橡膠混凝土工作、力學(xué)與耐久性能研究綜述

王 菲

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 公路與鐵道工程學(xué)院，陜西西安710018）

21 世紀(jì)以來，全球汽車工業(yè)呈現(xiàn)出迅猛發(fā)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(yán)重威脅到人類的生存環(huán)境，若對其進(jìn)行堆積、填埋或焚燒處理，只會加重環(huán)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(jì)議程》方案之中，且規(guī)劃至循環(huán)經(jīng)濟(jì)重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)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(fù)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(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，不會使混凝土中各種材料的化學(xué)性能發(fā)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(huán)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(nèi)外學(xué)者在此方面展開了豐富的研究，發(fā)現(xiàn)了橡膠混凝土的很多性能優(yōu)勢，文章主要對橡膠混凝土在工作性能、力學(xué)性能以及耐久性能等方面的國內(nèi)外研究進(jìn)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(chǎn)生很大的影響，不同學(xué)者在這一方面的研究結(jié)果存在一定的差別。多數(shù)學(xué)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(chǎn)生負(fù)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(qiáng)，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(jìn)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(dāng)橡膠顆粒含量增加至骨料總體積的40% 時(shí)，橡膠混凝土的坍落度會近乎降至零，此時(shí)，無法進(jìn)一步開展人工攪拌工作，為確保試件的密實(shí)性，必須對其進(jìn)行振搗處理。但是，少數(shù)學(xué)者得出與上述研究不同的結(jié)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(xiàn)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(xì)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(xiàn)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(xué)者研究還發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)最佳，而因?yàn)橄鹉z顆粒密度比較小，在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)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(xué)性能研究

2.1 強(qiáng)度研究

學(xué)者圍繞橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度展開的研究普遍認(rèn)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(qiáng)度會逐漸減小[10-11]。作為一種有機(jī)材料，橡膠顆粒同無機(jī)材料水泥之間并不能實(shí)現(xiàn)較好的粘結(jié)，主要原因在于橡膠混凝土的強(qiáng)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(qiáng)度的降低也會存在差異。Ali 等[12]研究指出，摻加細(xì)膠粉的橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度降低幅度要小于摻加粗膠粉的橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度降低幅度。李偉等[13]通過多組試驗(yàn)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(qiáng)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(xiàn)一定的早強(qiáng)效應(yīng)。付傳清[14]認(rèn)為橡膠顆粒的齡期也會影響橡膠混凝土的強(qiáng)度，隨著齡期的延長，橡膠顆粒會更加密實(shí)地同水泥水化產(chǎn)物結(jié)合，這有利于橡膠混凝土強(qiáng)度的提升。

橡膠混凝土可以作為結(jié)構(gòu)材料的前提是有較高的強(qiáng)度，橡膠顆粒在混凝土中的摻加會將混凝土強(qiáng)度降低，進(jìn)而對其應(yīng)用形成制約，所以有必要采取相應(yīng)措施將橡膠混凝土強(qiáng)度提高。而為了達(dá)到優(yōu)化橡膠顆粒與水泥石粘結(jié)性能，進(jìn)而提高強(qiáng)度這一目的，學(xué)者們提出了相關(guān)觀點(diǎn)：（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(fèi)用支出，然而，此方法對橡膠混凝土強(qiáng)度的增強(qiáng)作用并不明顯。如Neil等[15]用水浸泡橡膠，結(jié)果發(fā)現(xiàn)橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度僅比未處理之前增加了16%。（2）無機(jī)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(shí)現(xiàn)對橡膠顆粒同水泥基體粘結(jié)性能的增強(qiáng)。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(qiáng)度。田帥等[17]采用多種無機(jī)改性劑進(jìn)行橡膠混凝土改性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)無機(jī)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(jī)改性比較容易實(shí)現(xiàn)，也符合環(huán)保要求，但其無法從本質(zhì)上將橡膠同水泥砂漿之間的粘接性能優(yōu)化。（3）有機(jī)改性，含各種有機(jī)溶劑與偶聯(lián)劑，有機(jī)溶劑改性是利用一些有機(jī)溶劑同水泥基體發(fā)生物理或化學(xué)作用；偶聯(lián)劑改性則是偶聯(lián)劑分子中的水解基團(tuán)水解后同無機(jī)物表面羥基結(jié)合，有機(jī)基團(tuán)同有機(jī)物結(jié)合，使偶聯(lián)劑在無機(jī)物同有機(jī)物之間形成化學(xué)鍵結(jié)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(lián)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(qiáng)橡膠混凝土強(qiáng)度，其中硅烷改性苯丙乳液的改性效果最好。

2.2 應(yīng)力應(yīng)變曲線研究

橡膠混凝土具有增韌減脆的特點(diǎn)，其斷裂程度表現(xiàn)出塑性破壞的狀態(tài)，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(yīng)變?yōu)?×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(shí)施單軸受壓試驗(yàn)，得到橡膠混凝土的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線及單軸受壓本構(gòu)方差，發(fā)現(xiàn)曲線上升段本構(gòu)參數(shù)A 與曲線下降段本構(gòu)參數(shù)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(shù)A 與a 產(chǎn)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(shí)施單軸受壓對比試驗(yàn)，得到兩者的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)前者單軸受壓應(yīng)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(huán)境進(jìn)行抵制，同時(shí)長期保持自身良好的使用性能與外觀完整性，維持結(jié)構(gòu)安全以及正常使用的能力[23]。欠缺耐久性，混凝土結(jié)構(gòu)物會在計(jì)劃使用壽命之前損壞，出現(xiàn)質(zhì)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(jié)構(gòu)物的使用壽命產(chǎn)生直接的影響，以下從抗?jié)B性與抗凍性兩方面介紹橡膠混凝土耐久性的研究進(jìn)展。

