橡膠混凝土的力學及抗沖磨性能研究現(xiàn)狀

陳笑笑 韓小燕 姬艷婷 段文雷 張凱泉

摘 要：我國是一個多河流國家，含沙高速水流會對水工泄水建筑物造成嚴重的沖磨破壞。大量廢橡膠造成了比白色污染更難處理的黑色污染，橡膠因其彈性模量大、抵抗破壞能力強、密度小等特性，能夠彌補普通混凝土在沖擊荷載作用下易磨損破壞的缺點，在建筑材料中使用廢舊輪胎粉碎成的橡膠集料，既可以解決混凝土集料資源短缺問題、廢舊橡膠企業(yè)帶來的環(huán)境污染問題，又可以改善混凝土自身存在的一些缺陷。

關鍵詞：橡膠混凝土;摻量;改性方式;抗沖磨性能

中圖分類號：TU528.36 ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）2-0065-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.02.015

Research Status of Mechanical and Impact Wear Resistance of Modified Rubber Concrete

CHEN Xiaoxiao ? ?HAN Xiaoyan ? ?JI Yanting ? ?DUAN Wenlei ? ?ZHANG Kaiquan

（North China University of Water Resources and Electric Power School of Civil Engineering and Transportation， Zhengzhou 450000，China）

Abstract：China is a multi-river country， the sand-bearing high-speed water flow will cause serious erosion and wear damage to hydraulic drainage structures. A large number of waste rubber has caused black pollution， which is more difficult to deal with than white pollution. Rubber， because of its large elastic modulus， strong damage resistance and small density， can make up for the characteristics of ordinary concrete easy to wear and destroy under impact load. Rubber aggregate made of crushed waste tires is used in building materials. It can not only solve the shortage of concrete aggregate resources， the main problem of environmental pollution caused by waste rubber enterprises， but also improve some defects of concrete itself.

Keywords： rubber concrete;content;modified;impact wear resistance

0 引言

我國擁有10萬多條河流，在北方地區(qū)，河流含沙量較高，其中含沙量最高的當屬黃河。含沙高速水流系統(tǒng)會對我國水工泄水建筑物的過流表面的混凝土結(jié)構(gòu)造成嚴重的沖磨破壞;尤其是當高速水流中夾雜懸移質(zhì)或推移質(zhì)時，沖磨損壞就更為明顯。素混凝土普遍存在抗拉強度低、脆性大等缺陷，抗沖磨性能差，已經(jīng)無法滿足日漸增長的建設需求。調(diào)查表明，我國近50%的大型水工建筑物在運行過程中出現(xiàn)了沖刷磨損現(xiàn)象。泄水建筑物的沖磨破壞不僅會影響中國水利建設工程的正常運行，嚴重時還會引發(fā)災難性事故，而且反復進行修補、加固等工程也會消耗大量的人力和財力。如何解決水工建筑物的沖刷磨損問題，已成為水利工程建設中的一個難題。

近年來，隨著人們生活水平的提高和物流業(yè)的高速發(fā)展，我國的私家車保有量和貨車的數(shù)量逐年增加。然而，隨著汽車的普及，廢舊輪胎也逐漸增多。我國每年產(chǎn)生的廢舊輪胎已連續(xù)10年居世界前列。廢舊輪胎屬于廢舊橡膠，在自然狀態(tài)下不易被降解，填埋會污染土地和地下水資源;焚燒會產(chǎn)生帶顆粒黑色濃煙污染大氣;堆積會占用大量土地、滋生蚊蟲、傳播疾病。大量的廢舊橡膠造成了嚴重的黑色污染，且黑色污染比白色污染更難處理，同時也浪費了大量的橡膠資源。如果能夠合理有效地利用廢舊輪胎，不僅可以解決環(huán)境問題，還可以解決資源浪費問題。普通混凝土結(jié)構(gòu)強度高，但自重和脆性均較大，在沖擊荷載影響作用下容易出現(xiàn)開裂破壞。而橡膠彈性模量較大，相比普通集料能夠承受較大的力學變形量。抵抗破壞能力較強，且密度較小。

將廢舊輪胎粉碎成橡膠集料在建筑材料中使用，是一種處理和利用這種固體廢棄物的較好的方法。在混凝土中摻入橡膠集料，既可以解決混凝土集料資源短缺問題、廢舊橡膠企業(yè)帶來的環(huán)境污染問題，又可以改善混凝土自身存在的一些缺陷。

