橡膠混凝土工作、力學與耐久性能研究綜述

王 菲

（陜西交通職業技術學院 公路與鐵道工程學院，陜西西安710018）

21 世紀以來，全球汽車工業呈現出迅猛發展之勢，然而相伴隨的是大量廢舊輪胎亟待處理。這些廢舊輪胎已嚴重威脅到人類的生存環境，若對其進行堆積、填埋或焚燒處理，只會加重環境污染[1]。因此，最好的辦法是將廢舊輪胎回收、加工與處理之后再次利用[2]。目前，廢舊輪胎回收利用已被列入《中國21 世紀議程》方案之中，且規劃至循環經濟重點發展領域。

將廢舊輪胎制成橡膠顆粒，作為骨料摻入到混凝土中，可制成土木工程復合材料橡膠混凝土。橡膠顆粒主要通過物理作用將混凝土內部結構優化，不會使混凝土中各種材料的化學性能發生變化。用廢舊橡膠顆粒與混凝土共同制備橡膠混凝土，是一種環境友好的資源再利用方式，既可大量利用廢舊輪胎，又能為混凝土固有脆性問題的解決提供新方法[3]。國內外學者在此方面展開了豐富的研究，發現了橡膠混凝土的很多性能優勢，文章主要對橡膠混凝土在工作性能、力學性能以及耐久性能等方面的國內外研究進行綜述。

1 橡膠混凝土工作性能研究

廢舊橡膠顆粒的形狀、表面粗糙度以及尺寸等均會對橡膠混凝土的工作性能產生很大的影響，不同學者在這一方面的研究結果存在一定的差別。多數學者研究表明，與橡膠顆粒摻量的不斷增加相伴隨，橡膠混凝土的坍落度會減小，這會對其工作性能產生負面影響[4-5]。究其原因，在于橡膠顆粒的表面形狀是鋸齒狀的，會使拌合物之間的摩擦力變大，且橡膠憎水性比較強，會令很多空氣吸附于橡膠顆粒表面，使混凝土中的空氣含量增加。Khatib[6]進一步研究指出，橡膠混凝土的坍落度會隨著橡膠顆粒摻入量的增加而減少，當橡膠顆粒含量增加至骨料總體積的40% 時，橡膠混凝土的坍落度會近乎降至零，此時，無法進一步開展人工攪拌工作，為確保試件的密實性，必須對其進行振搗處理。但是，少數學者得出與上述研究不同的結論。Benazzouk 等[7]提出，隨著橡膠顆粒摻量的不斷增加，橡膠混凝土坍落度呈現出逐漸上升的變化趨勢。王軍軍[8]研究顯示，若采用20目橡膠顆粒將相同體積的細集料替代，橡膠混凝土的坍落度會隨著橡膠顆粒摻入量的不斷增加呈現出先上升后降低的趨勢，但不管怎么變化，都大于未摻橡膠顆粒的混凝土的坍落度。

此外，學者研究還發現，分別將大粒徑橡膠顆粒、小粒徑橡膠顆粒、兩種粒徑橡膠顆粒混合物摻入混凝土中，摻入小粒徑橡膠顆粒的橡膠混凝土工作性能在3 組中表現最佳，而因為橡膠顆粒密度比較小，在實驗環節若是等體積替代，隨著摻入量的不斷增加，混凝土中砂、石等骨料的含量會減少，這會使橡膠混凝土密度降低[9]。

2 橡膠混凝土力學性能研究

2.1 強度研究

學者圍繞橡膠混凝土抗壓強度展開的研究普遍認為，若將橡膠顆粒加入至混凝土中，隨著橡膠顆粒摻量的不斷增加，橡膠混凝土的抗壓抗折強度會逐漸減小[10-11]。作為一種有機材料，橡膠顆粒同無機材料水泥之間并不能實現較好的粘結，主要原因在于橡膠混凝土的強度會隨著橡膠顆粒摻量的增加而減小。橡膠顆粒粒徑、形狀等不同，它們對橡膠混凝土強度的降低也會存在差異。Ali 等[12]研究指出，摻加細膠粉的橡膠混凝土抗壓強度降低幅度要小于摻加粗膠粉的橡膠混凝土抗壓強度降低幅度。李偉等[13]通過多組試驗證明，相較于摻加膠粒的橡膠混凝土而言，摻加膠粉組的橡膠混凝土抗壓強度降低更為明顯，摻加膠粒組的橡膠混凝土性能更佳，且隨著橡膠顆粒摻量的不斷增加，會出現一定的早強效應。付傳清[14]認為橡膠顆粒的齡期也會影響橡膠混凝土的強度，隨著齡期的延長，橡膠顆粒會更加密實地同水泥水化產物結合，這有利于橡膠混凝土強度的提升。

