改性方式對橡膠混凝土力學(xué)性能的影響

楊春峰，楊 敏，葉文超

（沈陽大學(xué)a.建筑工程學(xué)院；b.遼寧省環(huán)境巖土工程重點實驗室，遼寧沈陽 110044）

改性方式對橡膠混凝土力學(xué)性能的影響

楊春峰a，b，楊 敏a，葉文超a

（沈陽大學(xué)a.建筑工程學(xué)院；b.遼寧省環(huán)境巖土工程重點實驗室，遼寧沈陽 110044）

針對近年來國內(nèi)外學(xué)者通過試驗研究表面改性后的橡膠對混凝土力學(xué)性能的影響，在綜述已有研究成果的基礎(chǔ)上，總結(jié)了水洗、無機溶液浸泡、有機溶液清洗和有機聚合物潤濕等多種表面改性處理方式對混凝土強度的影響規(guī)律，分析了不同改性方式的優(yōu)缺點，提出了改性處理研究存在的問題，以供相關(guān)研究參考.

廢舊橡膠；橡膠混凝土；改性；力學(xué)性能

廢舊橡膠混凝土（Crumb Rubber Concrete，簡稱CRC），即是把廢舊橡膠制成不同粒徑摻加到普通混凝土中所形成的一種新型復(fù)合材料，它既解決了廢舊橡膠的循環(huán)利用和無污染的消化處理，又提高了混凝土的綜合性能.經(jīng)過大量的試驗研究表明［1-6］，橡膠混凝土相對于普通混凝土具有質(zhì)量輕、彈性好、韌性高、延性好、抗沖擊性好、阻尼性好、抗凍性能好等優(yōu)點，但是其強度降低.

為了減小橡膠混凝土的強度降低，國內(nèi)外很多學(xué)者提出了不同的改性處理方式，主要包括：水、無機溶液、有機溶液、有機乳液、橡膠表面清洗劑、混合試劑等預(yù)處理橡膠的方式，以及直接在橡膠混凝土中添加能夠增強橡膠與水泥砂漿的粘結(jié)劑或摻合料等改性措施.本文通過綜述國內(nèi)外有關(guān)不同改性處理方式對橡膠混凝土力學(xué)性能的影響的研究狀況，總結(jié)了改性處理對廢舊橡膠混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律，綜合分析了不同改性處理方式的優(yōu)缺點，提出了改性處理研究存在的問題和未來研究方向.

1 研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

自20世紀(jì)90年代初期，以美國為代表的西方發(fā)達國家就開始了橡膠混凝土的試驗研究，為了減少橡膠混凝土的強度降低，研究者們提出了水洗、NaoH溶液浸泡、CCl4溶液潤濕等預(yù)處理橡膠的改性方式.

Eldin等試驗研究了用水浸泡橡膠的預(yù)處理方式對混凝土抗壓強度的影響.結(jié)果表明：相對于未處理的橡膠混凝土，經(jīng)改性處理的橡膠混凝土抗壓強度提高了16%［7］.

Segre等試驗研究了用NaoH的飽和溶液浸泡橡膠顆粒的改性處理對混凝土力學(xué)性能的影響.結(jié)果表明：相對于未改性的橡膠混凝土，經(jīng)改性處理的橡膠混凝土抗壓、抗折強度均得到很大提高，其耐磨性接近于普通混凝土［8］.

Palos等試驗研究了用馬來酸酐改性處理橡膠對鋼筋混凝土抗壓強度和鋼筋粘結(jié)力的影響.結(jié)果表明：當(dāng)橡膠摻入質(zhì)量分數(shù)為8%～25%時，經(jīng)改性處理后的橡膠混凝土構(gòu)件明顯提高了砂漿與鋼筋的粘結(jié)強度［9］.

