橡胶混凝土工作、力学与耐久性能研究综述

王 菲

（陕西交通职业技术学院 公路与铁道工程学院，陕西西安710018）

21 世纪以来，全球汽车工业呈现出迅猛发展之势，然而相伴随的是大量废旧轮胎亟待处理。这些废旧轮胎已严重威胁到人类的生存环境，若对其进行堆积、填埋或焚烧处理，只会加重环境污染[1]。因此，最好的办法是将废旧轮胎回收、加工与处理之后再次利用[2]。目前，废旧轮胎回收利用已被列入《中国21 世纪议程》方案之中，且规划至循环经济重点发展领域。

将废旧轮胎制成橡胶颗粒，作为骨料掺入到混凝土中，可制成土木工程复合材料橡胶混凝土。橡胶颗粒主要通过物理作用将混凝土内部结构优化，不会使混凝土中各种材料的化学性能发生变化。用废旧橡胶颗粒与混凝土共同制备橡胶混凝土，是一种环境友好的资源再利用方式，既可大量利用废旧轮胎，又能为混凝土固有脆性问题的解决提供新方法[3]。国内外学者在此方面展开了丰富的研究，发现了橡胶混凝土的很多性能优势，文章主要对橡胶混凝土在工作性能、力学性能以及耐久性能等方面的国内外研究进行综述。

1 橡胶混凝土工作性能研究

废旧橡胶颗粒的形状、表面粗糙度以及尺寸等均会对橡胶混凝土的工作性能产生很大的影响，不同学者在这一方面的研究结果存在一定的差别。多数学者研究表明，与橡胶颗粒掺量的不断增加相伴随，橡胶混凝土的坍落度会减小，这会对其工作性能产生负面影响[4-5]。究其原因，在于橡胶颗粒的表面形状是锯齿状的，会使拌合物之间的摩擦力变大，且橡胶憎水性比较强，会令很多空气吸附于橡胶颗粒表面，使混凝土中的空气含量增加。Khatib[6]进一步研究指出，橡胶混凝土的坍落度会随着橡胶颗粒掺入量的增加而减少，当橡胶颗粒含量增加至骨料总体积的40% 时，橡胶混凝土的坍落度会近乎降至零，此时，无法进一步开展人工搅拌工作，为确保试件的密实性，必须对其进行振捣处理。但是，少数学者得出与上述研究不同的结论。Benazzouk 等[7]提出，随着橡胶颗粒掺量的不断增加，橡胶混凝土坍落度呈现出逐渐上升的变化趋势。王军军[8]研究显示，若采用20目橡胶颗粒将相同体积的细集料替代，橡胶混凝土的坍落度会随着橡胶颗粒掺入量的不断增加呈现出先上升后降低的趋势，但不管怎么变化，都大于未掺橡胶颗粒的混凝土的坍落度。

此外，学者研究还发现，分别将大粒径橡胶颗粒、小粒径橡胶颗粒、两种粒径橡胶颗粒混合物掺入混凝土中，掺入小粒径橡胶颗粒的橡胶混凝土工作性能在3 组中表现最佳，而因为橡胶颗粒密度比较小，在实验环节若是等体积替代，随着掺入量的不断增加，混凝土中砂、石等骨料的含量会减少，这会使橡胶混凝土密度降低[9]。

2 橡胶混凝土力学性能研究

2.1 强度研究

学者围绕橡胶混凝土抗压强度展开的研究普遍认为，若将橡胶颗粒加入至混凝土中，随着橡胶颗粒掺量的不断增加，橡胶混凝土的抗压抗折强度会逐渐减小[10-11]。作为一种有机材料，橡胶颗粒同无机材料水泥之间并不能实现较好的粘结，主要原因在于橡胶混凝土的强度会随着橡胶颗粒掺量的增加而减小。橡胶颗粒粒径、形状等不同，它们对橡胶混凝土强度的降低也会存在差异。Ali 等[12]研究指出，掺加细胶粉的橡胶混凝土抗压强度降低幅度要小于掺加粗胶粉的橡胶混凝土抗压强度降低幅度。李伟等[13]通过多组试验证明，相较于掺加胶粒的橡胶混凝土而言，掺加胶粉组的橡胶混凝土抗压强度降低更为明显，掺加胶粒组的橡胶混凝土性能更佳，且随着橡胶颗粒掺量的不断增加，会出现一定的早强效应。付传清[14]认为橡胶颗粒的龄期也会影响橡胶混凝土的强度，随着龄期的延长，橡胶颗粒会更加密实地同水泥水化产物结合，这有利于橡胶混凝土强度的提升。