國內(nèi)外對混凝土抗沖磨性能的試驗研究主要集中在增強混凝土耐磨性的外加劑的研究和開發(fā)上，或者通過在普通混凝土中加入摻合料來改善混凝土的抗沖磨性能。在眾多摻合料中，橡膠彈性模量大，抵抗破壞能力較強，密度較小，既可以解決混凝土集料資源短缺問題，又可以解決廢舊橡膠帶來的環(huán)境污染問題，已逐漸成為研究的熱點。

1 橡膠混凝土工作性能研究

混凝土拌合物的工作性能主要包含保水性、黏聚性和流動性，其性能的好壞不僅關系到施工的難易程度，還直接影響著混凝土的澆筑施工質(zhì)量，進而影響混凝土的耐久性。主要用坍落度指標來測定拌合物的流動性，如果坍落度不符合規(guī)范設計要求，就會因混凝土拌合物振搗不密實，而產(chǎn)生蜂窩、氣泡等缺陷。

橡膠混凝土是在普通混凝土的基礎上加入一定比例的橡膠顆粒制成的復合材料。橡膠顆粒在混凝土中通過物理作用改善混凝土骨料的內(nèi)部堆積結(jié)構(gòu)，從而改善混凝土的工作性能。

目前大多數(shù)研究認為，橡膠顆粒的加入可以減少混凝土的坍落度。有學者用橡膠材料顆粒等替代40%的骨料配制成的橡膠進行混凝土的拌合，對坍落度的影響幾乎為零，在其他條件相同的情況下，橡膠混凝土的密度與橡膠粒子的大小呈正相關。主要原因是橡膠顆粒具有吸水特性，導致橡膠混凝土流動性變差，進而導致坍落度減小。而在摻量相同時，所摻粒徑越小，其表面積就越大，吸水特性就越強，坍落度減小幅度就較大。但也有學者持不同意見，王軍軍等[1]將20目的廢舊橡膠顆粒以0%、5%、15%、25%的比例按等體積法取代混凝土中細集料，而后檢測其拌合物工作性能，試驗發(fā)現(xiàn)，隨著橡膠顆粒摻入量的提高，其拌合物的坍落度呈現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，但所有摻入橡膠顆粒的混凝土拌合物的坍落度均較普通混凝土大。除摻量、所摻粒徑的大小，也有學者對橡膠顆粒改性方式進行了研究，國內(nèi)學者楊春峰等[2]以不同強度混凝土為基準，以橡膠顆粒粒徑、摻量、改性處理方式、橡膠摻入形式為試驗變量，設計成不同配合比的橡膠混凝土，較為系統(tǒng)地研究了其拌合物的工作性能。試驗研究結(jié)果表明：當其他條件保持不變，只改變所摻橡膠顆粒粒徑時，摻入較大粒徑的橡膠混凝土工作性能優(yōu)于摻入較小粒徑橡膠顆粒的工作性能;摻入改性技術處理后的橡膠顆粒，可以在一定程度上提高橡膠混凝土的工作性能;當其他因素不變時，橡膠混凝土的工作性能在一定時間范圍內(nèi)隨著粗橡膠顆粒摻量的增加而增加，而摻細橡膠粉的拌合物工作性能則相反;當橡膠顆粒的摻量大于10%或者直接外摻橡膠顆粒的摻量大于20 kg/m3時，橡膠混凝土的工作性能則迅速降低。也有一部分學者認為坍落度的減小是因為橡膠顆粒的摻入使得混凝土內(nèi)部含氣量、毛細孔率及半徑等微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。楊衛(wèi)坤等[3]按3種粒徑（60目、1～3 mm、3～6 mm），6種摻量（0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%）以等體積可以取代砂的方式，配制成不同橡膠進行混凝土拌合，研究其拌合物的工作性能，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，橡膠混凝土的含氣量隨著橡膠摻入量的增大而增加，粒徑越小，橡膠混凝土的含氣量越大，而坍落度則隨摻入量的增大而減小。