Rostami等通過試驗研究了用水、四氯化碳溶液對廢舊橡膠進行預(yù)處理對混凝土強度的影響.結(jié)果顯示：相對于基準(zhǔn)混凝土，用水清洗的橡膠粉混凝土抗壓強度提高了16%，用四氯化碳溶液處理的橡膠粉混凝土抗壓強度提高了57%.結(jié)果表明：預(yù)處理方式有助于減少橡膠混凝土的強度降低程度，且四氯化碳溶液的改性效果明顯優(yōu)于清水的改性效果［10］.

Rafat Siddique等試驗研究發(fā)現(xiàn)用氧氯化鎂水泥做粘結(jié)料時，相對于普通水泥的橡膠混凝土，該種橡膠混凝土的抗壓、抗折、抗劈裂、抗拉強度均有很大程度的提高［11］.

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)以天津大學(xué)的朱涵等為代表的學(xué)者于20世紀(jì)90年代末期開始研究橡膠混凝土，在國外研究的基礎(chǔ)上，進一步提出了各種偶聯(lián)劑、混合試劑等改性處理廢舊橡膠的方式以減小橡膠混凝土的強度降低.

馬一平等通過試驗研究了用γ-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲基硅烷、雙-（γ-三乙氧基硅基丙基）四硫化物、乙烯基三乙氧基硅烷三者為主組成的復(fù)合試劑改性處理廢舊橡膠對混凝土力學(xué)性能的影響.結(jié)果顯示：通過對橡膠顆粒進行表面改性處理，與未改性橡膠混凝土相比，5d齡期時，當(dāng)摻入質(zhì)量分數(shù)為15%～60%橡膠時的改性橡膠混凝土抗壓強度可提高11%～40%，抗折強度可提高13%～39%；35d齡期時，當(dāng)摻入質(zhì)量分數(shù)為30%橡膠時的改性橡膠混凝土韌性可提高31%.即表明該種復(fù)合試劑的改性效果比較好，且隨著齡期的增長，改性效果更明顯［12］.

鄭梨娟等試驗研究了NaOH溶液和馬來酸酐不同改性處理的廢舊橡膠對混凝土力學(xué)性能的影響.結(jié)果顯示：經(jīng)NaOH溶液改性和馬來酸酐改性的橡膠混凝土28d抗折強度分別提高了11.4%、5%，折壓比分別提高了14.3%、9.5%，粘結(jié)強度分別提高了3%、16%.即表明NaOH溶液改性效果優(yōu)于馬來酸酐［13］.

劉日鑫等通過試驗研究了KH550改性、NaoH溶液改性橡膠混凝土的沖擊韌性和應(yīng)變.結(jié)果顯示：相對于未改性處理的橡膠混凝土，當(dāng)橡膠摻入質(zhì)量分數(shù)為8%時，KH550改性、NaoH溶液改性橡膠混凝土的沖擊韌性分別提高了54%和16%，最大應(yīng)變分別提高了3.3倍和1.3倍.即表明KH550改性效果優(yōu)于NaoH溶液［14］.

大連理工大學(xué)的趙麗妍和王寶民等通過用質(zhì)量分數(shù)為3%的NaoH溶液浸泡橡膠粉4h，然后用清水反復(fù)沖洗，最后自然曬干等預(yù)處理方式試驗研究了改性前后橡膠混凝土的抗壓強度變化.結(jié)果顯示：當(dāng)橡膠粒徑為150目，摻入質(zhì)量分數(shù)分別為1%、2%、3%時，相對于未改性的橡膠混凝土，改性后的橡膠混凝土的抗壓強度分別提高了0.9%、-0.9%、0.1%.即表明這種預(yù)處理方式對細橡膠混凝土的抗壓強度改變并不明顯［15］.