橡膠混凝土可以作為結構材料的前提是有較高的強度，橡膠顆粒在混凝土中的摻加會將混凝土強度降低，進而對其應用形成制約，所以有必要采取相應措施將橡膠混凝土強度提高。而為了達到優化橡膠顆粒與水泥石粘結性能，進而提高強度這一目的，學者們提出了相關觀點：（1）用水浸泡橡膠，將其表面的污物去除，該方法原理簡單，操作起來也很方便，無需高費用支出，然而，此方法對橡膠混凝土強度的增強作用并不明顯。如Neil等[15]用水浸泡橡膠，結果發現橡膠混凝土的抗壓強度僅比未處理之前增加了16%。（2）無機改性，即采用各種酸性或堿性溶液腐蝕橡膠混凝土，通過橡膠顆粒表面粗糙度的增加實現對橡膠顆粒同水泥基體粘結性能的增強。Segre 等[16]用NaOH 溶液浸泡處理橡膠顆粒，降低了橡膠顆粒中添加劑硬脂酸鋅的含量，提高了橡膠混凝土的強度。田帥等[17]采用多種無機改性劑進行橡膠混凝土改性試驗，發現無機鹽對橡膠混凝土的改性效果最好。對于橡膠混凝土來說，無機改性比較容易實現，也符合環保要求，但其無法從本質上將橡膠同水泥砂漿之間的粘接性能優化。（3）有機改性，含各種有機溶劑與偶聯劑，有機溶劑改性是利用一些有機溶劑同水泥基體發生物理或化學作用；偶聯劑改性則是偶聯劑分子中的水解基團水解后同無機物表面羥基結合，有機基團同有機物結合，使偶聯劑在無機物同有機物之間形成化學鍵結合。李悅等[18]通過硅烷改性的苯丙聚合物乳液X、苯丙聚合物乳液Y 以及硅烷偶聯劑KH-550 改性處理橡膠混凝土，斷定橡膠集料界面改性能增強橡膠混凝土強度，其中硅烷改性苯丙乳液的改性效果最好。

2.2 應力應變曲線研究

橡膠混凝土具有增韌減脆的特點，其斷裂程度表現出塑性破壞的狀態，這與普通混凝土并不相同，且其能量吸收要比普通混凝土高[19]。董建偉等[20]指出，普通混凝土極限拉伸應變為1×10-4，橡膠混凝土是其2 倍。馮文賢等[21]以橡膠混凝土為對象實施單軸受壓試驗，得到橡膠混凝土的應力- 應變曲線及單軸受壓本構方差，發現曲線上升段本構參數A 與曲線下降段本構參數a 隨橡膠顆粒摻量增加不斷變小，橡膠顆粒的粒徑不會對參數A 與a 產生較大的影響。王婧一等等[22]以橡膠混凝土與普通混凝土為對象實施單軸受壓對比試驗，得到兩者的應力- 應變曲線，發現前者單軸受壓應變峰值分別是后者的 1.74 與1.92 倍。

3 橡膠混凝土耐久性能研究

混凝土耐久性指的是混凝土對外界環境進行抵制，同時長期保持自身良好的使用性能與外觀完整性，維持結構安全以及正常使用的能力[23]。欠缺耐久性，混凝土結構物會在計劃使用壽命之前損壞，出現質量事故。作為一種新型的土木工程材料，橡膠混凝土的耐久性同樣會對其結構物的使用壽命產生直接的影響，以下從抗滲性與抗凍性兩方面介紹橡膠混凝土耐久性的研究進展。

3.1 抗滲性研究

Oikonomou 等[24]研究指出，用橡膠顆粒替代細集料摻入水泥砂漿中，會大幅度優化水泥砂漿的氯離子滲透性，且此效果會在橡膠顆粒摻量達12.5% 時最佳。馮凌云等[25]從溫度方面分析了橡膠混凝土氯離子滲透性所受的影響，發現高溫在氯離子滲透過程中發揮著加速作用，當橡膠顆粒摻量為7% 時，橡膠混凝土的抗氯離子滲透性比較理想。張亞梅等[26]研究指出，在橡膠顆粒摻量不大于10% 時，橡膠混凝土的抗滲性會隨摻量增加而提升，而橡膠顆粒摻量超過10%，橡膠混凝土抗滲性會隨摻量增加而降低。田艷鳳等[27]研究顯示，橡膠顆粒摻量在125L 的范圍內會對混凝土抗滲性產生優化作用，粒徑不同，橡膠顆粒對混凝土抗滲性的優化效果存在差異，橡膠顆粒粒徑越小，混凝土抗滲性越佳，原因在于橡膠顆粒摻入混凝土中會對其內部孔隙進行填充，且粒徑越小，填充效果會越好，混凝土毛細孔隙率相對也會越低，故抗滲性能越理想。

