廢舊輪胎橡膠在混凝土中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

祝文凱，楊善順，徐仁崇，戴鵬，陳超

（1. 廈門市建筑科學(xué)研究院集團股份有限公司，福建 廈門 361004；2. 廈門天潤錦龍建材有限公司，福建 廈門 361027）

技術(shù)版

廢舊輪胎橡膠在混凝土中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

祝文凱1,2，楊善順1,2，徐仁崇1,2，戴鵬1,2，陳超1,2

（1. 廈門市建筑科學(xué)研究院集團股份有限公司，福建 廈門 361004；2. 廈門天潤錦龍建材有限公司，福建 廈門 361027）

用于制備混凝土是廢舊橡膠綜合利用的重要途徑之一，橡膠混凝土具有較好的抗彎性能及抗沖擊性能、耐磨蝕性能以及降噪性能，但也表現(xiàn)出較差的工作性能、力學(xué)性能、抗氯離子滲透性能和干縮性能，這也限制了橡膠混凝土的推廣。本文探討了橡膠混凝土的主要特點和缺點，并在分析對應(yīng)成因的基礎(chǔ)上，探討了改善橡膠混凝土性能的主要措施，包括細化橡膠顆粒，外摻礦物摻合料以及橡膠表面改性（NaOH 處理、氧化和硫化、UV 老化處理、預(yù)包覆、硅烷偶聯(lián)劑）等。

橡膠；混凝土；性能；改善措施

0 引言

每年世界各地產(chǎn)生大量的廢舊輪胎，其中絕大部分填埋處理或者直接露天堆放，對環(huán)境造成了較大的負荷，如何處置廢舊輪胎已成為國內(nèi)外研究的熱點[1-3]。采用廢舊輪胎制備橡膠顆粒和橡膠粉，并分別取代集料和膠凝材料用于制備橡膠混凝土，是國內(nèi)外研究廢舊輪胎處置的主要方向之一[4,5]。橡膠混凝土具有一系列優(yōu)良的性能，包括密度低、延展性較好、抗沖擊能力高、減震降噪以及隔熱性能好等[6]。但由于橡膠顆粒與天然集料以及橡膠粉與膠凝材料之間的差異較大，使得橡膠混凝土與普通混凝土在工作性能、力學(xué)性能、耐久性能等方面具有較大差異。眾多學(xué)者指出[7-9]，橡膠混凝土的性能尤其是力學(xué)性能通常要劣于普通混凝土，如何改善橡膠混凝土的性能也是廢舊輪胎橡膠綜合利用的要點。

1 橡膠混凝土的主要特點

1.1 抗彎性能及抗沖擊性能

橡膠混凝土的抗彎、抗沖擊性能均優(yōu)于普通混凝土，主要是由于橡膠的彈性模量更小[10]，荷載作用下橡膠混凝土具有更好的變形能力。Al-Tayeb[11]通過調(diào)整橡膠顆粒的摻量制備了彈性模量較普通混凝土低約 87% 的橡膠混凝土；Turatsinze[7]指出橡膠顆粒會減小彎曲荷載下混凝土內(nèi)部的裂紋擴展速率，使得橡膠混凝土的變形能力更大；Miller[12]指出大摻量橡膠混凝土（摻量＞60%）具有較好的抗彎曲性能，主要是橡膠增強了混凝土受彎時的應(yīng)力吸收和釋放能力，而這也賦予了橡膠混凝土更特殊的用途，如道路基礎(chǔ)墊層、公路路面施工、機場跑道等；Xue[13]研究了橡膠顆粒取代 5%～20% 的粗集料后混凝土的動態(tài)和靜態(tài)力學(xué)性能，并指出橡膠顆粒能明顯增加混凝土的阻尼比（增加約 62%），且橡膠混凝土的抗震能力要明顯優(yōu)于對照組（提高約 27%）；Gupta[14]采用橡膠纖維代替細集料制備的橡膠混凝土，其靜彈性模量和動態(tài)彈性模量較普通混凝土均有較大的降低，說明橡膠混凝土有較高的彈性，其可作為建筑的抗擾動、沖擊組成部分及防撞結(jié)構(gòu)。此外，Liu[15]指出橡膠顆粒取代細集料后混凝土的疲勞壽命很好的 Weibull 分布，在相同的應(yīng)力水平下，橡膠混凝土的疲勞壽命和動態(tài)應(yīng)變值要高于普通混凝土。

