废轮胎橡胶集料路用界面处理及掺量研究进展

（重庆电讯职业学院，重庆 402247）

0 引言

我国是橡胶消耗大国，至2018年，大约有20%以上的废旧轮胎没被利用，长期堆放，难以降解，成为黑色污染源。到2020年，我国废弃轮胎产生量达到2000万吨。橡胶颗粒具有强度低、弹性变形能力强的特点。水泥混凝土因其抗压强度高、耐久、稳定等优点一直是建筑材料的优选，但是较柔性路面来说，其易开裂，减震差、耐疲劳性不好。因为这些缺点制约了它在道路上的应用。国内外很多学者结合橡胶的特点，秉着废物再利用的理念，将废旧轮胎磨碎成颗粒或粉状掺入到水泥混凝土发挥橡胶的柔韧性，使得水泥混凝土素有的塑性和脆性得到了改善。

1 废轮胎橡胶集料路用需要考虑的因素

由于学者们[1-3]普遍认为废旧橡胶的掺入会影响到混凝土的基本性能，如抗压、抗折强度这就导致橡胶混凝土在道路中不能得到有效的运用。考虑到混凝土基本性能的影响，橡胶混凝在在道路应用中应注意以下问题：

1.1 橡胶颗粒的表面处理

混凝土在使用的过程中基本都是带缝工作的，其中的缝隙很大一部分来源于集料与胶凝材料之间的界面，其对混凝土的整体性能都起着至关重要的作用。界面区的强度越低则混凝土损失的强度也会随着越大。另一方面，由于废旧轮胎颗粒的掺入，混凝土内部孔隙的结构会发生改变，这同样会引起强度的降低。

废旧轮胎表面的化学组成是天然橡胶、顺丁橡胶以及丁苯橡胶。在轮胎的制作过程中为了使得橡胶具有更好的耐磨性，保护胎体不受机械损伤，会添加一些助剂：如硫磺、树脂等硫化体系，石蜡、胺类等防护体系，炭黑、煤粉等填充不强体系以及塑胶油等增塑及软化体系。3种主要胶料本身具有憎水性，跟各种助剂提炼后仍然是很好的憎水性材料。

因为橡胶集料的憎水性，增加了水泥混凝土内部的气泡含量，一部分橡胶颗粒与无极胶凝材料之间界面的气孔，另一部分则是混凝土基本本身具有的内部气泡，使得混凝土的抗压强度降低。另一方面，集料与水泥基体之间界面的抗压气强度的薄弱也影响到了混凝土的综合性能。

1.2 橡胶颗粒的掺量

橡胶集料的掺入会引起混凝土抗压强度的降低，首先从变形量上来讲，橡胶作为有机材料其硬度较水泥混凝土偏低，在外力作用下，很容易引起变形。而且橡胶的变形量与周围水泥混凝土的变形量不一致，使得橡胶混凝土实际承载能力弱，强度性能有所降低。另一方面，就是橡胶集料这个高分子材料与水泥胶体粘结不良好，界面的粘结强度很容易受外力荷载的影响发生破坏，从而导致强度降低。所以橡胶混凝土作为道路用材料时，一定要把握好橡胶集料的掺入量，找到最佳掺入量显得尤为重要。

2 废轮胎橡胶集料混凝土路用的改进方法

混凝土中集料与胶凝材料之间的粘结强度是构成构件强度的主要方式之一，作为有机材料的橡胶集料并不参与水化作用，与水泥基体的粘结强度也不如水泥与砂石之间的粘结力，因此对于废轮胎橡胶集料路用首先要考虑对橡胶颗粒表面进行处理。此外就是确定集料的最佳掺量，使其既能满足道路要求的力学性能，又能满足其减震降噪的路用性能。

2.1 橡胶颗粒表面处理方法

（1）清水浸泡

废旧轮胎粉碎所形成得橡胶集料表面有很多的灰尘，它像一层薄膜一样隔阂在水泥胶体和橡胶集料的界面上，影响橡胶集料的粘结，同时这部分灰尘的吸水性较大，由于其吸水很容易造成水泥胶浆水化不完全，造成混凝土膨胀开裂。水洗可以清除集料表面的灰尘，在一定程度上提高了集料和水泥胶浆的粘结，加大橡胶集料周围水泥的水化程度。从而提高混凝土试件的整体强度。

（2）偶联剂浸泡处理

学界从两方面对偶联剂进行分析：变形层[4]理论，指通过偶联剂的浸泡在橡胶集料表面形成一层比较厚，具有松弛界面并阻止界面进一步开裂作用的柔性树脂层，这样可以强化橡胶集料和水泥胶浆之间的粘结作用；表面浸润理论，关键看橡胶集料和水泥胶浆能否完全浸润，完全浸润后的橡胶集料在界面处的物理吸附能力增强，但是要注意浸润的完全性，如果浸润不良反而影响橡胶集料表面的黏结性。

（3）酸性处理

在生产橡胶过程中往往会掺加硬脂酸锌的活性剂。橡胶集料的硬脂酸锌可溶于酸，经过酸性溶液浸润后，表面粗糙且会发生溶胀。这样粗糙的表面就可以增加其与水泥胶体之间的粘结力。

（4）NaOH溶液浸泡处理

在很多对橡胶混凝土的研究中，学者们都从以上几种方式进行对橡胶集料进行处理，并以混凝土抗压强度作为指标，选择最优的处理方式。部分学者[6-8]对橡胶集料的处理方式及效果，如表2所示

表2 橡胶集料表面处理方式对混凝土抗压强度的影响

从表中可以看出，经过NaOH溶液处理过的橡胶颗粒等体积代替水泥混凝土集料，对提升橡胶混凝土抗压强度效果比较明显。因此对于因为橡胶颗粒掺入而降低的混凝土抗压强度可以通过改良剂对集料进行处理后来填补。但是，在用NaOH溶液作为改性剂时需要注意其浓度对水泥砂浆的不利影响。

2.2 橡胶颗粒掺量的确定

混凝土最基本的力学性能指标是抗压强度，它反映强度等级也影响着其它性能。学者杨若冲[5]等人通过一系列试验，也提出橡胶混凝土的力学变化对抗压强度最敏感。因此可以选用抗压强度作为确定橡胶颗粒掺量的主要指标。

很多学者的研究都显示混凝土的弯拉模量随着橡胶颗粒的增多会降低。通过试验[7]，也得出相应的结论，其抗压强度和弯拉模量的变化值如表2所示。

表2 橡胶集料掺量对混凝土力学性能影响

从表中看出虽然混凝土的抗折强度随着橡胶集料的掺入呈下降的趋势，但是降低值没有抗压强度那么大，因此可以说明由于橡胶集料的加入，混凝土的抗裂能力有所增强。弯拉模量的减小说明混凝土韧性和变形能力增强。综合以上的分析，可以选择抗压强度降低较少，弯拉模量降低较快的值。这样即可以满足水泥混凝土的力学性能，又可以满足路用材料对韧性和抗震性的要求。

也可以根据道路的适用环境和条件，选择抗压强度和抗冻性能等作为研究指标确定最佳掺量。

3 结语

目前国家公路建设的高速发展，特别是在现在国家脱贫攻坚的重要时期，习近平总书记强调推动“四好农村路”高质量发展。将废橡胶集料替代水泥混凝土集料而形成的橡胶混凝土不仅从经济上能够降低公路建设的成本，更能从环保的角度改善废旧轮胎带来的“黑色污染”。在废轮胎集料水泥混凝土路用的过程用，建议从橡胶集料表面处理和橡胶集料掺量，提高其路用性能。