橡膠混凝土性能研究進(jìn)展

劉譽(yù)貴

(重慶交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074)

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專論與綜述

橡膠混凝土性能研究進(jìn)展

劉譽(yù)貴

(重慶交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074)

解決日益增加的廢舊橡膠逐漸成為環(huán)境保護(hù)和社會(huì)發(fā)展的難題，將廢舊橡膠運(yùn)用于道路建設(shè)已成為研究熱點(diǎn)。該文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，從工作性能、力學(xué)性能及耐久性能等方面綜述了橡膠混凝土的性能研究進(jìn)展。其中工作性能包括坍落度，力學(xué)性能包括粘接性、抗壓抗折強(qiáng)度、抗沖擊性和收縮性，耐久性包括抗?jié)B性和抗凍性。同時(shí)對(duì)橡膠混凝土的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行概括，最后對(duì)橡膠混凝土存在的問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)與展望。

橡膠混凝土，工作性能，力學(xué)性能，耐久性

隨著人們生活水平的提高，我國(guó)私家車(chē)和貨車(chē)數(shù)量逐年攀升。雖然車(chē)輛數(shù)量的增加帶動(dòng)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，但汽車(chē)輪胎的消耗和磨損將產(chǎn)生大量廢舊輪胎。廢舊輪胎被稱為黑色污染，其回收和處理技術(shù)一直是世界性難題，也是環(huán)境保護(hù)的難題。據(jù)相關(guān)研究與報(bào)道顯示[1-4]，目前全世界每年有15億條輪胎報(bào)廢，其中北美占大約4億條，西歐占近2億條，日本1億條，中國(guó)每年產(chǎn)生的廢舊輪胎正以8%～10%的速度遞增。2015年，我國(guó)廢舊輪胎產(chǎn)生量已突破3億條，其中無(wú)害化利用率僅為50%左右，不到西方發(fā)達(dá)國(guó)家的30%，造成巨大的資源浪費(fèi)。

過(guò)去的一段時(shí)間里，我國(guó)廢舊輪胎綜合利用的途徑大致有5種[1-4]：①?gòu)U舊輪胎原形直接利用、②熱分解、③舊輪胎翻新、④生產(chǎn)再生橡膠、⑤生產(chǎn)硫化橡膠粉。隨著科技的進(jìn)步，研究者們發(fā)現(xiàn)，將廢舊輪胎橡膠顆粒摻入到混凝土中并用于不同的建筑施工中，將帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)環(huán)保價(jià)值，廢舊橡膠運(yùn)用于道路建設(shè)既可增強(qiáng)路面的特殊性能，又能解決環(huán)境污染問(wèn)題，這為廢舊輪胎的合理利用開(kāi)辟出一條捷徑。對(duì)于廢舊輪胎的綜合應(yīng)用，本文主要介紹廢舊輪胎制成橡膠顆粒摻入到水泥混凝土中的應(yīng)用，并綜述橡膠混凝土在工作性能、力學(xué)性能及耐久性能等方面的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展。

1 工作性能

廢舊橡膠顆粒的顆粒形狀、表面粗糙度和顆粒尺寸對(duì)新拌混凝土的工作性能影響顯著，不同學(xué)者的研究結(jié)果也差別較大。本文主要從橡膠混凝土的坍落度對(duì)混凝土的工作性能進(jìn)行闡述。Khatib Z K等[5]認(rèn)為橡膠顆粒摻量越大，混凝土坍落度越小，尤其當(dāng)橡膠僅取代細(xì)集料時(shí)，摻量達(dá)到集料總體積的40%，坍落度基本為零。但A.Benazzouk等[6]人卻得出相反的結(jié)論，即橡膠混凝土的坍落度隨橡膠摻量的增加而呈提高的趨勢(shì)。

王軍軍等[7]研究表明，用20目橡膠顆粒等體積替代細(xì)集料時(shí)，坍落度隨橡膠顆粒摻量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，但均較未摻橡膠組大。覃峰等[8]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)橡膠粉摻量低于10%時(shí)，橡膠混凝土的坍落度幾乎沒(méi)有變化，當(dāng)摻量不斷增加時(shí)，其坍落度呈降低的趨勢(shì)。

2 力學(xué)性能

2.1 粘接性

Segre N 和 Monteiro P J等[9]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)飽和氫氧化鈉溶液處理過(guò)的橡膠粉能夠大大提高膠粉與水泥基的粘接性能。Palos A等[10]研究表明，向混凝土中摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 8%～25%的改性橡膠顆粒時(shí)，較未改性的橡膠混凝土試件，經(jīng)改性處理過(guò)的橡膠混凝土試件明顯提高了砂漿與鋼筋的粘結(jié)性能。