3.2 抗凍性研究

Richardson 等[28]指出，橡膠顆粒摻量為0.6%，橡膠混凝土的抗凍性會明顯優化。王濤等[29]試驗顯示，摻入橡膠顆粒之后，橡膠混凝土抗凍性被優化，80 目橡膠顆粒摻量在（30～90）kg·m-3時，橡膠混凝土抗凍性會隨橡膠顆粒摻量的增加不斷增強。張亞梅等[30]研究發現，橡膠顆粒的粒徑也會對橡膠混凝土的抗凍性產生影響，粒徑為（3～4）mm 的較粗橡膠顆粒并不會對橡膠混凝土的抗凍性產生明顯的改善作用，而粒徑為140μm 的較細橡膠顆粒則能有效將橡膠混凝土抗凍性提升，此外，在合適摻量下，橡膠顆粒的加入還會將混凝土在水與NaCl 溶液中的抗凍性提升。

4 橡膠混凝土應用領域研究

普通混凝土大多具有脆性大、易開裂、抗環境侵蝕能力低等劣勢，這成為土木工程領域的大難題，在橡膠混凝土出現以后，混凝土落實以及廢舊輪胎污染的難題都得到了解決，各國學者與業界人士均積極推進橡膠混凝土的工程應用及相關研究。Piti 等[31]對橡膠混凝土預制板具有的隔熱性進行試驗與分析，提出當摻入10%、20%、30% 的橡膠顆粒時，橡膠混凝土預制板的熱傳導性能均比較低，可作為保溫隔熱材料應用于屋面建筑物中。Hernandez-Olivares 等[32]進行剛性橡膠混凝土路面的鋪設，并試驗分析其抗疲勞性能，具體地，試驗利用摻量為0%、3.5%、5% 的橡膠顆粒鋪設剛性路面，在馬德里自然條件下使用一段時間，結果表明橡膠混凝土相較于普通混凝土而言，耐久性提高約5%。史巍等[33]研究表明，與普通混凝土樓板相比，橡膠混凝土樓板的隔音效果更好，以對強度的保證為前提，在修筑樓房中應用橡膠混凝土可滿足生態建筑所提要求。田帥等[34]指出，橡膠混凝土的導熱系數比普通混凝土要低，將橡膠顆粒作為隔熱材料摻入混凝土中，可在橋梁路面取得良好的隔熱效果，當橋面下層材料用橡膠顆粒摻量為4%的橡膠混凝土替代時，橋梁路面的溫度基數減控系數可達28.5%。

根據已有研究成果，橡膠混凝土基于其明顯優勢而在公路、鐵路、建筑等領域有著相對廣闊的應用前景。

4.1 公路方面的應用

基于變形能力、抗沖擊性能、吸聲性與耐久性等優勢，橡膠混凝土越來越多地被應用于道路施工工程實例中。1997 年，美國明文規定路面施工必須保證大于20%的橡膠顆粒用量；2003 年，亞利桑那州北部建成全球首條橡膠集料混凝土路面。2005 年，我國建成全球首個橡膠混凝土澆筑的高速公路收費站[35]。

4.2 鐵路方面的應用

韓國用廢舊輪胎制成橡膠顆粒與膠粉，同水泥、砂石等材料混合制成鐵路枕木，質輕、抗沖擊、耐疲勞、耐腐蝕等優勢突出，當列車在此類枕木上運行時，不會有很大的噪音與顛簸現象。自此，該技術被歐美等國家陸續應用于鐵路工程施工之中，實踐表明，該類橡膠混凝土枕木還有壽命長、維修率低等優勢，可大幅度削減后期運行維護成本。

4.3 建筑方面的應用

橡膠混凝土抗沖擊韌性、減震性與吸聲隔熱優勢明顯，十分適于用作建筑材料。用橡膠顆粒將部分骨料替代，還會降低市場上混凝土的價格。雖然目前在建筑領域的應用尚處于研究階段，但不容置疑，橡膠混凝土有著樂觀的市場前景。

5 結論

用廢舊輪胎制成橡膠顆粒，利用橡膠顆粒的高彈性、表面憎水性將混凝土脆性、耐久性優化，這是橡膠混凝土的特點。然而，廢舊輪胎制成的橡膠顆粒對混凝土的強度性能發揮著降低的作用，這在較大程度上限制了橡膠混凝土的實際應用。為了將橡膠顆粒的性能優勢更好地發揮出來，克服或削弱其缺點，擴大橡膠混凝土在實際工程中的應用率，學者們應在以下方面進行更加深入的研究：（1）把握橡膠改善混凝土性能的機理，為橡膠混凝土組成的優化設計提供理論借鑒；（2）把握橡膠混凝土界面結構與形成機理，為橡膠混凝土界面的優化提供理論借鑒；（3）通過橡膠顆粒表面改性與混凝土組分設計，以對強度的滿足為前提在阻尼抗震、抗沖擊性能等更高要求領域應用橡膠混凝土。