劉日鑫等通過試驗研究了KH550改性、NaoH溶液改性橡膠混凝土的力學(xué)性能的影響.結(jié)果顯示：相對于未改性處理的橡膠混凝土，當(dāng)橡膠摻入質(zhì)量分數(shù)為10%時，KH550改性、NaoH溶液改性橡膠混凝土28d的抗壓強度分別提高了9.98%、4.75%，抗折強度分別提高了13.33%、5.0%；當(dāng)橡膠摻入質(zhì)量分數(shù)為20%時，KH550改性、NaoH溶液改性的橡膠混凝土28d的抗壓強度分別提高了16.87%、5.22%，抗折強度分別提高了29.95%、4.95%.即表明KH550改性效果優(yōu)于NaoH溶液；且當(dāng)橡膠摻量越大，對抗壓的改性效果更明顯，而對抗折的改性效果沒什么影響［16］.

北京工業(yè)大學(xué)的韓兆興和李悅等通過試驗研究了用硅烷改性的苯丙聚合物乳液、硅烷偶聯(lián)劑KH-550、普通苯丙聚合物乳液三種改性劑預(yù)處理對橡膠混凝土抗沖擊性能的影響.結(jié)果顯示：經(jīng)改性預(yù)處理后的橡膠混凝土的抗沖擊性能較未改性處理的均有明顯提高，其中硅烷改性的苯丙聚合物乳液預(yù)處理的效果最顯著，當(dāng)橡膠摻入質(zhì)量分數(shù)為30%時，摻粗粒橡膠、摻細粒橡膠的混凝土梁的抗彎沖擊韌性指標(biāo)分別為基準(zhǔn)混凝土的2.1倍和1.8倍.即表明硅烷改性的苯丙聚合物乳液的改性效果最好，對粗粒橡膠的改性效果優(yōu)于細粒橡膠［17］.

劉娟紅等試驗研究了表面處理的橡膠顆粒對混凝土力學(xué)性能的影響.結(jié)果顯示：當(dāng)橡膠摻量為10%時，未經(jīng)處理的橡膠顆?；炷恋目箟簭姸冉档土?2%，抗折強度降低了28%，而經(jīng)表面處理的橡膠顆粒對混凝土的強度影響不大；當(dāng)摻入質(zhì)量分數(shù)為10%、15%、20%時，經(jīng)過表面處理的橡膠顆?；炷翗?gòu)件的阻尼比比普通混凝土分別提高了11%、34%、35%；當(dāng)摻入質(zhì)量分數(shù)為15%經(jīng)表面處理的橡膠顆粒時，混凝土的彈性模量降低了13%.即表明隨著橡膠摻入量的增大，改性效果更明顯［18］.

管學(xué)茂等試驗研究了雙-（3-三乙氧基烷丙基）-四硫化物偶聯(lián)劑（Si-69）和自制的偶聯(lián)劑（AC）改性處理廢舊橡膠對混凝土抗壓強度的影響.結(jié)果顯示：相對于未改性處理的橡膠混凝土，經(jīng)Si-69改性處理的橡膠混凝土7d和28d的抗壓強度分別提高了21.0%、37.7%，經(jīng)AC改性處理的橡膠混凝土7d和28d的抗壓強度分別提高了39.5%、56.9%.即表明AC改性效果優(yōu)于Si-69，且隨著齡期的增長，改性效果更明顯［19］.

管學(xué)茂等試驗研究了Si-69偶聯(lián)劑預(yù)處理橡膠對混凝土的抗壓強度的影響.結(jié)果表明：相對于未改性處理的橡膠混凝土，當(dāng)橡膠摻入質(zhì)量分數(shù)為3%時，經(jīng)改性處理的細橡膠粉、粗橡膠?；炷恋目箟簭姸确謩e提高了29.14%、26.44%；當(dāng)摻入質(zhì)量分數(shù)為10%時，經(jīng)改性處理的細橡膠粉、粗橡膠?；炷恋目箟簭姸确謩e提高了5.37%、24.12%.即表明當(dāng)橡膠摻量越大，改性效果更明顯，且對粗橡膠顆粒改性效果優(yōu)于細橡膠粉［20］.

