橡胶改性机理及对混凝土耐久性能研究概况

姜丽 杨晓波

摘要：将废旧橡胶颗粒加入混凝土中，既能降低普通混凝土的脆性，同时废旧轮胎的回收利用问题又得到解决，对利废、环保、可持续发展均具有深远影响.首先从抗氯离子腐蚀、抗冻融、抗渗透、抗碳化等方面阐述了橡胶颗粒（未改性）对混凝土耐久性能的影响.考虑到橡胶颗粒与混凝土中水泥基体界面的差异，为了提高二者的粘结强度，当前主要通过对橡胶表面进行改性处理，以提高橡胶表面活性，达到二者界面相容的目的.因此，将橡胶改性处理后再加入混凝土中能进一步提高混凝土的耐久性.最后对该项研究提出一些建议，以期该研究能加快橡胶混凝土的应用和发展.

关键词：改性剂;橡胶颗粒;混凝土;耐久性

中图分类号：TU528  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）01-0096-04

近年来，我国正处于基础设施和城市住宅建设的高峰期，资金庞大.但是，根据相关资料，这些项目也将在约30-50年后进入维护期.如果忽视耐久性，后续用于修补加固甚至重建的费用将更巨大.美国学者曾用“五倍定律”來解释耐久性的重要性，譬如到2020年我国用于轨道交通建设的投资额估计将达4万亿，依据“五倍定律”，若是耐久性不够，其维护成本将达到数万亿乃至几十万亿.因此，一定要高度关注混凝土耐久性的重要性，实现混凝土工程的高耐久和长寿命对节约资源、环境保护、实现建筑行业良性发展均有重要意义.

橡胶混凝土利用橡胶粉高弹耐磨的特点将其应用于普通混凝土中，提高混凝土抗拉、抗弯强度的同时，又能弥补普通混凝土脆性强、干燥收缩大，易开裂等不足，同时解决了大量废橡胶的回收利用问题.自20世纪90年代以来，这项研究一直是世界各国科学研究的焦点.众多成果表明，橡胶混凝土具有密度低、延性好、抗冲击能力高、减震降噪以及隔热等优良性能.但由于橡胶颗粒与粗骨料和胶凝材料之间界面差别很大，橡胶混凝土和普通混凝土在工作性能、机械性能和耐久性等方面有很大差异.

目前国内外对橡胶混凝土工作和力学性能研究较为成熟，而耐久性研究尚未形成统一体系.因此，文中对国内废旧橡胶颗粒在混凝土耐久性方面的研究近况，胶粉表面改性机理以及对混凝土性能影响进行了梳理总结，以期为下一步研究改性橡胶混凝土的耐久性提供理论依据，为进一步拓宽废橡胶综合利用提供参考.

1 橡胶混凝土耐久性能研究概况

1.1 抗氯离子腐蚀性能

叶启军[1]等研究表明，随着应力增加，氯离子渗透系数增大，到达深度40mm后，氯离子不再扩散.随着时间延长，氯离子侵蚀深度增大，浓度减小.一般前30d侵蚀速度较大，后60d和90d的侵蚀深度和速度都减小，说明氯离子侵蚀到达一定时段后侵蚀保持稳定，由此推测橡胶混凝土在海洋环境中抗氯离子能力较强，其耐久性得到提高.

尤伟[2]研究了海洋大气环境中（即氯离子腐蚀和碳化耦合作用下）不同细度与掺量下橡胶粉对混凝土抗腐蚀性能影响，结果表明在一定掺量范围内加入橡胶粉可有效降低腐蚀深度提高混凝土抗侵蚀性.

1.2 抗碳化性能

于群[3]等研究表明，胶粒的加入改善了混凝土内部孔结构，形成大量封闭孔，从而抑制了二氧化碳的侵入，改善了混凝土抗碳化性，且橡胶粒径越小效果越明显.

袁群[4]等研究了碳化时间、橡胶颗粒尺寸和掺量对混凝土抗碳化性能影响.结果表明，橡胶混凝土早期抗碳化效果优于后期，1-3mm粒径效果最好，适宜掺量范围15%-20%，其次是3-6mm粒径最佳掺量0-5%，掺60目胶粉混凝土的抗碳化性能最差，掺量越多，性能越差.