1.2 耐磨蝕性能

橡膠混凝土的耐磨蝕性比普通混凝土要好，主要是由于磨蝕性能與混凝土的抗拉強度以及斷裂韌性相關(guān)，而與抗壓強度關(guān)聯(lián)不大。KANG[16]指出橡膠顆粒能提高混凝土的耐磨性，還能協(xié)同硅灰等摻合料進一步改善混凝土耐磨性；亢景付[17]指出普通混凝土表層漿體磨蝕后，裸露的骨料磨蝕力的擾動而產(chǎn)生剝落，使得混凝土耐磨性較差；橡膠混凝土受磨蝕后裸露的橡膠可吸收磨蝕過程中的沖擊能量，故而表現(xiàn)出相對較高的耐磨蝕性；Thomas[2]指出橡膠混凝土在磨蝕過程中，柔性的橡膠能像“刷子”一樣弱化磨料對漿體的磨蝕作用。橡膠混凝土耐磨性較佳，確保了其可用于路面以及水工等對混凝土磨蝕性能要求較高的工程。

1.3 降噪性能

橡膠混凝土具有較好的降噪性能，主要是由于橡膠起到了吸收能量的作用：楊若沖[18]采用超聲波測試橡膠混凝土的動模量，用以間接反映橡膠混凝土減振降噪特性，結(jié)果表明隨著橡膠摻量的增加，混凝土的動模量越來越低，即橡膠混凝土具有較好的降噪性能；徐運鋒[19]采用橡膠球撞擊混凝土試塊來模擬車輪與路面的碰撞噪音，并指出橡膠混凝土能有效降低噪音分貝，橡膠混凝土的降噪原理與引氣劑相似，膠粉增大了混凝土內(nèi)部孔隙，并起到了耗散聲波能量的作用；Zeno G[20]還指出，混凝土降噪特性與自身密度相關(guān)，橡膠混凝土的密度低，故而吸聲系數(shù)更大，降噪效果更佳，因此橡膠混凝土具有更好的路用性能。

2 橡膠混凝土的主要缺點

2.1 工作性能

橡膠顆粒與普通集料以及橡膠粉與膠凝材料均有較大差異，使得橡膠對混凝土的性能有較大影響。橡膠顆粒是由廢舊橡膠輪胎破碎制得，可用于取代粗細集料。Cairns[21]采用 20mm 粒徑橡膠顆粒取代粗集料，并指出若橡膠摻量大于50%，則新拌混凝土幾乎無坍落度；Guneyisi[22]采用 4.5mm粒徑橡膠顆粒取代細集料，并指出隨著橡膠摻量的增加，混凝土的工作性能變差，當(dāng)摻量為 50% 時混凝土幾乎喪失工作性能。橡膠顆粒粒形差、表面粗糙、顆粒骨架結(jié)構(gòu)差，且吸水率較普通集料大，使得橡膠顆粒取代集料后混凝土的工作性能變差。橡膠粉是由橡膠顆粒經(jīng)粉磨制得，可用于取代膠凝材料：Batayneh[23]指出，橡膠粉的密度遠小于膠凝材料，隨著摻量的增加漿體變輕，混凝土的坍落度隨漿體密度降低而降低。此外，橡膠粉表面粗糙，需要更多漿體包覆，故而橡膠粉混凝土工作性較差。橡膠對混凝土性能的影響與再生骨料以及機制砂類似，可參照后者在實際工程應(yīng)用中的改善措施，如采用不同粒級顆粒合理搭配以形成嵌擠結(jié)構(gòu)，外摻礦物摻合料降低漿體的粘聚性并提高混凝土密實度，提高膠凝材料用量以及使用高效減水劑等。Bignozzi[4]通過調(diào)整橡膠顆粒級配和減水劑摻量配制出橡膠摻量為 22%～33%且工作性能較佳的混凝土。

