前30d侵蝕速度較大，后60d和90d的侵蝕深度和速度都減小，說明氯離子侵蝕到達一定時段后侵蝕保持穩定，由此推測橡膠混凝土在海洋環境中抗氯離子能力較強，其耐久性得到提高.

尤偉[2]研究了海洋大氣環境中（即氯離子腐蝕和碳化耦合作用下）不同細度與摻量下橡膠粉對混凝土抗腐蝕性能影響，結果表明在一定摻量范圍內加入橡膠粉可有效降低腐蝕深度提高混凝土抗侵蝕性.

1.2 抗碳化性能

于群[3]等研究表明，膠粒的加入改善了混凝土內部孔結構，形成大量封閉孔，從而抑制了二氧化碳的侵入，改善了混凝土抗碳化性，且橡膠粒徑越小效果越明顯.

袁群[4]等研究了碳化時間、橡膠顆粒尺寸和摻量對混凝土抗碳化性能影響.結果表明，橡膠混凝土早期抗碳化效果優于后期，1-3mm粒徑效果最好，適宜摻量范圍15%-20%，其次是3-6mm粒徑最佳摻量0-5%，摻60目膠粉混凝土的抗碳化性能最差，摻量越多，性能越差.

1.3 抗凍融性能

周梅[5]等研究指出，膠粒的摻入使混凝土抗凍性得到提高得益于其具備引氣和填充的雙重功能.其中膠粒替代率對動彈模損失率的影響程度大于細度模數對其影響，相對動彈模損失隨膠粒替代率的增加而遞減.替代率相同情況下，膠粒越細混凝土的動彈模損失越小.替代率40%時，橡膠混凝土具有良好抗氯離子滲透、高抗鹽凍性能.

許金余[6]等研究指出，加入適量橡膠粉，可以顯著提高混凝土的抗凍性，但當用量過大時，抗凍性會變差.40目橡膠粉，摻量低于100L/m3時，抗凍性較好.凍融循環次數相同時，粒徑越小，抗凍性越好.

1.4 抗沖磨性能

謝李[7]等用水下鋼球法進行橡膠混凝土抗沖磨實驗，結果表明，影響抗沖磨性能的要素依次是膠粒摻量>水灰比>粒徑大小.水灰比0.4、膠粒摻量15%、膠粒粒徑在2.36～4.75mm時耐磨性能最佳.

亢景付[8]等采用圓環法研究了不同體積分數橡膠粉對混凝土抗沖磨性能影響，發現加入橡膠粉后混凝土磨損量減少，且橡膠粉替代率越大，混凝土抗沖磨強度越高，當橡膠粉替代率為15%時，抗沖磨強度是素混凝土的2.16倍.

1.5 抗滲透性能

路沙沙[9]等研究表明，膠粒摻量相同時，粒徑越大抗滲性越好;粒徑相同時，摻量越大抗滲性越好.其主要原因是橡膠為疏水性材料，粗膠粉具有較強的引氣能力，細孔被切斷，滲透通道延長，毛細現象大大減弱，抗滲性增強.

汪振雙[10]等研究表明，再生混凝土的抗氯離子滲透和抗凍性能均隨膠粒摻量增加和粒徑減小而提高，60目粒徑的最佳摻量為30kg/m3.

許金余[11]等對不同配合比制備的橡膠混凝土進行抗滲試驗，結果表明橡膠混凝土的抗滲性明顯優于基準混凝土，當摻量相同時，橡膠粉粒徑越小，混凝土密實度越高，抗滲性越好.膠粉用量盡可能低于100L/m3，摻量越多抗滲性越差.

綜上表明，橡膠顆粒加入混凝土中與普通混凝土相比耐久性有較大提高，但由于混凝土的親水性與橡膠顆粒的疏水性使二者的粘結性能較弱，致使橡膠混凝土強度下降，制約了橡膠混凝土的應用范圍.

2 橡膠改性機理研究概況

在橡膠混凝土研究過程中，通過對橡膠顆粒表面進行預處理，將橡膠表面的憎水基團通過化學改性轉化為親水性基團，從而增強橡膠顆粒與水泥混凝土界面的相互作用，提高橡膠顆粒與混凝土的粘結強度，最終達到提高橡膠混凝土強度的目的.因此制定經濟有效的改性方法及技術成為該項研究的關鍵所在，常用的橡膠表面改性技術及作用機理如表1所示.

