橡胶混凝土的力学及抗冲磨性能研究现状

陈笑笑 韩小燕 姬艳婷 段文雷 张凯泉

摘 要：我国是一个多河流国家，含沙高速水流会对水工泄水建筑物造成严重的冲磨破坏。大量废橡胶造成了比白色污染更难处理的黑色污染，橡胶因其弹性模量大、抵抗破坏能力强、密度小等特性，能够弥补普通混凝土在冲击荷载作用下易磨损破坏的缺点，在建筑材料中使用废旧轮胎粉碎成的橡胶集料，既可以解决混凝土集料资源短缺问题、废旧橡胶企业带来的环境污染问题，又可以改善混凝土自身存在的一些缺陷。

关键词：橡胶混凝土;掺量;改性方式;抗冲磨性能

中图分类号：TU528.36   文献标志码：A     文章编号：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

我国拥有10万多条河流，在北方地区，河流含沙量较高，其中含沙量最高的当属黄河。含沙高速水流系统会对我国水工泄水建筑物的过流表面的混凝土结构造成严重的冲磨破坏;尤其是当高速水流中夹杂悬移质或推移质时，冲磨损坏就更为明显。素混凝土普遍存在抗拉强度低、脆性大等缺陷，抗冲磨性能差，已经无法满足日渐增长的建设需求。调查表明，我国近50%的大型水工建筑物在运行过程中出现了冲刷磨损现象。泄水建筑物的冲磨破坏不仅会影响中国水利建设工程的正常运行，严重时还会引发灾难性事故，而且反复进行修补、加固等工程也会消耗大量的人力和财力。如何解决水工建筑物的沖刷磨损问题，已成为水利工程建设中的一个难题。

近年来，随着人们生活水平的提高和物流业的高速发展，我国的私家车保有量和货车的数量逐年增加。然而，随着汽车的普及，废旧轮胎也逐渐增多。我国每年产生的废旧轮胎已连续10年居世界前列。废旧轮胎属于废旧橡胶，在自然状态下不易被降解，填埋会污染土地和地下水资源;焚烧会产生带颗粒黑色浓烟污染大气;堆积会占用大量土地、滋生蚊虫、传播疾病。大量的废旧橡胶造成了严重的黑色污染，且黑色污染比白色污染更难处理，同时也浪费了大量的橡胶资源。如果能够合理有效地利用废旧轮胎，不仅可以解决环境问题，还可以解决资源浪费问题。普通混凝土结构强度高，但自重和脆性均较大，在冲击荷载影响作用下容易出现开裂破坏。而橡胶弹性模量较大，相比普通集料能够承受较大的力学变形量。抵抗破坏能力较强，且密度较小。

将废旧轮胎粉碎成橡胶集料在建筑材料中使用，是一种处理和利用这种固体废弃物的较好的方法。在混凝土中掺入橡胶集料，既可以解决混凝土集料资源短缺问题、废旧橡胶企业带来的环境污染问题，又可以改善混凝土自身存在的一些缺陷。

国内外对混凝土抗冲磨性能的试验研究主要集中在增强混凝土耐磨性的外加剂的研究和开发上，或者通过在普通混凝土中加入掺合料来改善混凝土的抗冲磨性能。在众多掺合料中，橡胶弹性模量大，抵抗破坏能力较强，密度较小，既可以解决混凝土集料资源短缺问题，又可以解决废旧橡胶带来的环境污染问题，已逐渐成为研究的热点。

1 橡胶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、黏聚性和流动性，其性能的好坏不仅关系到施工的难易程度，还直接影响着混凝土的浇筑施工质量，进而影响混凝土的耐久性。主要用坍落度指标来测定拌合物的流动性，如果坍落度不符合规范设计要求，就会因混凝土拌合物振捣不密实，而产生蜂窝、气泡等缺陷。