何亮等[11]通過(guò)自制的實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)定了橡膠與水泥石的粘接性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)改性處理后的橡膠與水泥基體的界面粘結(jié)強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。趙彥亮等[12]發(fā)現(xiàn)，以DCP為引發(fā)劑，馬來(lái)酸酐接枝改性橡膠，可增強(qiáng)橡膠與水泥基的結(jié)合強(qiáng)度。周齊權(quán)等[13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，摻入硅烷偶聯(lián)劑改性的橡膠粒可提高橡膠顆粒與其他材料的粘接強(qiáng)度。

2.2 抗壓抗折強(qiáng)度

由于橡膠顆粒對(duì)橡膠混凝土強(qiáng)度的影響變量較多，本文僅綜述橡膠的摻量和粒徑兩個(gè)因素。Gholampour A等[14]研究表明，橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度隨橡膠摻量的增加迅速降低。Khatib Z K等[5]研究結(jié)果也表明，橡膠顆粒摻量不斷增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度發(fā)生急劇下降，但橡膠顆粒摻量達(dá)到一定比例時(shí)，摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響趨于平緩，且摻細(xì)橡膠顆粒的混凝土的抗壓強(qiáng)度要比摻粗橡膠顆粒的高。

何政等[15]通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，在廢橡膠粉摻量相同的條件下，橡膠粉越細(xì)，則砂漿的強(qiáng)度越高，而隨橡膠粉摻量的增加，砂漿的抗壓強(qiáng)度呈下降的趨勢(shì)。付傳清等[16]研究了齡期對(duì)橡膠混凝土強(qiáng)度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨齡期的延長(zhǎng)，橡膠顆粒與水泥水化產(chǎn)物結(jié)合更加密實(shí)，有利于強(qiáng)度的提升。龍廣成等[17]研究了不同應(yīng)變率條件下橡膠混凝土的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)橡膠顆粒摻量的增加能較好地增強(qiáng)混凝土的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度。

2.3 抗沖擊性

Fattuhi N I等[18]通過(guò)抗沖擊性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)橡膠混凝土能吸收更多的能量，抗沖擊性能遠(yuǎn)大于未摻入橡膠顆粒的普通混凝土。Youssf O等[19]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)橡膠顆粒替代50%的砂時(shí)，混凝土的抗沖擊性能可提升3.5倍。

宋少明等[20]研究發(fā)現(xiàn)，與普通混凝土相比，橡膠混凝土的抗沖擊性能顯著提高，尤其是在加入適量粘接劑后，可大幅提升橡膠混凝土的抗沖擊性能。韓青松[21]利用低溫等離子技術(shù)處理橡膠顆粒，結(jié)果發(fā)現(xiàn)處理后的橡膠混凝土的抗沖擊韌性提升38.6%。

2.4 收縮性

Khatib Z K等[5]的研究結(jié)果表明，當(dāng)摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的橡膠纖維水泥砂漿的開(kāi)裂寬度為0.5mm左右時(shí)，未摻橡膠纖維的水泥砂漿的開(kāi)裂寬度已將達(dá)到了0.9mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了橡膠纖維水泥砂漿的裂紋寬度，除此之外，橡膠纖維水泥砂漿的開(kāi)裂時(shí)間也得到相對(duì)的延后，這證明在混凝土中摻入橡膠纖維能大大減小混凝土的收縮性。Raghavan D等[22]研究表面，向水泥砂漿中摻入5%的橡膠顆粒能減小砂漿的塑性收縮，還可將水泥砂漿的開(kāi)裂寬度較空白水泥試件降低約0.4mm。

邵建文等[23]采用外方內(nèi)圓偏心約束試驗(yàn)方法，發(fā)現(xiàn)半干硬橡膠混凝土的早期收縮量與收縮率均小于半干硬普通混凝土。王寶明等[24]在混凝土中摻入橡膠粉后進(jìn)行抗裂性實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)橡膠混凝土較普通混凝土具有更好的抗裂性，開(kāi)裂的大小與數(shù)量均減小，在相同比較面積上的開(kāi)裂面積僅為基準(zhǔn)混凝土的8.7%，大大降低了混凝土的早期開(kāi)裂。

