廢輪胎橡膠集料路用界面處理及摻量研究進(jìn)展

（重慶電訊職業(yè)學(xué)院，重慶 402247）

0 引言

我國(guó)是橡膠消耗大國(guó)，至2018年，大約有20%以上的廢舊輪胎沒(méi)被利用，長(zhǎng)期堆放，難以降解，成為黑色污染源。到2020年，我國(guó)廢棄輪胎產(chǎn)生量達(dá)到2000萬(wàn)噸。橡膠顆粒具有強(qiáng)度低、彈性變形能力強(qiáng)的特點(diǎn)。水泥混凝土因其抗壓強(qiáng)度高、耐久、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)一直是建筑材料的優(yōu)選，但是較柔性路面來(lái)說(shuō)，其易開(kāi)裂，減震差、耐疲勞性不好。因?yàn)檫@些缺點(diǎn)制約了它在道路上的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者結(jié)合橡膠的特點(diǎn)，秉著廢物再利用的理念，將廢舊輪胎磨碎成顆粒或粉狀摻入到水泥混凝土發(fā)揮橡膠的柔韌性，使得水泥混凝土素有的塑性和脆性得到了改善。

1 廢輪胎橡膠集料路用需要考慮的因素

由于學(xué)者們[1-3]普遍認(rèn)為廢舊橡膠的摻入會(huì)影響到混凝土的基本性能，如抗壓、抗折強(qiáng)度這就導(dǎo)致橡膠混凝土在道路中不能得到有效的運(yùn)用。考慮到混凝土基本性能的影響，橡膠混凝在在道路應(yīng)用中應(yīng)注意以下問(wèn)題：

1.1 橡膠顆粒的表面處理

混凝土在使用的過(guò)程中基本都是帶縫工作的，其中的縫隙很大一部分來(lái)源于集料與膠凝材料之間的界面，其對(duì)混凝土的整體性能都起著至關(guān)重要的作用。界面區(qū)的強(qiáng)度越低則混凝土損失的強(qiáng)度也會(huì)隨著越大。另一方面，由于廢舊輪胎顆粒的摻入，混凝土內(nèi)部孔隙的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變，這同樣會(huì)引起強(qiáng)度的降低。

廢舊輪胎表面的化學(xué)組成是天然橡膠、順丁橡膠以及丁苯橡膠。在輪胎的制作過(guò)程中為了使得橡膠具有更好的耐磨性，保護(hù)胎體不受機(jī)械損傷，會(huì)添加一些助劑：如硫磺、樹脂等硫化體系，石蠟、胺類等防護(hù)體系，炭黑、煤粉等填充不強(qiáng)體系以及塑膠油等增塑及軟化體系。3種主要膠料本身具有憎水性，跟各種助劑提煉后仍然是很好的憎水性材料。

因?yàn)橄鹉z集料的憎水性，增加了水泥混凝土內(nèi)部的氣泡含量，一部分橡膠顆粒與無(wú)極膠凝材料之間界面的氣孔，另一部分則是混凝土基本本身具有的內(nèi)部氣泡，使得混凝土的抗壓強(qiáng)度降低。另一方面，集料與水泥基體之間界面的抗壓氣強(qiáng)度的薄弱也影響到了混凝土的綜合性能。

1.2 橡膠顆粒的摻量

橡膠集料的摻入會(huì)引起混凝土抗壓強(qiáng)度的降低，首先從變形量上來(lái)講，橡膠作為有機(jī)材料其硬度較水泥混凝土偏低，在外力作用下，很容易引起變形。而且橡膠的變形量與周圍水泥混凝土的變形量不一致，使得橡膠混凝土實(shí)際承載能力弱，強(qiáng)度性能有所降低。另一方面，就是橡膠集料這個(gè)高分子材料與水泥膠體粘結(jié)不良好，界面的粘結(jié)強(qiáng)度很容易受外力荷載的影響發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致強(qiáng)度降低。所以橡膠混凝土作為道路用材料時(shí)，一定要把握好橡膠集料的摻入量，找到最佳摻入量顯得尤為重要。

2 廢輪胎橡膠集料混凝土路用的改進(jìn)方法

混凝土中集料與膠凝材料之間的粘結(jié)強(qiáng)度是構(gòu)成構(gòu)件強(qiáng)度的主要方式之一，作為有機(jī)材料的橡膠集料并不參與水化作用，與水泥基體的粘結(jié)強(qiáng)度也不如水泥與砂石之間的粘結(jié)力，因此對(duì)于廢輪胎橡膠集料路用首先要考慮對(duì)橡膠顆粒表面進(jìn)行處理。此外就是確定集料的最佳摻量，使其既能滿足道路要求的力學(xué)性能，又能滿足其減震降噪的路用性能。