2.2 抗壓強度

制約橡膠應(yīng)用于混凝土中的主要原因是其對混凝土強度的影響。橡膠硬度遠低于普通集料和水泥漿體，使得橡膠混凝土的抗壓強度低于普通混凝土，并且橡膠摻量越大，混凝土強度降低越明顯。Geso?lu[24]指出橡膠混凝土強度增長速率較普通混凝土有明顯下降，并最終導(dǎo)致橡膠混凝土強度較低。Eldin[25]指出，橡膠顆粒取代全部粗集料時混凝土強度下降約 85%，取代全部細集料時強度下降約 65%。Shu[26]指出，橡膠降低混凝土強度主要是由于：（1）表面憎水的特征使得橡膠與水泥之間的結(jié)合能力較差，硬化后的界面結(jié)構(gòu)較差；（2）橡膠摻入相當(dāng)于在混凝土中引入了大量“氣孔”，受力時氣孔位置受力集中故而更易產(chǎn)生開裂。楊春峰[1]還指出橡膠難以被水泥漿充分包裹，在漿體與橡膠的界面處形成大量孔隙，增大了混凝土的孔隙率，故而降低混凝土的強度。Fakhri[27]則指出橡膠顆粒取代細集料時，細集料易上浮使得試件頂部橡膠顆粒過于密集，形成結(jié)構(gòu)缺陷區(qū)進而降低混凝土的強度。

但也有學(xué)者指出，在較低摻量下，橡膠混凝土的強度與普通混凝土相當(dāng)，甚至更佳：Ganjian[28]指出橡膠摻量（取代細集料）＜5% 時，混凝土強度不會產(chǎn)生較大變化；Omid[29]指出隨著橡膠顆粒摻量（取代細集料）增加，橡膠混凝土抗壓強度整體呈降低趨勢，但當(dāng)橡膠顆粒摻量為 5% 時，混凝土的強度幾乎不變，可能是由于橡膠顆粒改善了粗集料和細集料所形成的骨架結(jié)構(gòu)；Silva[30]采用 10% 橡膠顆粒取代河砂制備出強度較純河砂更高的路面磚，并指出含量一定且均勻分布的橡膠顆粒反倒能夠分散應(yīng)力。

2.3 耐久性能

2.3.1 抗氯離子滲透性能

橡膠對混凝土抗氯離子滲透性能的影響目前比較有爭議，有學(xué)者認為橡膠不利于混凝土的抗?jié)B透性能：Geso?lu[24]指出橡膠混凝土的抗氯離子滲透性能顯著低于普通混凝土，且主要是較差的界面特征所致；Oikonomou[31]指出了當(dāng)橡膠顆粒取代 2.5%～15% 的細集料時，混凝土的抗氯離子滲透性能降低 14%～35%。有的學(xué)者認為橡膠對混凝土抗?jié)B透性能影響不大：Gupta[14]研究了不同水膠比（0.4～0.5）及不同橡膠顆粒摻量（0～20%）下橡膠混凝土的抗氯離子滲透性能，并指出各組抗氯離子滲透性能的變化并無規(guī)律性，即橡膠的摻量與混凝土抗氯離子滲透性能變化并不相關(guān)。還有的學(xué)者認為橡膠能夠改善混凝土的抗?jié)B性能：Dong[32]指出摻橡膠顆?；炷粒?～30%）的抗氯離子滲透系數(shù)較對照組高約 20%～40%；Al-Akhras[33]指出 5% 和 10% 摻量下，橡膠粉制得的橡膠混凝土抗氯離子滲透性能較普通性能更佳，并且解釋為小顆粒橡膠粉的填充效果降低了混凝土的含氣量；Thomas[34]指出橡膠顆粒取代細集料的比例為 2.5%～7.5%時，混凝土（W/C=0.4, 0.45）的抗氯離子滲透性能較普通混凝土更佳。迥異的研究結(jié)果主要是試驗條件不統(tǒng)一造成的，故而應(yīng)結(jié)合實際應(yīng)用中的具體條件進行探討。