橡胶混凝土可以作为结构材料的前提是有较高的强度，橡胶颗粒在混凝土中的掺加会将混凝土强度降低，进而对其应用形成制约，所以有必要采取相应措施将橡胶混凝土强度提高。而为了达到优化橡胶颗粒与水泥石粘结性能，进而提高强度这一目的，学者们提出了相关观点：（1）用水浸泡橡胶，将其表面的污物去除，该方法原理简单，操作起来也很方便，无需高费用支出，然而，此方法对橡胶混凝土强度的增强作用并不明显。如Neil等[15]用水浸泡橡胶，结果发现橡胶混凝土的抗压强度仅比未处理之前增加了16%。（2）无机改性，即采用各种酸性或碱性溶液腐蚀橡胶混凝土，通过橡胶颗粒表面粗糙度的增加实现对橡胶颗粒同水泥基体粘结性能的增强。Segre 等[16]用NaOH 溶液浸泡处理橡胶颗粒，降低了橡胶颗粒中添加剂硬脂酸锌的含量，提高了橡胶混凝土的强度。田帅等[17]采用多种无机改性剂进行橡胶混凝土改性试验，发现无机盐对橡胶混凝土的改性效果最好。对于橡胶混凝土来说，无机改性比较容易实现，也符合环保要求，但其无法从本质上将橡胶同水泥砂浆之间的粘接性能优化。（3）有机改性，含各种有机溶剂与偶联剂，有机溶剂改性是利用一些有机溶剂同水泥基体发生物理或化学作用；偶联剂改性则是偶联剂分子中的水解基团水解后同无机物表面羟基结合，有机基团同有机物结合，使偶联剂在无机物同有机物之间形成化学键结合。李悦等[18]通过硅烷改性的苯丙聚合物乳液X、苯丙聚合物乳液Y 以及硅烷偶联剂KH-550 改性处理橡胶混凝土，断定橡胶集料界面改性能增强橡胶混凝土强度，其中硅烷改性苯丙乳液的改性效果最好。

2.2 应力应变曲线研究

橡胶混凝土具有增韧减脆的特点，其断裂程度表现出塑性破坏的状态，这与普通混凝土并不相同，且其能量吸收要比普通混凝土高[19]。董建伟等[20]指出，普通混凝土极限拉伸应变为1×10-4，橡胶混凝土是其2 倍。冯文贤等[21]以橡胶混凝土为对象实施单轴受压试验，得到橡胶混凝土的应力- 应变曲线及单轴受压本构方差，发现曲线上升段本构参数A 与曲线下降段本构参数a 随橡胶颗粒掺量增加不断变小，橡胶颗粒的粒径不会对参数A 与a 产生较大的影响。王婧一等等[22]以橡胶混凝土与普通混凝土为对象实施单轴受压对比试验，得到两者的应力- 应变曲线，发现前者单轴受压应变峰值分别是后者的 1.74 与1.92 倍。

3 橡胶混凝土耐久性能研究

混凝土耐久性指的是混凝土对外界环境进行抵制，同时长期保持自身良好的使用性能与外观完整性，维持结构安全以及正常使用的能力[23]。欠缺耐久性，混凝土结构物会在计划使用寿命之前损坏，出现质量事故。作为一种新型的土木工程材料，橡胶混凝土的耐久性同样会对其结构物的使用寿命产生直接的影响，以下从抗渗性与抗冻性两方面介绍橡胶混凝土耐久性的研究进展。

3.1 抗渗性研究

Oikonomou 等[24]研究指出，用橡胶颗粒替代细集料掺入水泥砂浆中，会大幅度优化水泥砂浆的氯离子渗透性，且此效果会在橡胶颗粒掺量达12.5% 时最佳。冯凌云等[25]从温度方面分析了橡胶混凝土氯离子渗透性所受的影响，发现高温在氯离子渗透过程中发挥着加速作用，当橡胶颗粒掺量为7% 时，橡胶混凝土的抗氯离子渗透性比较理想。张亚梅等[26]研究指出，在橡胶颗粒掺量不大于10% 时，橡胶混凝土的抗渗性会随掺量增加而提升，而橡胶颗粒掺量超过10%，橡胶混凝土抗渗性会随掺量增加而降低。田艳凤等[27]研究显示，橡胶颗粒掺量在125L 的范围内会对混凝土抗渗性产生优化作用，粒径不同，橡胶颗粒对混凝土抗渗性的优化效果存在差异，橡胶颗粒粒径越小，混凝土抗渗性越佳，原因在于橡胶颗粒掺入混凝土中会对其内部孔隙进行填充，且粒径越小，填充效果会越好，混凝土毛细孔隙率相对也会越低，故抗渗性能越理想。