橡胶混凝土是在普通混凝土的基础上加入一定比例的橡胶颗粒制成的复合材料。橡胶颗粒在混凝土中通过物理作用改善混凝土骨料的内部堆积结构，从而改善混凝土的工作性能。

目前大多数研究认为，橡胶颗粒的加入可以减少混凝土的坍落度。有学者用橡胶材料顆粒等替代40%的骨料配制成的橡胶进行混凝土的拌合，对坍落度的影响几乎为零，在其他条件相同的情况下，橡胶混凝土的密度与橡胶粒子的大小呈正相关。主要原因是橡胶颗粒具有吸水特性，导致橡胶混凝土流动性变差，进而导致坍落度减小。而在掺量相同时，所掺粒径越小，其表面积就越大，吸水特性就越强，坍落度减小幅度就较大。但也有学者持不同意见，王军军等[1]将20目的废旧橡胶颗粒以0%、5%、15%、25%的比例按等体积法取代混凝土中细集料，而后检测其拌合物工作性能，试验发现，随着橡胶颗粒掺入量的提高，其拌合物的坍落度呈现先增大后减小的现象，但所有掺入橡胶颗粒的混凝土拌合物的坍落度均较普通混凝土大。除掺量、所掺粒径的大小，也有学者对橡胶颗粒改性方式进行了研究，国内学者杨春峰等[2]以不同强度混凝土为基准，以橡胶颗粒粒径、掺量、改性处理方式、橡胶掺入形式为试验变量，设计成不同配合比的橡胶混凝土，较为系统地研究了其拌合物的工作性能。试验研究结果表明：当其他条件保持不变，只改变所掺橡胶颗粒粒径时，掺入较大粒径的橡胶混凝土工作性能优于掺入较小粒径橡胶颗粒的工作性能;掺入改性技术处理后的橡胶颗粒，可以在一定程度上提高橡胶混凝土的工作性能;当其他因素不变时，橡胶混凝土的工作性能在一定时间范围内随着粗橡胶颗粒掺量的增加而增加，而掺细橡胶粉的拌合物工作性能则相反;当橡胶颗粒的掺量大于10%或者直接外掺橡胶颗粒的掺量大于20 kg/m3时，橡胶混凝土的工作性能则迅速降低。也有一部分学者认为坍落度的减小是因为橡胶颗粒的掺入使得混凝土内部含气量、毛细孔率及半径等微观结构发生了变化。杨卫坤等[3]按3种粒径（60目、1～3 mm、3～6 mm），6种掺量（0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%）以等体积可以取代砂的方式，配制成不同橡胶进行混凝土拌合，研究其拌合物的工作性能，研究结果发现，橡胶混凝土的含气量随着橡胶掺入量的增大而增加，粒径越小，橡胶混凝土的含气量越大，而坍落度则随掺入量的增大而减小。

2 橡胶混凝土基本力学性能研究

混凝土的基本力学性能能够较好地反映混凝土材料的极限承载力和变形能力，为结构设计提供重要的试验依据。大量研究结果显示，混凝土的强度大小主要取决于骨料的强度、水泥的强度及骨料—砂浆界面过渡区的黏结强度。因此，许多研究者通过改变所掺橡胶颗粒粒径大小、掺量以及骨料—砂浆的界面过渡区黏结强度来控制混凝土的强度。

在橡胶颗粒掺量方面，研究者一般将橡胶颗粒等体积取代细骨料，由于橡胶自身强度较低，掺入后，混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度等各项力学强度指标均会降低。很多学者认为橡胶颗粒的大小和掺量是影响橡胶混凝土各种强度指标的主要因素。Eldin等[4]用橡胶颗粒代替粗集料和细集料，研究混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度的变化规律，证明混凝土的抗压强度和抗拉强度分别降低了85%和50%;当用橡胶颗粒取代所有细骨料时，混凝土抗压强度和抗拉强度分别降低了65%和50%。当取代掺量在25%以下时，强度下降幅度能够确保在50%以内。袁群等[5]通过改变强度为C40、C50的基准混凝土中的橡胶颗粒粒径、掺量，研究了橡胶混凝土的抗压强度、劈拉强度的变化规律。结果表明，掺入橡胶颗粒后，混凝土强度降低，并且随着橡胶掺量、颗粒粒径的增大而降低，但抗冲磨强度提高了9.57倍，且所掺橡胶颗粒粒径越大、掺量越多，抗冲磨性能越好，推荐15%为最优掺量。