1.3 抗冻融性能

周梅[5]等研究指出，胶粒的掺入使混凝土抗冻性得到提高得益于其具备引气和填充的双重功能.其中胶粒替代率对动弹模损失率的影响程度大于细度模数对其影响，相对动弹模损失随胶粒替代率的增加而递减.替代率相同情况下，胶粒越细混凝土的动弹模损失越小.替代率40%时，橡胶混凝土具有良好抗氯离子渗透、高抗盐冻性能.

许金余[6]等研究指出，加入适量橡胶粉，可以显著提高混凝土的抗冻性，但当用量过大时，抗冻性会变差.40目橡胶粉，掺量低于100L/m3时，抗冻性较好.冻融循环次数相同时，粒径越小，抗冻性越好.

1.4 抗冲磨性能

谢李[7]等用水下钢球法进行橡胶混凝土抗冲磨实验，结果表明，影响抗冲磨性能的要素依次是胶粒掺量>水灰比>粒径大小.水灰比0.4、胶粒掺量15%、胶粒粒径在2.36～4.75mm时耐磨性能最佳.

亢景付[8]等采用圆环法研究了不同体积分数橡胶粉对混凝土抗冲磨性能影响，发现加入橡胶粉后混凝土磨损量减少，且橡胶粉替代率越大，混凝土抗冲磨强度越高，当橡胶粉替代率为15%时，抗冲磨强度是素混凝土的2.16倍.

1.5 抗渗透性能

路沙沙[9]等研究表明，胶粒掺量相同时，粒径越大抗渗性越好;粒径相同时，掺量越大抗渗性越好.其主要原因是橡胶为疏水性材料，粗胶粉具有较强的引气能力，细孔被切断，渗透通道延长，毛细现象大大减弱，抗渗性增强.

汪振双[10]等研究表明，再生混凝土的抗氯离子渗透和抗冻性能均随胶粒掺量增加和粒径减小而提高，60目粒径的最佳掺量为30kg/m3.

许金余[11]等对不同配合比制备的橡胶混凝土进行抗渗试验，结果表明橡胶混凝土的抗渗性明显优于基准混凝土，当掺量相同时，橡胶粉粒径越小，混凝土密实度越高，抗渗性越好.胶粉用量尽可能低于100L/m3，掺量越多抗渗性越差.

综上表明，橡胶颗粒加入混凝土中与普通混凝土相比耐久性有较大提高，但由于混凝土的亲水性与橡胶颗粒的疏水性使二者的粘结性能较弱，致使橡胶混凝土强度下降，制约了橡胶混凝土的应用范围.

2 橡胶改性机理研究概况

在橡胶混凝土研究过程中，通过对橡胶颗粒表面进行预处理，将橡胶表面的憎水基团通过化学改性转化为亲水性基团，从而增强橡胶颗粒与水泥混凝土界面的相互作用，提高橡胶颗粒与混凝土的粘结强度，最终达到提高橡胶混凝土强度的目的.因此制定经济有效的改性方法及技术成为该项研究的关键所在，常用的橡胶表面改性技术及作用机理如表1所示.

通过表1可以看出，橡胶表面改性以后对橡胶混凝土的强度及耐久性能均有不同程度改善，而这种增强作用与橡胶表面改性效果是否有关？很多学者对橡胶混凝土的孔结构和界面结构进行分析以此验证与实验结果的一致性.朱晓斌等[12]从橡胶混凝土断面上观察未改性橡胶颗粒与水泥石之间的界面，发现过渡区的水化产物与砂浆和胶粒之间存在明显分界.于利刚[13]通过压汞实验对改性胶粒表面结构和亲水性变化进行分析，得出橡胶粉经改性后其憎水亲油性发生改变，孔表面粗糙程度得到改善，同等掺量下，改性胶粉的孔隙率和平均孔径均小于未改性胶粉.并通过粘结实验和改性胶粉与水泥浆体界面分析发现，胶粉表面覆盖部分水化产物，说明两者之间实现了化学键结合，因此提高了界面粘结力.刘日鑫[14]通过微观观察混凝土断裂面发现胶粒经改性后与混凝土基体的界面结合情況要优于未改性橡胶混凝土，并通过PTIR红外分析得出硅烷偶联剂中的氨基与胶粒中的酚羟基发生反应，偶联剂与胶粒实现成功“桥接”，使得橡胶混凝土的塑性和冲击韧性得到明显提高.