通過表1可以看出，橡膠表面改性以后對橡膠混凝土的強度及耐久性能均有不同程度改善，而這種增強作用與橡膠表面改性效果是否有關？很多學者對橡膠混凝土的孔結構和界面結構進行分析以此驗證與實驗結果的一致性.朱曉斌等[12]從橡膠混凝土斷面上觀察未改性橡膠顆粒與水泥石之間的界面，發現過渡區的水化產物與砂漿和膠粒之間存在明顯分界.于利剛[13]通過壓汞實驗對改性膠粒表面結構和親水性變化進行分析，得出橡膠粉經改性后其憎水親油性發生改變，孔表面粗糙程度得到改善，同等摻量下，改性膠粉的孔隙率和平均孔徑均小于未改性膠粉.并通過粘結實驗和改性膠粉與水泥漿體界面分析發現，膠粉表面覆蓋部分水化產物，說明兩者之間實現了化學鍵結合，因此提高了界面粘結力.劉日鑫[14]通過微觀觀察混凝土斷裂面發現膠粒經改性后與混凝土基體的界面結合情況要優于未改性橡膠混凝土，并通過PTIR紅外分析得出硅烷偶聯劑中的氨基與膠粒中的酚羥基發生反應，偶聯劑與膠粒實現成功“橋接”，使得橡膠混凝土的塑性和沖擊韌性得到明顯提高.

3 改性橡膠混凝土耐久性研究展望

綜上表明，將橡膠表面改性以后再摻入混凝土中的耐久性研究理論可行.而適宜的改性試劑的選擇和優化的配合比設計將會進一步提高橡膠混凝土的耐久性能，已有部分相關報道證實這一結論.

劉娟紅[15]等研究表明，經改性以后，橡膠混凝土彈性模量下降較小.摻10%、15%、20%改性橡膠混凝土的阻尼比與素混凝土相比分別提高了11%、34%、56%.

卞立波[16]研究得出，膠粒表面改性后與混凝土的界面結合情況要好于未改性橡膠混凝土，經150次凍融循環后，摻量15%、20%表面改性的混凝土相對動彈性模量分別為65.1%、60.1%，而未改性混凝土則破壞.

陳振偉[17]等研究顯示，用NaOH溶液和CaCl2溶液處理后的橡膠混凝土抗疲勞性能最優，且在一定摻量范圍內，隨摻量增加，疲勞壽命增速明顯.

在2018第十屆全球汽車產業峰會上國家信息中心副主任徐長明指出，預計2020年，中國汽車保有量將達到6.3億輛.伴隨其后的將是汽車報廢量的大幅增長，根據既有的數據預測指出將在2018-2020年迎來汽車報廢高峰.屆時大量廢舊汽車輪胎的回收利用與閑置堆棄帶來的環境問題將成為社會難題.早在2010年國家工業和信息化部就出臺了《廢舊輪胎綜合利用指導意見》，并把加大橡膠在建筑等領域的推廣應用力度作為重點任務.十九大報告中“環境”一詞更是出現了29次，“資源”出現了13次，說明綠色循環經濟建設的好壞與否已是關乎民族未來的大事.因此，現階段開展廢舊輪胎橡膠顆粒對混凝土耐久性研究，不僅對建設資源節約型和環境友好型社會有益，而且對確保中國國民經濟的可持續發展具有戰略意義.

4 結論

當前，橡膠混凝土研究已取得階段性的成果.橡膠的摻入不但能改善混凝土的韌性、耐久性等性能，并且能夠大量消耗廢橡膠，為廢橡膠的資源化利用開拓新途徑.對橡膠混凝土耐久性進行研究的終極目的是工程應用，為達到此目的，可在以下方面進一步開展研究：

（1）當前對耐久性研究的深度還不夠，尤其是改性劑的作用機理和界面微觀研究亟待加強.

（2）當前研究主要考慮了高溫、低溫、氯鹽腐蝕、混凝土碳化等單因素對耐久性的影響，而多要素耦合作用下的相關研究還很奇缺，應努力創建內容完整的一套體系，最終實現結構安全耐久.

（3）目前還沒有能用于工程實際且價格低廉性能更優的改性試劑的報道，因此在改性試劑配制和混凝土配合比優化設計上應再深入研究，在符合經濟效益滿足強度要求的條件下將橡膠混凝土應用到要求更高的工程領域.

參考文獻：

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