3 耐久性能

混凝土的耐久性是指混凝土在規(guī)定使用年限內(nèi)，在環(huán)境及氣候綜合作用下，不需額外的加固處理而保持其安全性、正常使用性和可接受外觀的能力?；炷恋哪途眯灾苯佑绊懙浇Y(jié)構(gòu)物的正常、安全使用壽命和維修費(fèi)用等，因此混凝土的耐久性及耐久性設(shè)計(jì)越來(lái)越引起工程界的普遍關(guān)注和重視，國(guó)內(nèi)外的一些混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范也正在將耐久性設(shè)計(jì)作為一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)要求，以提高結(jié)構(gòu)物的安全使用壽命并降低結(jié)構(gòu)物全壽命費(fèi)用。

3.1 抗?jié)B性

N.Oikonomou等[25]研究表明，橡膠部分取代細(xì)集料摻入到水泥砂漿中，明顯改善水泥砂漿的氯離子滲透性能，當(dāng)混凝土中橡膠顆粒的摻量達(dá)到12.5%時(shí)，效果達(dá)到最佳。魏宏等[26]探索了高溫對(duì)高性能橡膠混凝土氯離子滲透性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)高溫能加快氯離子的滲透，當(dāng)橡膠摻量為7%時(shí)，高性能橡膠混凝土有較好的抗氯離子滲透性能。張亞梅等[27]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)橡膠粉的摻量在10%以下時(shí)，可使混凝土的抗?jié)B性得到提升，而當(dāng)橡膠粉的摻量繼續(xù)增加時(shí)，抗?jié)B性將逐漸降低。

3.2 抗凍性

Richardson A E等[28]研究表明，當(dāng)向普通水泥混凝土中加入0.6%的橡膠顆粒時(shí)，混凝土的抗凍性得到明顯提升。Topcu I B等[29]向混凝土中摻入1mm～4mm的橡膠顆粒，經(jīng)抗凍性試驗(yàn)表明，摻入橡膠顆粒后的混凝土的抗凍性均好于未摻橡膠顆粒的。王濤等[30]試驗(yàn)研究表明，摻入橡膠粉后，混凝土的抗凍性得到改善，當(dāng)80目的橡膠顆粒摻量在30kg·m-3～90kg·m-3時(shí)，抗凍性隨摻量的增加而不斷提升。

4 實(shí)際應(yīng)用

隨著橡膠混凝土的問(wèn)世，學(xué)者們的研究也在不斷深入，尤其是國(guó)外，橡膠混凝土的實(shí)際應(yīng)用已取得不少成就。目前人們對(duì)橡膠混凝土的諸如耐久性、力學(xué)性能、保溫隔熱等方面展開(kāi)大量研究，它的用途也在不斷發(fā)生改變，諸如道路、房屋、橋梁等方面。Piti S等[31]研究了橡膠混凝土預(yù)制板的隔熱性能，在橡膠粉摻入比例為10%、20%、30%的情況下，橡膠混凝土板均擁有較低的熱傳導(dǎo)性能，可用作屋面的保溫隔熱材料。Hernandez-Olivares F等[32]鋪設(shè)一條剛性橡膠混凝土路面并研究其抗疲勞性能，試驗(yàn)利用摻量為0%、3.5%、5%的橡膠混凝土鋪筑一段剛性路面，試驗(yàn)結(jié)果表明使用橡膠混凝土比普通混凝土耐久性提高大約5%。韓國(guó)有研究學(xué)者將橡膠粉和其它集料制成鐵路枕木，在滿足強(qiáng)度條件下，明顯提高了枕木的隔音減震、抗沖擊、耐腐蝕等性能。

史巍等[33]發(fā)現(xiàn)，橡膠混凝土樓板較普混凝土樓板有更好的隔音效果，在保證強(qiáng)度的情況下，橡膠混凝土用于修筑樓房將達(dá)到生態(tài)建筑的要求。田帥等[34]研究發(fā)現(xiàn)，較普通混凝土，橡膠混凝土具有更低的導(dǎo)熱系數(shù)，說(shuō)明以橡膠粉為隔熱材料摻入到混凝土中適合用于橋梁路面的鋪裝，且當(dāng)橋面下層材料改用橡膠粉摻量為4%的橡膠混凝土?xí)r，溫度基數(shù)減控系數(shù)可達(dá)28.5%。此外，橡膠混凝土還用于其它一些重要的建筑中，如軍事建筑、國(guó)防工業(yè)等，隨著研究的不斷深入，其應(yīng)用范圍將得到不斷的擴(kuò)大。