2.3.2 干縮性能

橡膠約束漿體收縮變形能力小，使得橡膠混凝土的收縮要比普通混凝土的大，不適用于體積穩(wěn)定性要求較高的結(jié)構(gòu)[35]。Sukontasukkul[36]指出橡膠混凝土的干燥收縮與橡膠摻量及顆粒粒徑相關(guān)，摻量越大，粒徑越細，混凝土的收縮量越大，30% 摻量下橡膠顆粒和橡膠粉混凝土的收縮率分別為0.0% 和 0.13%，主要是由于橡膠粉起到了類似于“彈簧”的作用，能與混凝土協(xié)同變形進而產(chǎn)生較大收縮。雖然橡膠混凝土的干燥收縮較大，但混凝土抗開裂性能卻比普通混凝土更佳，主要是橡膠混凝土具有更好的韌性。Turatsinze[37]開展了摻橡膠細粉砂漿的圓環(huán)開裂試驗，并指出橡膠不僅可以延緩開裂時間，還可以減小裂縫寬度和深度，進而改善混凝土的開裂性能；Mohammadi[38]通過研究橡膠顆粒混凝土試件的束縛開裂性能指出，隨著橡膠摻量增加，混凝土干燥裂縫寬度呈先降低后增加的趨勢，20% 摻量下混凝土的裂縫寬度最淺，即一定摻量的橡膠顆粒能改善混凝土的開裂性能。

3 橡膠混凝土性能的主要改善措施

3.1 細化橡膠顆粒

不同尺寸的橡膠顆粒外觀見圖 1。

圖1 不同尺寸橡膠示意圖

橡膠顆粒取代粗集料制備橡膠混凝土，相當(dāng)于在混凝土中引入粗大的氣孔，對混凝土的強度等性能極為不利，解決辦法之一是將其進行細化，利用橡膠細顆粒取代細集料，或者利用橡膠粉取代膠凝材料。Ganjian[28]研究了橡膠顆粒和橡膠粉對混凝土力學(xué)性能的影響，當(dāng)摻量為 7%～10% 時，橡膠顆粒混凝土強度降低約 20%～40%，而橡膠粉混凝土強度只降低約 10%～23%，主要是承載時裂紋會圍繞橡膠顆粒周圍形成并快速擴展至整個結(jié)構(gòu)，而細化的橡膠可緩和應(yīng)力集中現(xiàn)象，故而混凝土性能更佳。Geso?lu[39]指出橡膠粗顆粒會降低混凝土的抗?jié)B性，相反橡膠細顆粒會提高混凝土的抗?jié)B性，主要是由于橡膠細顆粒能填充在粗集料的孔隙之中，弱化了橡膠粗顆粒與混凝土的薄弱的界面。Mehmet[40]指出當(dāng)橡膠粗顆粒、橡膠細顆粒及橡膠粉分別取代粗集料、細集料以及膠凝材料時，橡膠粒度越細，橡膠混凝土的強度損失率越小，抗凍性能越好，水滲透深度越低。橡膠粉混凝土具有較好的強度和抗?jié)B性是由于：（1）橡膠粉可以填充混凝土內(nèi)部的有害孔隙，提高了混凝土密實度；（2）橡膠粉的憎水特性增大了混凝土內(nèi)部水的滲流阻力，削弱了毛細孔道的吸水作用。此外，Khalo[41]指出橡膠粉還可以增加毛細孔道的曲折程度，阻止毛細孔道形成連續(xù)、貫通的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，故可使用橡膠粉部分取代膠凝材料制備對抗?jié)B性有較高要求的混凝土。

3.2 外摻礦物摻合料

礦物摻合料可改善混凝土的密實程度，還能通過二次水化所產(chǎn)生的大量 C-S-H 凝膠等水化產(chǎn)物，改善混凝土的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，故而能夠提高混凝土的強度及耐久性能。硅灰的活性較高，能夠有效緩和橡膠混凝土的強度損失：Elchalakani[42]通過摻入硅灰（10%）及橡膠顆粒（取代10%～40% 細集料）制備出了比普通混凝土更輕、強度適中且耐久性較好的橡膠混凝土；Guneyisi[43]研究了通過摻入硅灰制備出 15% 的橡膠集料能制備出強度為 40MPa 的橡膠混凝土（W/C=0.4，硅灰摻量 10%）。還可摻入天然火山灰、礦渣粉、偏高嶺土等活性礦物摻合料，并均能不同程度改善混凝土的性能。此外，橡膠協(xié)同膠凝性固體廢棄物共同制備混凝土，可實現(xiàn)固體廢棄物的高效利用：Boukour[44]利用橡膠顆粒和廢磚粉制備砂漿，并指出 20% 的橡膠粉和 5.0% 或 7.5% 的廢磚粉制備的砂漿 28d 吸水率以及收縮率均小于空白組，廢磚粉的火山灰活性改善橡膠與水泥漿體之間較差的界面。