针对所掺入橡胶颗粒粒径大小方面，冯凌云等[6]发现，在其他条件相同时，掺入橡胶颗粒粒径越小，立方体抗压强度越低，主要原因是橡胶颗粒是具有憎水性的有机材料，与无机材料水泥石间的黏结强度远小于砂与水泥石间的黏结强度，且橡胶颗粒粒径越小，比表面积越大，其与水泥石间的薄弱界面也越大，橡胶混凝土的抗压强度越小。

3 橡胶混凝土抗冲磨性能方面

绝大多数学者采用水下钢球法或圆环法，通过控制橡胶颗粒的大小、掺量以及改性方式来研究抗冲磨性能[7]，无论采用哪种方法，均证明掺入橡胶颗粒后的混凝土抗冲磨性能有明显的提高[8]。

Kong等[9]的研究发现橡胶颗粒的掺入降低了混凝土的抗压强度，但显著提高了混凝土的抗冲磨强度，最大提高了333%，抗冲磨效果优于硅粉混凝土。Rajahrm S等[10]通过改变混凝土水灰比和粗细骨料的产品品种进行抗冲磨试验方法研究。当每组混凝土的冲磨深度达到3.5 mm时，根据磨损率计算出混凝土的抗磨强度与水灰比的关系。试验结果表明：存在一个最优水灰比，可以使得混凝土的抗冲磨性能较好，但如何选出最优水灰比，目前尚无定论。此外，部分学者从能量角度出发，建立了有关磨粒磨损的能量损耗相关理论。

天津大学亢景付等[11]采用圆环法，将基准混凝土和硅粉混凝土设置为对照组，按5%、7.5%、10%、15%的比例将16目橡胶粉分别掺入混凝土中，研究橡胶混凝土的抗冲磨性能。试验结果表明：三种混凝土的抗冲磨性能从强到弱依次为橡胶混凝土、硅粉混凝土、普通基准混凝土。且橡胶混凝土的抗冲磨强度随着橡胶粉掺量的增加而提升，通过机理分析认为，橡胶混凝土抗冲磨强度的提高主要是因为橡胶粉颗粒可以吸收含砂水流的冲击能量，这种吸收作用显著延缓了水泥石的破坏历程。袁群等[5]分别将强度为C40、C50的混凝土设为对照组，通过改变掺入橡胶颗粒的粒径、体积来研究橡胶混凝土的抗冲磨性能。试验结果表明，在其他条件不变时，随着橡胶含量的增加，混凝土的抗压强度出现明显减小的现象，而抗冲磨性能却先增强后减弱，当掺量为15%时橡胶混凝土抗冲磨性能最优。

4 橡胶混凝土改性方式的研究

通过查阅大量文献发现，掺入橡胶后，混凝土的各项力学性能的下降不仅与橡胶颗粒自身强度有关，还与橡胶—砂浆界面过渡区的黏结强度有关[12]。国内外学者对如何增强橡胶颗粒与砂浆的黏结强度进行了相关的试验研究，主要通过对橡胶颗粒表面进行改性处理，以提高橡胶颗粒表面粗糙程度，改善其相容性，进而能够达到增强界面过渡区黏结强度的目的。

对橡胶颗粒改性的方法主要有物理处理、无机处理、有机处理以及无机加有机的复合处理方式。物理处理的方法主要是通过机械打磨，增加橡胶颗粒表面的粗糙程度，在一定程度上能够增加橡胶颗粒与水泥基体的黏结强度，物理处理的方法适用于粒径较大的橡胶颗粒，粒径较小的橡胶颗粒改性效果不够显著。

无机改性的方法主要是使用无机溶液浸泡橡胶颗粒，主要包括水洗改性、NaOH溶液改性、NaCl溶液改性等方法。水洗改性的机理为洗去橡胶颗粒表面的“炭黑”及其他附着物，增大橡胶颗粒与水泥砂浆的黏结面积，从而达到提高黏结强度的目的，但提高能力有限。而NaOH、NaCl等化学试剂处理能够溶解橡胶颗粒表面的硬脂酸锌，从而改善橡胶颗粒与水泥基体的黏结性能。有机处理的方法是采用硅烷偶联剂、CCl4、马来酸酐等有机溶剂浸泡橡胶颗粒，使橡胶颗粒表面的亲水性得到有效提高，从而改善与水泥基体的黏结性能。