5 總結(jié)

橡膠混凝土作為一種新型的建筑材料，國(guó)內(nèi)外對(duì)它的研究層出不窮，在各個(gè)領(lǐng)域都取得重大突破，但仍然存在很多的不足，有待我們繼續(xù)深入研究。

(1)微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能?；炷潦怯伤唷⒓?、水等組成，具有強(qiáng)度高、結(jié)合密實(shí)等優(yōu)點(diǎn)，但其韌性、抗沖擊性等在應(yīng)用中還存在很多不足。在普通水泥混凝土的基礎(chǔ)上，向其中按體積分?jǐn)?shù)或質(zhì)量分?jǐn)?shù)摻入橡膠顆粒得到橡膠混凝土，雖然橡膠混凝土具有較好的韌性與某些方面的力學(xué)性能，但其在強(qiáng)度上卻存在不足，尤其是其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)存在大量的漏洞，并不能滿足大多數(shù)的工程需求，所以在橡膠混凝土的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能方面還有大量的研究空間。

(2)耐久性方面：耐久性是評(píng)價(jià)混凝土性能的除強(qiáng)度外的最重要的一大指標(biāo)，它既關(guān)系到施工的難易程度，又關(guān)系到道路、橋梁、房屋等一系列建筑的實(shí)際應(yīng)用效果，是一項(xiàng)最為綜合的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。雖然據(jù)目前的研究表明，橡膠混凝土在抗?jié)B性、抗凍性等方面具有先天的優(yōu)良性能，但它在抗碳化性、鋼筋腐蝕、自然氣候綜合影響等方面的研究還為數(shù)甚少，還有待我們?nèi)ミM(jìn)一步探索。

(3)降噪隔熱等特殊使用性能：目前橡膠混凝土還主要是應(yīng)用于道路建筑等方面，在其他領(lǐng)域的應(yīng)用還比較少，而作為一種環(huán)保經(jīng)濟(jì)的新型功能材料并不能局限于道路建設(shè)領(lǐng)域，諸如飛機(jī)跑道、鐵路軌枕、水下建筑、國(guó)防建筑、軍事建筑、核工業(yè)建筑等一系列高新領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用還有待我們?nèi)パ芯颗c創(chuàng)新。

[1] 劉軍.廢舊橡膠的回收和循環(huán)利用現(xiàn)狀[J].合成材料老化與應(yīng)用，2008(1)：51-53.

[2] 許冠英，彭曉春，周少奇.廢舊輪胎回收利用對(duì)策[J].廣州環(huán)境科學(xué)，2009(4)：25-31.

[3] 潘東平，劉鋒，李麗娟，等.橡膠混凝土的應(yīng)用和研究[J].橡膠工業(yè)，2007(3)：182-185.

[4] 李如林.我國(guó)橡膠粉生產(chǎn)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展[J].中國(guó)橡膠，2000 (15)：15-18.

[5] Khatib Z K，Bayomy F M.Rubberized portland cement concrete[J]. Journal of Materials in Civil Engineering，1999，11(3)：206-213.

[6] Benazzouk A，Douzane O，Mezreb K，et al. Physical-mechanical Properties of Aerated cement composites containing shredded rubber waste[J]. Cement and Concrete Research，2006，28：650-657.

[7] 王軍軍，張儀華，秦文軒，等. 廢舊橡膠混凝土力學(xué)性能的研究[J]. 硅酸鹽通報(bào)，2016，35(7)：2219-2223.

[8] 覃峰，包惠明.橡膠粉水泥混凝土性能試驗(yàn)的研究[J].混凝土，2007(9)：69-72.

[9] Segre N，Monteiro P J，Sposito G.Surface characterization of recycled tire rubber to be used in cement paste matrix[J]. Journal of Colloid and Interface Science，2002，248(2)：521-523.

[10] 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.

[11] 何亮，劉譽(yù)貴，牟元華.橡膠改性及其對(duì)橡膠水泥基質(zhì)材料性能的影響[J].硅酸鹽通報(bào)，2017，36(3)：936-941.

[12] 趙彥亮，劉菲，譚俊華，等.不同引發(fā)劑對(duì)應(yīng)馬來(lái)酸酐接枝改性橡膠混凝土力學(xué)性能影響研究[J].硅酸鹽通報(bào)，2017，36(1)：168-172.

[13] 周齊權(quán).橡膠混凝土工作性能及力學(xué)性能研究[J].福建建材，2011(5)：1-2，55.