武衛(wèi)梨等試驗研究了不同用量的KH550和Si-69偶聯(lián)劑改性處理的廢舊橡膠對混凝土力學(xué)性能的影響.結(jié)果顯示：在一定的范圍內(nèi)，隨著偶聯(lián)劑用量的增加，橡膠混凝土的拉伸強度、扯斷伸長率均逐漸增大，且在KH550用量（質(zhì)量分數(shù)）為1.5%時出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點，Si-69偶聯(lián)劑在1.0%時出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點.即表明在一定范圍內(nèi)，隨著偶聯(lián)劑用量的增大，改性效果增強，超過該范圍，改性效果減弱［21］.

2 改性處理對廢舊橡膠混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律

研究結(jié)果表明，不同的橡膠粒（粉）經(jīng)表面改性處理方式后均在一定程度上提高了混凝土的強度，但在施工工藝、處理成本和環(huán)境影響等方面有所差異，表1列出了現(xiàn)有改性處理方式的對比情況，以供工程實踐參考應(yīng)用.

表1 不同改性方式的優(yōu)缺點Table 1 Advantages and disadvantages of different modification methods

根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者試驗研究結(jié)果可以總結(jié)出如下規(guī)律：

（1）經(jīng)改性處理的橡膠混凝土相對于未改性處理的橡膠混凝土強度均呈現(xiàn)不同程度的提高，改性效果由好到差的順序為：有機聚合物、有機溶液、無機溶液、清水；

（2）當(dāng)橡膠摻量越大，改性效果更明顯，且對粗橡膠粒的改性效果優(yōu)于細橡膠粉；

（3）隨著齡期的增長，改性效果更明顯；

（4）在一定范圍內(nèi)，隨著偶聯(lián)劑用量的增大，改性效果增強，超過該范圍，改性效果減弱；

（5）經(jīng)改性處理的橡膠混凝土相對于未改性處理的橡膠混凝土，其彈性、韌性、延性、抗沖擊性均出現(xiàn)很大程度的提高，且效果優(yōu)于強度的提高程度；

（6）采用各類型的試劑或溶液改性處理橡膠顆粒，雖然強度等一些性能有很大提高，但同時它們的殘留物對混凝土試件的危害也是很大的.用水洗，也能在一定程度上提高橡膠混凝土的強度，且該方法操作簡便，成本低廉，因此適合實際工程的應(yīng)用.

3 研究存在的問題

（1）改性試劑的濃度和用量、橡膠顆粒的浸泡時間等因素對改性效果的影響還有待進一步探討；

（2）應(yīng)深入研究各種改性試劑的殘留物對混凝土性能的不利影響和對生態(tài)環(huán)境的影響；

（3）不同改性處理方式的經(jīng)濟性和工程可操作性應(yīng)進一步明確；

（4）有機溶液或乳液的改性機理有待開展深入研究.

4 結(jié) 語

對廢舊橡膠進行改性處理是必要的，但是也應(yīng)該從經(jīng)濟的角度和材料性能方面，提出適合橡膠混凝土實際工程應(yīng)用的綜合改性方式.不能一味追求改性效果的提高，而忽略經(jīng)濟成本和改性試劑所帶來新的不利因素，應(yīng)該為努力推進廢舊橡膠混凝土成為一種新型的、生態(tài)的、經(jīng)濟的復(fù)合材料而不懈努力.

［1］朱涵.新型彈性混凝土的研究綜述［J］.天津建設(shè)科技，2004，14（2）：35-37.

［2］宋少民，劉娟紅，金樹新.橡膠粉改性的高韌性混凝土研究［J］.混凝土與水泥制品，1997（1）：10-11，53.

［3］楊林虎，朱涵，李艷茹.橡膠集料對鋼筋混凝土梁截面延性影響的理論分析［J］.應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報，2010，18（4）：609-615.

［4］Fu Xuli，Chung D L.Vibmtion Damping Admixtures for Cement［J］.Cement and Concrete Research，1996，26（1）：69-75.

［5］Fattuhi N I，Clark L A.Cement-based materials containing shredded scrap truck tyre rubber［J］.Construction and Building Materials，1996，10（4）：229-236.