2 橡膠混凝土基本力學性能研究

混凝土的基本力學性能能夠較好地反映混凝土材料的極限承載力和變形能力，為結(jié)構(gòu)設計提供重要的試驗依據(jù)。大量研究結(jié)果顯示，混凝土的強度大小主要取決于骨料的強度、水泥的強度及骨料—砂漿界面過渡區(qū)的黏結(jié)強度。因此，許多研究者通過改變所摻橡膠顆粒粒徑大小、摻量以及骨料—砂漿的界面過渡區(qū)黏結(jié)強度來控制混凝土的強度。

在橡膠顆粒摻量方面，研究者一般將橡膠顆粒等體積取代細骨料，由于橡膠自身強度較低，摻入后，混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度等各項力學強度指標均會降低。很多學者認為橡膠顆粒的大小和摻量是影響橡膠混凝土各種強度指標的主要因素。Eldin等[4]用橡膠顆粒代替粗集料和細集料，研究混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度的變化規(guī)律，證明混凝土的抗壓強度和抗拉強度分別降低了85%和50%;當用橡膠顆粒取代所有細骨料時，混凝土抗壓強度和抗拉強度分別降低了65%和50%。當取代摻量在25%以下時，強度下降幅度能夠確保在50%以內(nèi)。袁群等[5]通過改變強度為C40、C50的基準混凝土中的橡膠顆粒粒徑、摻量，研究了橡膠混凝土的抗壓強度、劈拉強度的變化規(guī)律。結(jié)果表明，摻入橡膠顆粒后，混凝土強度降低，并且隨著橡膠摻量、顆粒粒徑的增大而降低，但抗沖磨強度提高了9.57倍，且所摻橡膠顆粒粒徑越大、摻量越多，抗沖磨性能越好，推薦15%為最優(yōu)摻量。

針對所摻入橡膠顆粒粒徑大小方面，馮凌云等[6]發(fā)現(xiàn)，在其他條件相同時，摻入橡膠顆粒粒徑越小，立方體抗壓強度越低，主要原因是橡膠顆粒是具有憎水性的有機材料，與無機材料水泥石間的黏結(jié)強度遠小于砂與水泥石間的黏結(jié)強度，且橡膠顆粒粒徑越小，比表面積越大，其與水泥石間的薄弱界面也越大，橡膠混凝土的抗壓強度越小。

3 橡膠混凝土抗沖磨性能方面

絕大多數(shù)學者采用水下鋼球法或圓環(huán)法，通過控制橡膠顆粒的大小、摻量以及改性方式來研究抗沖磨性能[7]，無論采用哪種方法，均證明摻入橡膠顆粒后的混凝土抗沖磨性能有明顯的提高[8]。

Kong等[9]的研究發(fā)現(xiàn)橡膠顆粒的摻入降低了混凝土的抗壓強度，但顯著提高了混凝土的抗沖磨強度，最大提高了333%，抗沖磨效果優(yōu)于硅粉混凝土。Rajahrm S等[10]通過改變混凝土水灰比和粗細骨料的產(chǎn)品品種進行抗沖磨試驗方法研究。當每組混凝土的沖磨深度達到3.5 mm時，根據(jù)磨損率計算出混凝土的抗磨強度與水灰比的關系。試驗結(jié)果表明：存在一個最優(yōu)水灰比，可以使得混凝土的抗沖磨性能較好，但如何選出最優(yōu)水灰比，目前尚無定論。此外，部分學者從能量角度出發(fā)，建立了有關磨粒磨損的能量損耗相關理論。

天津大學亢景付等[11]采用圓環(huán)法，將基準混凝土和硅粉混凝土設置為對照組，按5%、7.5%、10%、15%的比例將16目橡膠粉分別摻入混凝土中，研究橡膠混凝土的抗沖磨性能。試驗結(jié)果表明：三種混凝土的抗沖磨性能從強到弱依次為橡膠混凝土、硅粉混凝土、普通基準混凝土。且橡膠混凝土的抗沖磨強度隨著橡膠粉摻量的增加而提升，通過機理分析認為，橡膠混凝土抗沖磨強度的提高主要是因為橡膠粉顆?？梢晕蘸八鞯臎_擊能量，這種吸收作用顯著延緩了水泥石的破壞歷程。袁群等[5]分別將強度為C40、C50的混凝土設為對照組，通過改變摻入橡膠顆粒的粒徑、體積來研究橡膠混凝土的抗沖磨性能。試驗結(jié)果表明，在其他條件不變時，隨著橡膠含量的增加，混凝土的抗壓強度出現(xiàn)明顯減小的現(xiàn)象，而抗沖磨性能卻先增強后減弱，當摻量為15%時橡膠混凝土抗沖磨性能最優(yōu)。

