橡膠混凝土靜力及動力性能研究進(jìn)展

楊麗麗，王 曦，李 康，羅 晴，白世華

(華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045)

0 前 言

自從20世紀(jì)90年代有學(xué)者第一次提出把橡膠摻入混凝土以來，各國學(xué)者由此展開了對橡膠混凝土的研究。相比其他混凝土，橡膠混凝土具有廣泛地工程應(yīng)用價值，其重量輕、韌性好、抗沖擊性強(qiáng)、耐久性好、抗磨耗性能佳、耗能能力強(qiáng)、延伸率大等，這些特性都是其在工程應(yīng)用中的最大優(yōu)勢。

本文對橡膠混凝土目前研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，闡述橡膠對混凝土力學(xué)性能、耐久性、疲勞性能、阻尼等的影響規(guī)律，提出橡膠混凝土未來應(yīng)用前景，為橡膠混凝土未來應(yīng)用提供依據(jù)。

1 力學(xué)性能

橡膠具有彈性大、質(zhì)量輕、不溶于水等特性，大量研究表明：橡膠加入混凝土中都會降低混凝土的強(qiáng)度。Liu等[1]研究了不同替代形式以及不同摻量的橡膠混凝土力學(xué)性能的影響，試驗結(jié)果表明：混凝土抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、軸向抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨膠粉含量的增加而降低，并且用碎橡膠代替混合料的效果比用橡膠代替細(xì)集料的效果好。

Ayman Moustafa等[2]研究了在高強(qiáng)度混凝土中使用廢舊輪胎顆粒對混凝土力學(xué)性能的影響，試驗采用兩組不同的橡膠混凝土混合料，第一組是保持減水劑的摻量相同，研究橡膠替代砂對混凝土和易性的影響；第二組通過改變減水劑的摻量來保持橡膠混凝土和易性相同。兩種方式都會使得混凝土強(qiáng)度降低，但是第一種方式混凝土強(qiáng)度損失更為嚴(yán)重。

Kunal Bisht等[3]開展橡膠以0、4%、4.5%、5%和5.5%的比例取代細(xì)集料對混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、密度等性能影響的試驗研究，研究認(rèn)為與細(xì)集料相比，混凝土的多孔性增加，橡膠屑的比重降低，因此，橡膠粉混凝土的密度隨摻量的增加而減?。幌鹉z和水泥漿之間的粘附力較低，導(dǎo)致混凝土在加載時快速破裂，因此，膠粉混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度隨著橡膠屑數(shù)量的增加而減少。

2 阻尼性能

研究混凝土的阻尼，可以為工程中減震設(shè)計提供依據(jù)，橡膠具有良好的阻尼和振動特性，由于其彈性性質(zhì)，能顯著減少開裂。橡膠的這一特性可用于混凝土中，以此來有效地進(jìn)行振動控制。

Sugapriya等[4]以不同橡膠摻量等質(zhì)量替代細(xì)骨料，磨細(xì)高爐礦渣代替水泥制備了三組不同組分的橡膠混凝土，利用快速傅里葉變換分析了橡膠混凝土梁中多個波的阻尼比和峰值頻率及其強(qiáng)度、阻尼和吸收特性。對比分析三組試驗結(jié)果，找到了在不影響強(qiáng)度性能的前提下，橡膠屑和磨細(xì)高爐礦渣達(dá)到最佳阻尼的最佳比例。

Kaewunruen等[5]把硅灰和橡膠粉(粒徑為75、180、400 μm)作為混凝土中的微集料，采用指數(shù)曲線擬合法和對數(shù)衰減法，對橡膠混凝土進(jìn)行振動試驗，結(jié)果得出橡膠粉的加入可以明顯地提高混凝土的阻尼比，特別是橡膠粉粒徑為180 μm和400 μm的時候，并建議將其運(yùn)用于鐵路枕木中，以提高鐵路軌道系統(tǒng)的使用壽命，減少對環(huán)境的污染。