［6］Benazzouk A，Queneudec M.Durability of cement rubber composites under freeze thaw cycles［C］∥Proceedings of the International Conference on Sustainable Concrete Construction，University of Dundee，Scotland，UK，2002：356-362.

［7］Eldin N N，Senouci A B.Rubber tire particles as concrete aggregate［J］.Journal of Materials in Civil Engineering， 1993，5（4）：478-496.

［8］Segre N，Joekes L.Use of tire rubber particles as addition to cement paste［J］.Cement and Concret Research，2000，30（9）：1421-l425.

［9］Palos A，D Souza N A，Snively C T，et al.Modification of cement mortar with recycled ABS［J］.Cement and Concrete Research，2001，31（7）：1003-1007.

［10］Rostami H，Leppre J，Silverstraim T，et al.Use of recycled rubber tires in concrete［C］∥Dhir R K（Ed.），Proceedings of the International Conference on Concrete 2000，University of Dundee，Scotland，UK，1993：391-399.

［11］Rafat Siddique，Tarun R，Naik.Properties of concrete containing scrap tire Rubber-an overview［J］.Waste Management，2004，24（6）：563-569.

［12］馬一平，劉曉勇，談至明，等.改性橡膠混凝土的物理力學(xué)性能［J］.建筑材料學(xué)報，2009，12（4）：379-383.

［13］鄭莉娟，余其俊，韋江雄，等.廢橡膠粉的改性及其對水泥砂漿性能的影響［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報，2008，30（1）：52-54，74.

［14］劉日鑫，徐開勝，高煒斌.膠粉對混凝土韌塑性的影響研究［J］.新型建筑材料，2009，36（1）：24-26.

［15］趙麗妍.摻廢舊輪胎橡膠粉改性水泥混凝土試驗研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2009.23-25.

［16］劉日鑫，侯文順，徐永紅，等.廢橡膠顆粒對混凝土力學(xué)性能的影響［J］.建筑材料學(xué)報，2009，12（3）：341-344.

［17］韓兆興.橡膠集料混凝土物理力學(xué)性能研究［D］.北京：北京工業(yè)大學(xué)，2009.9-10.

［18］劉娟紅，宋少民.表面處理的橡膠顆粒對混凝土阻尼性能的影響［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，35（12）：1619-1623.

［19］管學(xué)茂，張海波，勾密峰.表面改性對橡膠水泥石性能影響研究［G］∥中國硅酸鹽學(xué)會水泥分會首屆學(xué)術(shù)年會論文集，2009.

［20］管學(xué)茂，李飛，張海波，等.Si-69偶聯(lián)劑處理的橡膠水泥砂漿抗壓強度研究［J］.材料導(dǎo)報：研究篇，2009（14）：64-67.

［21］武衛(wèi)莉，王晶.硅烷偶聯(lián)劑對粉煤灰／廢膠粉復(fù)合材料性能的影響［J］.有機硅材料，2011，25（2）：98-102.

Influence of Modification to Mechanical Properties of Waste Rubber Concrete

YANG Chunfenga，b，YANG Mina，YE Wenchaoa

（a.Architectural and Civil Engineering College；b.Key Laboratory of Geoenvironmental Engineering of Liaoning Province，Shenyang University，Shenyang 110044，China）

Based on the existing research results，the influence of the strength of concrete by different methods of surface modification was summarized，such as water washing，soaking in inorganic，cleaning by organic solvent and wetting by organic polymers and other methods.The advantages and disadvantages of different methods were analyzed，and the existing problems in the study of modification were proposed，which provided reference for relevant research.

waste rubber；rubber concrete；modification；mechanical properties

TU 528

A

1008-9225（2012）03-0078-04

2011-12-13

遼寧省自然科學(xué)基金資助項目（201102153）；沈陽市科技局基金項目（1081237-1-00）.

楊春峰（1973-），男，遼寧沈陽人，沈陽大學(xué)副教授.

祝 穎】