4 橡膠混凝土改性方式的研究

通過查閱大量文獻發(fā)現(xiàn)，摻入橡膠后，混凝土的各項力學性能的下降不僅與橡膠顆粒自身強度有關，還與橡膠—砂漿界面過渡區(qū)的黏結(jié)強度有關[12]。國內(nèi)外學者對如何增強橡膠顆粒與砂漿的黏結(jié)強度進行了相關的試驗研究，主要通過對橡膠顆粒表面進行改性處理，以提高橡膠顆粒表面粗糙程度，改善其相容性，進而能夠達到增強界面過渡區(qū)黏結(jié)強度的目的。

對橡膠顆粒改性的方法主要有物理處理、無機處理、有機處理以及無機加有機的復合處理方式。物理處理的方法主要是通過機械打磨，增加橡膠顆粒表面的粗糙程度，在一定程度上能夠增加橡膠顆粒與水泥基體的黏結(jié)強度，物理處理的方法適用于粒徑較大的橡膠顆粒，粒徑較小的橡膠顆粒改性效果不夠顯著。

無機改性的方法主要是使用無機溶液浸泡橡膠顆粒，主要包括水洗改性、NaOH溶液改性、NaCl溶液改性等方法。水洗改性的機理為洗去橡膠顆粒表面的“炭黑”及其他附著物，增大橡膠顆粒與水泥砂漿的黏結(jié)面積，從而達到提高黏結(jié)強度的目的，但提高能力有限。而NaOH、NaCl等化學試劑處理能夠溶解橡膠顆粒表面的硬脂酸鋅，從而改善橡膠顆粒與水泥基體的黏結(jié)性能。有機處理的方法是采用硅烷偶聯(lián)劑、CCl4、馬來酸酐等有機溶劑浸泡橡膠顆粒，使橡膠顆粒表面的親水性得到有效提高，從而改善與水泥基體的黏結(jié)性能。

徐宏殷等[13]在試驗中采用有機溶液、無機溶液和復合溶液共6種改性方法對橡膠顆粒進行處理，研究了改性方法對橡膠水泥砂漿抗壓強度和劈裂抗拉強度的影響。水洗后橡膠水泥砂漿的抗壓強度和劈裂抗拉強度分別提高了7.6%和9.9%;5%氫氧化鈉溶液對橡膠改性的影響與水洗相似，抗壓強度提高了8.6%;氯化鈉和氯化鈣不僅沒有提高橡膠水泥的抗拉強度，反而對橡膠水泥的抗拉強度有負面影響。有機改性劑中，CCl4的改性效果不如KH560和KH570，KH560和KH570改性橡膠水泥砂漿的抗壓強度分別提高了5%和7%。

整理30年內(nèi)的100項橡膠混凝土的研究結(jié)論可以發(fā)現(xiàn)：只有對橡膠采用溶劑處理后，橡膠混凝土的抗壓強度會高于其他普通混凝土，否則低于普通混凝土，當摻量為10%時，丙酮的改性處理效果最好。鄭州大學代燦燦[14]在強度等級為C20的混凝土的基礎上，采用水洗、NaOH溶液、KH560以及KH570處理的改性方式對橡膠顆粒進行預處理。結(jié)果表明，四種改性處理方式中，質(zhì)量分數(shù)為1%的KH570溶液處理過的橡膠混凝土的抗沖磨性能最好。

5 結(jié)語

將廢舊橡膠破碎成橡膠顆粒，以骨料的形式摻入混凝土中，雖然降低了抗壓強度、劈裂抗拉強度等基本力學性能，但卻在很大程度上提升了抗沖磨性能，尤其是經(jīng)過改性處理的橡膠混凝土因其骨料—砂漿界面過渡區(qū)黏結(jié)性能增強，在一定程度上提升了各方面的性能。但還有繼續(xù)提升的空間，在當下“綠水青山就是金山銀山”的綠色發(fā)展理念倡導下，將廢舊橡膠顆粒變?yōu)榻ㄖ胶狭媳厝怀蔀槌绷髯龇?，值得后續(xù)研究。

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