3.1 抗?jié)B性研究

Oikonomou 等[24]研究指出，用橡膠顆粒替代細(xì)集料摻入水泥砂漿中，會大幅度優(yōu)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(dá)12.5% 時(shí)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(fā)現(xiàn)高溫在氯離子滲透過程中發(fā)揮著加速作用，當(dāng)橡膠顆粒摻量為7% 時(shí)，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(shí)，橡膠混凝土的抗?jié)B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?jié)B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(nèi)會對混凝土抗?jié)B性產(chǎn)生優(yōu)化作用，粒徑不同，橡膠顆粒對混凝土抗?jié)B性的優(yōu)化效果存在差異，橡膠顆粒粒徑越小，混凝土抗?jié)B性越佳，原因在于橡膠顆粒摻入混凝土中會對其內(nèi)部孔隙進(jìn)行填充，且粒徑越小，填充效果會越好，混凝土毛細(xì)孔隙率相對也會越低，故抗?jié)B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(yōu)化。王濤等[29]試驗(yàn)顯示，摻入橡膠顆粒之后，橡膠混凝土抗凍性被優(yōu)化，80 目橡膠顆粒摻量在（30～90）kg·m-3時(shí)，橡膠混凝土抗凍性會隨橡膠顆粒摻量的增加不斷增強(qiáng)。張亞梅等[30]研究發(fā)現(xiàn)，橡膠顆粒的粒徑也會對橡膠混凝土的抗凍性產(chǎn)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(chǎn)生明顯的改善作用，而粒徑為140μm 的較細(xì)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(yīng)用領(lǐng)域研究

普通混凝土大多具有脆性大、易開裂、抗環(huán)境侵蝕能力低等劣勢，這成為土木工程領(lǐng)域的大難題，在橡膠混凝土出現(xiàn)以后，混凝土落實(shí)以及廢舊輪胎污染的難題都得到了解決，各國學(xué)者與業(yè)界人士均積極推進(jìn)橡膠混凝土的工程應(yīng)用及相關(guān)研究。Piti 等[31]對橡膠混凝土預(yù)制板具有的隔熱性進(jìn)行試驗(yàn)與分析，提出當(dāng)摻入10%、20%、30% 的橡膠顆粒時(shí)，橡膠混凝土預(yù)制板的熱傳導(dǎo)性能均比較低，可作為保溫隔熱材料應(yīng)用于屋面建筑物中。Hernandez-Olivares 等[32]進(jìn)行剛性橡膠混凝土路面的鋪設(shè)，并試驗(yàn)分析其抗疲勞性能，具體地，試驗(yàn)利用摻量為0%、3.5%、5% 的橡膠顆粒鋪設(shè)剛性路面，在馬德里自然條件下使用一段時(shí)間，結(jié)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(qiáng)度的保證為前提，在修筑樓房中應(yīng)用橡膠混凝土可滿足生態(tài)建筑所提要求。田帥等[34]指出，橡膠混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)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(dāng)橋面下層材料用橡膠顆粒摻量為4%的橡膠混凝土替代時(shí)，橋梁路面的溫度基數(shù)減控系數(shù)可達(dá)28.5%。

根據(jù)已有研究成果，橡膠混凝土基于其明顯優(yōu)勢而在公路、鐵路、建筑等領(lǐng)域有著相對廣闊的應(yīng)用前景。

4.1 公路方面的應(yīng)用

基于變形能力、抗沖擊性能、吸聲性與耐久性等優(yōu)勢，橡膠混凝土越來越多地被應(yīng)用于道路施工工程實(shí)例中。1997 年，美國明文規(guī)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(gè)橡膠混凝土澆筑的高速公路收費(fèi)站[35]。

4.2 鐵路方面的應(yīng)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(zhì)輕、抗沖擊、耐疲勞、耐腐蝕等優(yōu)勢突出，當(dāng)列車在此類枕木上運(yùn)行時(shí)，不會有很大的噪音與顛簸現(xiàn)象。自此，該技術(shù)被歐美等國家陸續(xù)應(yīng)用于鐵路工程施工之中，實(shí)踐表明，該類橡膠混凝土枕木還有壽命長、維修率低等優(yōu)勢，可大幅度削減后期運(yùn)行維護(hù)成本。

4.3 建筑方面的應(yīng)用

橡膠混凝土抗沖擊韌性、減震性與吸聲隔熱優(yōu)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(jià)格。雖然目前在建筑領(lǐng)域的應(yīng)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(jié)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(yōu)化，這是橡膠混凝土的特點(diǎn)。然而，廢舊輪胎制成的橡膠顆粒對混凝土的強(qiáng)度性能發(fā)揮著降低的作用，這在較大程度上限制了橡膠混凝土的實(shí)際應(yīng)用。為了將橡膠顆粒的性能優(yōu)勢更好地發(fā)揮出來，克服或削弱其缺點(diǎn)，擴(kuò)大橡膠混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用率，學(xué)者們應(yīng)在以下方面進(jìn)行更加深入的研究：（1）把握橡膠改善混凝土性能的機(jī)理，為橡膠混凝土組成的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論借鑒；（2）把握橡膠混凝土界面結(jié)構(gòu)與形成機(jī)理，為橡膠混凝土界面的優(yōu)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(shè)計(jì)，以對強(qiáng)度的滿足為前提在阻尼抗震、抗沖擊性能等更高要求領(lǐng)域應(yīng)用橡膠混凝土。