3.3 橡膠顆粒的表面處理

表面處理可以改變橡膠的憎水特性，提高其與水泥漿體之間的粘結(jié)性能。目前主要處理措施有 NaOH 溶液浸泡、氧化及硫化、UV 老化、表面預(yù)包覆以及使用硅烷類偶聯(lián)劑等。

3.3.1 NaOH 溶液處理

低濃度的 NaOH 溶液主要用于橡膠顆粒清洗，以除去顆粒表面附著的灰塵和油脂等。馬清文[45]指出采用 NaOH 溶液（1% 濃度，浸泡 30min）處理的橡膠粉制備的混凝土強度較高，主要是 NaOH 能除去橡膠粉表面的硬脂酸鋅等活化劑，提高了膠粉與水泥漿體之間的界面結(jié)合力。高濃度的 NaOH溶液主要用于橡膠表面改性處理：Segre[46]采用飽和 NaOH 溶液對橡膠顆粒進行處理（浸泡 20min，水洗并風(fēng)干），并指出改性橡膠混凝土強度高于未改性組，且吸水率大幅降低，主要是由于 NaOH 能水解橡膠表面的酸性或者羧基基團，并且 NaOH 濃度越高，對橡膠的改性效果越佳。

3.3.2 氧化及硫化處理

氧化和硫化處理主要是通過在橡膠表面引入 -OH 以及-SO3- 以削弱其憎水特性。Yang[48]探討了分別經(jīng)酸性 KMnO4處理和 NaOH 處理的橡膠顆粒對混凝土性能的影響，并前者（氧化處理）能更好地改善橡膠混凝土的力學(xué)性能；Liang[49]將經(jīng) NaOH 洗凈后的橡膠先后進行 KMnO4溶液氧化及NaHSO3溶液硫化處理，并指出氧化和硫化處理能極大的提高橡膠和漿體之間的結(jié)合能力：改性后橡膠與水之間的接觸角顯著降低（未處理、氧化處理及硫化處理 1h 后的接觸角分別為 95°，90.5°和 71°），且改性后的橡膠與水泥漿體之間的結(jié)合能力較改性前提高約 41.1%，摻 4% 改性橡膠粉混凝土的抗壓強度比未改性組高約4 8.7%。

3.3.3 UV 老化處理

UV 可通過多種方式對橡膠表面進行改性，射線的能量能夠斷開橡膠表面聚合物的化學(xué)鍵，且 UV 老化過程中產(chǎn)生的臭氧，可以通過強氧化作用使得橡膠顆粒表面生成更多的自由基，增強橡膠與水泥漿體之間的結(jié)合能力。Ossola[50]研究了摻 UV 老化橡膠集料的混凝土的性能，并指出未處理的橡膠集料會顯著降低混凝土的強度，而 UV 老化橡膠集料制備的混凝土強度只比對照組低約 6%。

3.3.4 預(yù)包覆處理

預(yù)包覆技術(shù)是指利用膠凝材料對橡膠進行包覆處理，包覆后橡膠顆粒表面的粉狀顆粒物能夠提供成核點，增強橡膠顆粒表面早期的水泥水化反應(yīng)，大量水化產(chǎn)物的生成優(yōu)化了橡膠表面與水泥漿體之間的界面，故而改善了橡膠混凝土的各項性能[48]。Onuaguluchi[51]通過將橡膠顆粒、水以及石灰石粉按照 100:15:5.25 比例在低速下預(yù)混，室內(nèi)干燥 24h 后密封存儲以制備預(yù)包覆橡膠顆粒，并研究了預(yù)包覆橡膠顆粒對混凝土性能的影響：預(yù)包覆的橡膠顆粒能明顯提高混凝土的強度、表面電阻率和抗氯離子滲透性能。

3.3.5 硅烷偶聯(lián)劑處理

使用硅烷偶聯(lián)劑預(yù)處理橡膠顆粒結(jié)構(gòu)的變化見圖 2。

圖2 預(yù)處理橡膠顆粒結(jié)構(gòu)演變圖[32]