2.1 橡膠顆粒表面處理方法

（1）清水浸泡

廢舊輪胎粉碎所形成得橡膠集料表面有很多的灰塵，它像一層薄膜一樣隔閡在水泥膠體和橡膠集料的界面上，影響橡膠集料的粘結(jié)，同時(shí)這部分灰塵的吸水性較大，由于其吸水很容易造成水泥膠漿水化不完全，造成混凝土膨脹開(kāi)裂。水洗可以清除集料表面的灰塵，在一定程度上提高了集料和水泥膠漿的粘結(jié)，加大橡膠集料周圍水泥的水化程度。從而提高混凝土試件的整體強(qiáng)度。

（2）偶聯(lián)劑浸泡處理

學(xué)界從兩方面對(duì)偶聯(lián)劑進(jìn)行分析：變形層[4]理論，指通過(guò)偶聯(lián)劑的浸泡在橡膠集料表面形成一層比較厚，具有松弛界面并阻止界面進(jìn)一步開(kāi)裂作用的柔性樹脂層，這樣可以強(qiáng)化橡膠集料和水泥膠漿之間的粘結(jié)作用；表面浸潤(rùn)理論，關(guān)鍵看橡膠集料和水泥膠漿能否完全浸潤(rùn)，完全浸潤(rùn)后的橡膠集料在界面處的物理吸附能力增強(qiáng)，但是要注意浸潤(rùn)的完全性，如果浸潤(rùn)不良反而影響橡膠集料表面的黏結(jié)性。

（3）酸性處理

在生產(chǎn)橡膠過(guò)程中往往會(huì)摻加硬脂酸鋅的活性劑。橡膠集料的硬脂酸鋅可溶于酸，經(jīng)過(guò)酸性溶液浸潤(rùn)后，表面粗糙且會(huì)發(fā)生溶脹。這樣粗糙的表面就可以增加其與水泥膠體之間的粘結(jié)力。

（4）NaOH溶液浸泡處理

在很多對(duì)橡膠混凝土的研究中，學(xué)者們都從以上幾種方式進(jìn)行對(duì)橡膠集料進(jìn)行處理，并以混凝土抗壓強(qiáng)度作為指標(biāo)，選擇最優(yōu)的處理方式。部分學(xué)者[6-8]對(duì)橡膠集料的處理方式及效果，如表2所示

表2 橡膠集料表面處理方式對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

從表中可以看出，經(jīng)過(guò)NaOH溶液處理過(guò)的橡膠顆粒等體積代替水泥混凝土集料，對(duì)提升橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度效果比較明顯。因此對(duì)于因?yàn)橄鹉z顆粒摻入而降低的混凝土抗壓強(qiáng)度可以通過(guò)改良劑對(duì)集料進(jìn)行處理后來(lái)填補(bǔ)。但是，在用NaOH溶液作為改性劑時(shí)需要注意其濃度對(duì)水泥砂漿的不利影響。

2.2 橡膠顆粒摻量的確定

混凝土最基本的力學(xué)性能指標(biāo)是抗壓強(qiáng)度，它反映強(qiáng)度等級(jí)也影響著其它性能。學(xué)者楊若沖[5]等人通過(guò)一系列試驗(yàn)，也提出橡膠混凝土的力學(xué)變化對(duì)抗壓強(qiáng)度最敏感。因此可以選用抗壓強(qiáng)度作為確定橡膠顆粒摻量的主要指標(biāo)。

很多學(xué)者的研究都顯示混凝土的彎拉模量隨著橡膠顆粒的增多會(huì)降低。通過(guò)試驗(yàn)[7]，也得出相應(yīng)的結(jié)論，其抗壓強(qiáng)度和彎拉模量的變化值如表2所示。

表2 橡膠集料摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能影響

從表中看出雖然混凝土的抗折強(qiáng)度隨著橡膠集料的摻入呈下降的趨勢(shì)，但是降低值沒(méi)有抗壓強(qiáng)度那么大，因此可以說(shuō)明由于橡膠集料的加入，混凝土的抗裂能力有所增強(qiáng)。彎拉模量的減小說(shuō)明混凝土韌性和變形能力增強(qiáng)。綜合以上的分析，可以選擇抗壓強(qiáng)度降低較少，彎拉模量降低較快的值。這樣即可以滿足水泥混凝土的力學(xué)性能，又可以滿足路用材料對(duì)韌性和抗震性的要求。

也可以根據(jù)道路的適用環(huán)境和條件，選擇抗壓強(qiáng)度和抗凍性能等作為研究指標(biāo)確定最佳摻量。

3 結(jié)語(yǔ)

目前國(guó)家公路建設(shè)的高速發(fā)展，特別是在現(xiàn)在國(guó)家脫貧攻堅(jiān)的重要時(shí)期，習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)推動(dòng)“四好農(nóng)村路”高質(zhì)量發(fā)展。將廢橡膠集料替代水泥混凝土集料而形成的橡膠混凝土不僅從經(jīng)濟(jì)上能夠降低公路建設(shè)的成本，更能從環(huán)保的角度改善廢舊輪胎帶來(lái)的“黑色污染”。在廢輪胎集料水泥混凝土路用的過(guò)程用，建議從橡膠集料表面處理和橡膠集料摻量，提高其路用性能。