徐宏殷等[13]在试验中采用有机溶液、无机溶液和复合溶液共6种改性方法对橡胶颗粒进行处理，研究了改性方法对橡胶水泥砂浆抗压强度和劈裂抗拉强度的影响。水洗后橡胶水泥砂浆的抗压强度和劈裂抗拉强度分别提高了7.6%和9.9%;5%氢氧化钠溶液对橡胶改性的影响与水洗相似，抗压强度提高了8.6%;氯化钠和氯化钙不仅没有提高橡胶水泥的抗拉强度，反而对橡胶水泥的抗拉强度有负面影响。有机改性剂中，CCl4的改性效果不如KH560和KH570，KH560和KH570改性橡胶水泥砂浆的抗压强度分别提高了5%和7%。

整理30年内的100项橡胶混凝土的研究结论可以发现：只有对橡胶采用溶剂处理后，橡胶混凝土的抗压强度会高于其他普通混凝土，否则低于普通混凝土，当掺量为10%时，丙酮的改性处理效果最好。郑州大学代灿灿[14]在强度等级为C20的混凝土的基础上，采用水洗、NaOH溶液、KH560以及KH570处理的改性方式对橡胶颗粒进行预处理。结果表明，四种改性处理方式中，质量分数为1%的KH570溶液处理过的橡胶混凝土的抗冲磨性能最好。

5 结语

将废旧橡胶破碎成橡胶颗粒，以骨料的形式掺入混凝土中，虽然降低了抗压强度、劈裂抗拉强度等基本力学性能，但却在很大程度上提升了抗沖磨性能，尤其是经过改性处理的橡胶混凝土因其骨料—砂浆界面过渡区黏结性能增强，在一定程度上提升了各方面的性能。但还有继续提升的空间，在当下“绿水青山就是金山银山”的绿色发展理念倡导下，将废旧橡胶颗粒变为建筑掺合料必然成为潮流做法，值得后续研究。

参考文献：

[1] 王军军，张仪华，秦文轩，等.废旧橡胶混凝土力学性能的研究[J].硅酸盐通报，2016，35（7）：2219-2223.

[2]杨春峰，杨敏，叶文超.改性方式对橡胶混凝土力学性能的影响[J].沈阳大学学报（自然科学版），2012，24（3）：78-81.

[3] 杨卫坤，袁群，冯凌云，等.橡胶混凝土拌合物性能试验研究[J].人民黄河，2011，33（9）：122-124.

[4] ELDIN N N， SENOUCI A B. Rubber-tire particles as concrete aggregate[J].Journal of Materials in civil engineering， 1993，5（4）：479-497.

[5] 袁群，李晓旭，冯凌云，等.橡胶混凝土抗冲磨性能试验研究[J].长江科学院院报，2018，35（7）：124-130.

[6] 冯凌云，袁群，马莹，等.橡胶混凝土力学性能的试验研究[J].长江科学院院报，2015，32（7）：115-118.

[7] 丁庆军，李进辉，耿雪飞，等.橡胶颗粒掺杂提高超高性能混凝土的抗冲磨性能及其机理[J].硅酸盐学报，2020，48（10）：1636-1643.

[8] 谢李，娄宗科.橡胶混凝土抗冲磨性能的研究[J].水资源与水工程学报，2014，25（2）：188-191.

[9] KONG M C.，AXINTE D ，VOICE W. Aspects of material removal mechanism in plain waterjet milling on gamma titanium aluminide. Journal of Materials Processing Technology，2009（3）： 573-584.

[10] RAIAHRM S S . Solid particle erosion of unidirectional fibre reinforced thermoplastic composites.Polymer-Plastics Technology and Engineering，2009（10）：1084-1087.

[11] 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.

[12] 朱星曈，耿欧，朱思远.废轮胎橡胶混凝土界面过渡区特征试验研究[J].硅酸盐通报，2021，40（2）：573-578.

[13] 徐宏殷，袁群，冯凌云，等.改性剂对橡胶水泥砂浆强度的影响[J].南水北调与水利科技，2015，13（1）：136-139.

[14] 代灿灿.橡胶混凝土改性剂的配制研究[D].郑州：郑州大学，2014.