[14] Gholampour A，Ozbakkaloglu T，Hassanli R. Behavior of rubberized concrete under active confinement[J]. Construction & Building Materials，2017，138：372-382.

[15] 何政，嚴(yán)捍東，王全鳳.廢舊膠粒(粉)對(duì)輕骨料水泥砂漿強(qiáng)度的影響[J].新型建筑材料，2006(2)：8-10.

[16] 付傳清，范少鋒，鄧學(xué)斌，等.不同齡期橡膠混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].混凝土，2016(10)：64-68.

[17] 龍廣成，李寧，薛逸驊，等.沖擊荷載作用下?lián)较鹉z顆粒自密實(shí)混凝土的力學(xué)性能[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2016，44(8)：1081-1090.

[18] Fattuhi N I，Clark N A.Cement-based materials containing tire rubber[J].Journal of Construction and Building Materials，1996，10 (4)：229-236.

[19] Youssf O，Hassanli R，Mills J E.Mechanical performance of FRP-confined and unconfined crumb rubber concrete containing high rubber content[J].Journal of Building Engineering，2017，11：115-126.

[20] 宋少民，劉娟紅，金樹(shù)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)：10-12.

[21] 韓青松.膠粉預(yù)處理方式對(duì)橡膠混凝土韌性的影響及作用機(jī)理研究[J].中外公路，2017(1)：228-233.

[22] Raghvan D，Huynh H，F(xiàn)errafis C F.Workability，mechanical properties and chemical stability of a recycled tire rubber-filled cementitious composite[J].Journal of Materials Science，1998，33(7)：1745-1752.

[23] 邵建文，朱涵，李建舉，等.半干硬混凝土外方內(nèi)圓偏心約束收縮試驗(yàn)[J].硅酸鹽通報(bào)，2017(3)：899-904.

[24] 王寶民，涂妮.摻廢舊橡膠顆粒對(duì)水泥混凝土抗裂性能的影響試驗(yàn)研究[J].Key Engineering Materials，2011：1063-1068.

[25] Oikonomou N，Mavridou S.Improvement of chloride ion penetration resistance in cement mortars modified with rubber from worn automobile tires[J].Cement & Concrete Composites，2009，31(6)：403-407.

[26] 馮凌云，袁群，楊衛(wèi)坤，等.混凝土抗?jié)B性試驗(yàn)研究[J].人民黃河，2011(9)：125-127.

[27] 張亞梅，陳勝霞，高岳毅.浸-烘循環(huán)作用下橡膠水泥混凝土的性能研究[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2005，8(6)：665-671.

[28] Richardson A E，Coventry K A.Freeze-thaw protection of concrete with optimum rubber crumb content[J].Journal of Cleaner Production，2012，23(1)：96-103.

[29] Topcu I B，Demir A.Durability of rubberized mortar and concrete[J].Journal of Materials in Civil Engineering，2007：173-178.

[30] 王濤，洪錦祥，廖昌文，等.橡膠混凝土的試驗(yàn)研究[J].混凝土，2009(1)：67-69.

[31] Piti S.Use of crumb rubber to improve thermal and sound properties of precast concrete panel[J].Construction and Building Materials，2009，23 (2)：1084-1092.

[32] Hernández-Olivares F，Barluenga G，Bollati M，et al. Static and dynamic behaviour of recycled tyre rubber-filled concrete[J].Cement & Concrete Research，2002，32(10)：1587-1596.

[33] 史巍，張雄，陸沈磊.橡膠粉水泥砂漿隔聲功能研究[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2005，8(5)：553-557.

[34] 田帥，于天來(lái)，劉子英.橡膠混凝土在橋面鋪裝隔熱技術(shù)中的應(yīng)用[J].桂林理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013(4)：650-657.

Progress in Research on Properties of Rubberized Concrete

LIU Yu-gui

(School of Materials Science & Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

It has become a difficult problem for environmental protection and social development to solve the increasing waste rubber，and it has become a hot spot to apply waste rubber to road construction. On the basis of the existing research，this paper summarizes the research progress of rubber concrete in terms of work performance，mechanical properties and durability. The work performance includes slump，mechanical properties including adhesion，compressive，flexural strength，impact resistance and shrinkage，durability including impermeability and frost resistance. At the same time，the concrete application of rubber concrete was summarized. Finally，the existing problems of rubber concrete were summarized and looked forward to.

rubberized concrete，work performance，mechanical properties，durability

TU 528