硅烷偶聯(lián)劑一般含有環(huán)氧基、乙烯基以及甲氧基，在水解作用下能生成羥基，并能通過氫鍵作用或者后期脫水縮合而與水泥水化產(chǎn)物進行粘結(jié)，從而改善橡膠與水泥漿體之間的粘結(jié)性能。Yu[52]以硅酸鈉為反應(yīng)前軀體，引入含親水基團的有機硅氧烷，采用 sol-gel 法制備了改性橡膠粉，通過測定摻橡膠粉水泥的水化放熱和 Ca2+釋放速率指出改性橡膠粉會對初期的水化過程起促進作用；通過 XPS 對水化產(chǎn)物表征指出改性橡膠粉表面的 Si-O-Si 結(jié)構(gòu)與水泥漿中的鈣、硅在水化早期形成了 Si-O-Ca 結(jié)構(gòu)，改善了橡膠粉與水泥漿體的界面結(jié)構(gòu)進而改善水泥基材料的各項性能。

此外，硅烷偶聯(lián)劑可與其它措施共同施加：Albano[47]先后采用 NaOH 溶液和硅烷偶聯(lián)劑對橡膠顆粒進行處理，并指出摻 5% 和 10% 的改性橡膠顆粒混凝土的密度、抗壓和劈裂抗拉強度較未改性組均有所提高；Dong[32]先后使用硅烷偶聯(lián)劑和水泥預(yù)包覆對橡膠顆粒進行處理，并在 100℃下加熱處理以強化偶聯(lián)劑與橡膠顆粒及水泥顆粒之間的鍵合，并指出改性橡膠顆?；炷恋膹姸容^未改性組高約 10%～20%，抗氯離子滲透性能提高約 20%；Shen[53]則指出硅烷協(xié)同水泥預(yù)包覆處理后的橡膠所制備的混凝土，強度較未處理的提高約110%，主要由于是在硅烷偶聯(lián)劑和預(yù)包覆的水泥在橡膠顆粒表面形成了堅硬的“外殼”，增強了橡膠顆粒與水泥漿體在硬度上的匹配性。

4 結(jié)論與展望

橡膠混凝土具有比普通混凝土更好的路用性能，但也具有較差的工作性能、強度，主要是由于橡膠的憎水特性使得其與水泥漿體之間的粘結(jié)性能較差，以及其與天然集料或者硬化漿體強度上的差異造成的，解決思路是改善漿體與橡膠之間的界面特征，并可通過橡膠顆粒細化、礦物摻合料以及對橡膠進行改性來實現(xiàn)。橡膠混凝土的應(yīng)用研究多集中在國外，這也與國內(nèi)尚未成熟的固體廢舊物回收及分類體制有關(guān)，作為處置廢舊橡膠輪胎的主要方向之一，橡膠混凝土所帶來的潛在環(huán)境效益是相當(dāng)可觀的。

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［通訊地址］廈門市海滄區(qū)東孚鎮(zhèn)鳳美四路 39 號（361004）

Study on the application of waste tire rubber in concrete

Zhu Wenkai1,2, Yang Shanshun1,2, Xu Renchong1,2, Dai Peng1,2, Chen Chao1,2
(1.Xiamen Academy of Building Research Group Co., Ltd., Xiamen 361004; 2. Xiamen Tianrun Jinlong Building Materials Co., Ltd., Xiamen 361027)

Used as the raw material is one of the ways of comprehensive utilization of waste rubber, rubber concrete shows better performance of flexural and impact resistance, abrasion performance and noise reduction performance, but also shows the poor working performance, mechanical properties, resistance to chloride ion permeability and shrinkage properties, which limits the promotion of rubber concrete. This paper discussed the main characteristics and shortcomings of the rubber concrete, and on the basis of the analysis of the corresponding causes, the improvement measures were discussed including using fine rubber particles, adding mineral admixture and rubber surface modification (NaOH treatment, oxidation and sulfidation, UV aging treatment, pre coating and silane coupling agent) et.al. Key words: rubber; concrete; performance; improvement measures

祝文凱（1991—），男，碩士。