3.2 抗冻性研究

Richardson 等[28]指出，橡胶颗粒掺量为0.6%，橡胶混凝土的抗冻性会明显优化。王涛等[29]试验显示，掺入橡胶颗粒之后，橡胶混凝土抗冻性被优化，80 目橡胶颗粒掺量在（30～90）kg·m-3时，橡胶混凝土抗冻性会随橡胶颗粒掺量的增加不断增强。张亚梅等[30]研究发现，橡胶颗粒的粒径也会对橡胶混凝土的抗冻性产生影响，粒径为（3～4）mm 的较粗橡胶颗粒并不会对橡胶混凝土的抗冻性产生明显的改善作用，而粒径为140μm 的较细橡胶颗粒则能有效将橡胶混凝土抗冻性提升，此外，在合适掺量下，橡胶颗粒的加入还会将混凝土在水与NaCl 溶液中的抗冻性提升。

4 橡胶混凝土应用领域研究

普通混凝土大多具有脆性大、易开裂、抗环境侵蚀能力低等劣势，这成为土木工程领域的大难题，在橡胶混凝土出现以后，混凝土落实以及废旧轮胎污染的难题都得到了解决，各国学者与业界人士均积极推进橡胶混凝土的工程应用及相关研究。Piti 等[31]对橡胶混凝土预制板具有的隔热性进行试验与分析，提出当掺入10%、20%、30% 的橡胶颗粒时，橡胶混凝土预制板的热传导性能均比较低，可作为保温隔热材料应用于屋面建筑物中。Hernandez-Olivares 等[32]进行刚性橡胶混凝土路面的铺设，并试验分析其抗疲劳性能，具体地，试验利用掺量为0%、3.5%、5% 的橡胶颗粒铺设刚性路面，在马德里自然条件下使用一段时间，结果表明橡胶混凝土相较于普通混凝土而言，耐久性提高约5%。史巍等[33]研究表明，与普通混凝土楼板相比，橡胶混凝土楼板的隔音效果更好，以对强度的保证为前提，在修筑楼房中应用橡胶混凝土可满足生态建筑所提要求。田帅等[34]指出，橡胶混凝土的导热系数比普通混凝土要低，将橡胶颗粒作为隔热材料掺入混凝土中，可在桥梁路面取得良好的隔热效果，当桥面下层材料用橡胶颗粒掺量为4%的橡胶混凝土替代时，桥梁路面的温度基数减控系数可达28.5%。

根据已有研究成果，橡胶混凝土基于其明显优势而在公路、铁路、建筑等领域有着相对广阔的应用前景。

4.1 公路方面的应用

基于变形能力、抗冲击性能、吸声性与耐久性等优势，橡胶混凝土越来越多地被应用于道路施工工程实例中。1997 年，美国明文规定路面施工必须保证大于20%的橡胶颗粒用量；2003 年，亚利桑那州北部建成全球首条橡胶集料混凝土路面。2005 年，我国建成全球首个橡胶混凝土浇筑的高速公路收费站[35]。

4.2 铁路方面的应用

韩国用废旧轮胎制成橡胶颗粒与胶粉，同水泥、砂石等材料混合制成铁路枕木，质轻、抗冲击、耐疲劳、耐腐蚀等优势突出，当列车在此类枕木上运行时，不会有很大的噪音与颠簸现象。自此，该技术被欧美等国家陆续应用于铁路工程施工之中，实践表明，该类橡胶混凝土枕木还有寿命长、维修率低等优势，可大幅度削减后期运行维护成本。

4.3 建筑方面的应用

橡胶混凝土抗冲击韧性、减震性与吸声隔热优势明显，十分适于用作建筑材料。用橡胶颗粒将部分骨料替代，还会降低市场上混凝土的价格。虽然目前在建筑领域的应用尚处于研究阶段，但不容置疑，橡胶混凝土有着乐观的市场前景。

5 结论

用废旧轮胎制成橡胶颗粒，利用橡胶颗粒的高弹性、表面憎水性将混凝土脆性、耐久性优化，这是橡胶混凝土的特点。然而，废旧轮胎制成的橡胶颗粒对混凝土的强度性能发挥着降低的作用，这在较大程度上限制了橡胶混凝土的实际应用。为了将橡胶颗粒的性能优势更好地发挥出来，克服或削弱其缺点，扩大橡胶混凝土在实际工程中的应用率，学者们应在以下方面进行更加深入的研究：（1）把握橡胶改善混凝土性能的机理，为橡胶混凝土组成的优化设计提供理论借鉴；（2）把握橡胶混凝土界面结构与形成机理，为橡胶混凝土界面的优化提供理论借鉴；（3）通过橡胶颗粒表面改性与混凝土组分设计，以对强度的满足为前提在阻尼抗震、抗冲击性能等更高要求领域应用橡胶混凝土。