3 改性橡胶混凝土耐久性研究展望

综上表明，将橡胶表面改性以后再掺入混凝土中的耐久性研究理论可行.而适宜的改性试剂的选择和优化的配合比设计将会进一步提高橡胶混凝土的耐久性能，已有部分相关报道证实这一结论.

刘娟红[15]等研究表明，经改性以后，橡胶混凝土弹性模量下降较小.掺10%、15%、20%改性橡胶混凝土的阻尼比与素混凝土相比分别提高了11%、34%、56%.

卞立波[16]研究得出，胶粒表面改性后与混凝土的界面结合情况要好于未改性橡胶混凝土，经150次冻融循环后，掺量15%、20%表面改性的混凝土相对动弹性模量分别为65.1%、60.1%，而未改性混凝土则破坏.

陈振伟[17]等研究显示，用NaOH溶液和CaCl2溶液处理后的橡胶混凝土抗疲劳性能最优，且在一定掺量范围内，随掺量增加，疲劳寿命增速明显.

在2018第十届全球汽车产业峰会上国家信息中心副主任徐长明指出，预计2020年，中国汽车保有量将达到6.3亿辆.伴随其后的将是汽车报废量的大幅增长，根据既有的数据预测指出将在2018-2020年迎来汽车报废高峰.届时大量废旧汽车轮胎的回收利用与闲置堆弃带来的环境问题将成为社会难题.早在2010年国家工业和信息化部就出台了《废旧轮胎综合利用指导意见》，并把加大橡胶在建筑等领域的推广应用力度作为重点任务.十九大报告中“环境”一词更是出现了29次，“资源”出现了13次，说明绿色循环经济建设的好坏与否已是关乎民族未来的大事.因此，现阶段开展废旧轮胎橡胶颗粒对混凝土耐久性研究，不仅对建设资源节约型和环境友好型社会有益，而且对确保中国国民经济的可持续发展具有战略意义.

4 结论

当前，橡胶混凝土研究已取得阶段性的成果.橡胶的掺入不但能改善混凝土的韧性、耐久性等性能，并且能够大量消耗废橡胶，为废橡胶的资源化利用开拓新途径.对橡胶混凝土耐久性进行研究的终极目的是工程应用，为达到此目的，可在以下方面进一步开展研究：

（1）当前对耐久性研究的深度还不够，尤其是改性剂的作用机理和界面微观研究亟待加强.

（2）当前研究主要考虑了高温、低温、氯盐腐蚀、混凝土碳化等单因素对耐久性的影响，而多要素耦合作用下的相关研究还很奇缺，应努力创建内容完整的一套体系，最终实现结构安全耐久.

（3）目前还没有能用于工程实际且价格低廉性能更优的改性试剂的报道，因此在改性试剂配制和混凝土配合比优化设计上应再深入研究，在符合经济效益满足强度要求的条件下将橡胶混凝土应用到要求更高的工程领域.

参考文献：

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〔4〕袁群，冯凌云，等.橡胶混凝土的抗碳化性能研究[J].混凝土，2011（7）：91-93+96.

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〔8〕亢景付，范昆.橡胶混凝土抗冲磨性能[J].天津大学学报，2011，44（8）：727-731.

〔9〕路沙沙，麻凤海，等.橡胶颗粒掺量、粒径影响橡胶混凝土性能的试验分析[J].硅酸盐通报，2014， 33（10）：2477-2492.

〔10〕汪振双，王宝民，等.橡胶颗粒对再生混凝土耐久性影响[J].哈尔滨工业大学学报，2015，47（6）：109-112.

〔11〕许金余，李赞成，等.橡胶粉对混凝土抗渗性影响的试验研究[J].硅酸盐通报，2014，33（2）：388 -392.

〔12〕朱晓斌，洪锦祥，刘加平，等.橡胶微粒混凝土抗介质渗透性能与微观结构[J].商品混凝土，2010（7）：45-47+60.

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〔14〕刘日鑫，侯文顺，徐永红，等.废橡胶颗粒对混凝土力学性能的影响[J].建筑材料学报，2009， 12（3）：341-344.

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〔17〕陈振伟，胡卫国.不同橡胶处理方式对改性水泥混凝土力学性能影响[J].中外公路，2016，36（5）：258-261.