Gurunandan等[6]在混凝土中加入聚酯纖維和橡膠粒，大大降低了靜態(tài)彈性模量，從而可以顯著地提高混凝土的延性和阻尼比，加入聚酯纖維或者橡膠兩種類型構(gòu)成混凝土混合物都可以有效地應(yīng)用于道路路緣石和障礙物、鋪路塊、溝渠填充物和機(jī)器基礎(chǔ)墊等作減振器。

Siti Nurul Nureda等[7]利用廢棄輪胎中的再生材料來改善混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼性能。作為提高抗震性能的結(jié)構(gòu)材料。以體積分?jǐn)?shù)10%細(xì)膠粉及1%廢輪胎纖維構(gòu)成的混凝土為研究對象，研究其動力性能(固有頻率及阻尼比)，試驗表明：與基準(zhǔn)混凝土相比，加入橡膠和纖維的混凝土動態(tài)模量、阻尼比和固有頻率均有不同程度提高，特別是阻尼比。由此表明該混合物有助于減小阻尼比增加引起的地震力。

3 疲勞性能

疲勞現(xiàn)象大量存在于工程結(jié)構(gòu)中，鋼筋混凝土吊車梁、鋼筋混凝土橋以及港口海岸的混凝土結(jié)構(gòu)等都要受到吊車荷載、車輛荷載以及波浪沖擊等幾百萬次的作用，因此，對于抗疲勞破壞的研究顯得尤為重要。

Pacheco-Torres等[8]研究了橡膠粒徑和橡膠含量對混凝土路面的影響，提出了一種評價材料在類似交通荷載的循環(huán)作用下的變形的新試驗，試驗表明：在循環(huán)載荷作用下，橡膠顆粒的尺寸和比例存在一個最佳組合，能夠顯著提高材料在疲勞應(yīng)力下阻力及變形性能，使其適用于剛性混凝土路面的施工。

Liu等[9]研究了再生橡膠混凝土的疲勞性能和損傷特性，基于威布爾理論，對試驗結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計分析，給出了不同失效概率下再生橡膠混凝土的雙對數(shù)疲勞方程，用于預(yù)測其極限疲勞強(qiáng)度。分析損傷特征表明，再生集料和橡膠顆粒均能提高混凝土的疲勞壽命。當(dāng)橡膠顆粒含量達(dá)到20%時，增強(qiáng)效果最顯著。

Chen等[10]在混凝土中加入了兩種水溶性聚合物和廢輪胎膠粉作為摻合料。對該混凝土進(jìn)行了四點彎曲疲勞性能試驗，試驗表明：聚合物薄膜的高結(jié)合效應(yīng)和高彈性模量以及廢輪胎膠粉的良好彈性性能和抗裂性有利于提高膠凝復(fù)合材料的彎曲韌性和疲勞壽命。

Wang等[11]研究了橡膠混凝土與普通混凝土在損傷過程中的差異。通過對疲勞試驗中記錄的聲發(fā)射信號的分析，發(fā)現(xiàn)橡膠混凝土聲發(fā)射信號的活性和強(qiáng)度遠(yuǎn)低于普通混凝土，且利用聲發(fā)射技術(shù)可以實時監(jiān)測混凝土在反復(fù)荷載作用下的聲發(fā)射活動和能量，從而評估混凝土的內(nèi)部狀況。

4 結(jié) 語

將橡膠用于混凝土中，既節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境，還可充分利用橡膠的優(yōu)點以彌補(bǔ)混凝土自身的弱點。橡膠混凝土動力性能明顯優(yōu)勢如下：①提高混凝土阻尼比，具有較強(qiáng)的能量吸收能力，用于結(jié)構(gòu)抗震減震；②提高混凝土的抗裂性能，改善混凝土疲勞性能，增加混凝土疲勞使用壽命。

然而，目前橡膠混凝土動力性能研究并不充分，未來要拓寬其工程應(yīng)用領(lǐng)域，需要深入探究。