橡膠混凝土的研究進(jìn)展

岳雪濤 劉沖昊 王可良 李春珍 李海文 劉 玲

(1.山東省綠色建筑協(xié)同創(chuàng)新中心，山東 濟(jì)南 250101； 2.山東建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101； 3.山東交通學(xué)院交通土建工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357； 4.山東鐵正工程試驗檢測中心有限公司，山東 濟(jì)南 250014； 5.山東省建筑科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 251010； 6.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

1 概述

橡膠混凝土(Rubber Concrete)或者改性橡膠混凝土(Rubberized Concrete)是將不同粒徑、微觀結(jié)構(gòu)形貌和物理化學(xué)特征的橡膠顆粒，代替一部分砂石骨料摻入混凝土中，形成一類有別于傳統(tǒng)混凝土的新型混凝土材料。橡膠混凝土的研究開始于20世紀(jì)80年代末，最早的研究論文見于20世紀(jì)90年代。橡膠顆粒相對于砂石質(zhì)地軟，彈性、柔韌性好。將橡膠顆粒代替部分砂石骨料制備的橡膠混凝土具有一定的彈性或者變形能力，因此又稱為彈性混凝土。其力學(xué)性能介于普通混凝土和瀝青混凝土之間，彈性模量低，抗裂性良好，有一定的變形能力，抗沖擊韌性好，隔熱隔音性能好。并且制備混凝土所用的橡膠顆粒由廢舊輪胎破碎加工而成，相對于以前處理廢棄輪胎的制造再生膠、焚燒、翻新利用、生產(chǎn)硫化橡膠粉等方法，制備成橡膠顆粒摻入混凝土中，既解決了環(huán)境污染問題，又帶來可觀的經(jīng)濟(jì)價值，為廢舊輪胎的高效利用開辟出一片新的領(lǐng)域。

2 橡膠混凝土工作性能

混凝土的工作性能是指新拌混凝土的和易性，即在一定的施工條件下，能夠拌合、運輸、澆筑、搗實，形成不易離析、泌水、分層的拌合物，最終獲得質(zhì)量均勻、體積密實的混凝土硬化體。橡膠顆粒的加入會影響混凝土的工作性能，隨著橡膠顆粒的增多，坍落度會逐漸降低，并且隨著橡膠顆粒粒徑變小，坍落度減小，當(dāng)橡膠顆粒摻量達(dá)到一定程度的時候，坍落度基本為零。研究者認(rèn)為較細(xì)的橡膠顆粒具有較大的比表面積，能吸附大量的水泥拌合水，吸水后混凝土拌合物的流動性變差，導(dǎo)致坍落度降低。橡膠顆粒親水性差，導(dǎo)致表面吸附氣泡，在混凝土中有引氣左右，使混凝土的含氣量增加。Toutanji[1]的研究結(jié)果表明橡膠混凝土的含氣量超過引氣劑帶來的含氣量，而Matthew[2]的研究結(jié)果表明拌合物含氣量隨著橡膠摻量的增大而增大，王濤的研究結(jié)果說明混凝土的含氣量隨著橡膠顆粒的增大而增大，并且在粒徑小于60目時，含氣量隨著橡膠顆粒的減小而增加[3]。

3 橡膠混凝土力學(xué)性能

研究結(jié)果顯示，當(dāng)用橡膠顆粒代替100%粗骨料時，抗壓強(qiáng)度損失達(dá)85%，當(dāng)橡膠顆粒代替100%細(xì)骨料時，抗壓強(qiáng)度損失為65%，橡膠顆粒較大時對混凝土強(qiáng)度的降低更為明顯。I. B. Topcu研究表明在圓柱體試件中加入45%的0 mm～1 mm橡膠顆粒后，抗拉強(qiáng)度降低63%，而加入同等體積的1 mm～9 mm橡膠顆粒后，抗拉強(qiáng)度降低74%。寧國芳[4]的研究結(jié)果顯示加入10%,20%,30%的橡膠粉后，再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度分別降低20.5%,33.1%和41.8%，而抗拉強(qiáng)度分別降低16.4%,21.1%和28.6%?？壕案兜萚5]改變各種試驗條件，研究結(jié)果表明橡膠粉用量與橡膠混凝土強(qiáng)度降低系數(shù)成線性關(guān)系。王靜等[6]發(fā)現(xiàn)，橡膠顆粒摻量從10%增加到30%時，混凝土抗拉強(qiáng)度從降低5%到降低24%。楊林虎等[7]發(fā)現(xiàn)橡膠混凝土的抗彎拉強(qiáng)度隨橡膠顆粒的增加而呈線性下降，但是抗彎拉強(qiáng)度降低的幅度小于抗壓強(qiáng)度，并對橡膠混凝土的抗拉彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性進(jìn)行數(shù)學(xué)分析。陳波等人[8]將不同粒徑的橡膠顆粒加入混凝土中制備了橡膠混凝土，發(fā)現(xiàn)用橡膠顆粒改性的混凝土力學(xué)性能比基準(zhǔn)混凝土有所下降，加壓成型可以改善橡膠混凝土的力學(xué)性能。由此可以得出橡膠混凝土靜力學(xué)性能變差的原因除了骨料的強(qiáng)度降低，且骨料與周圍水泥漿體結(jié)合性差，而橡膠顆粒帶入的空氣泡帶來混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的缺陷，因此橡膠混凝土的靜力學(xué)性能相比基準(zhǔn)混凝土有所降低。

4 橡膠混凝土的耐久性

耐久性是指混凝土結(jié)構(gòu)在長時間所定工作條件下保持預(yù)定工作性能和外觀完整狀態(tài)的性質(zhì)，是混凝土的一個綜合指標(biāo)，主要包括抗?jié)B性、抗凍性、抗碳化性等性能。

陳波等[8]采用不同粒徑的橡膠顆粒摻入混凝土，當(dāng)橡膠摻量小于10%時，橡膠混凝土試件的抗?jié)B性隨著摻量增大而提高，摻量大于10%時，抗?jié)B性隨摻量提高而降低，抗凍性隨著摻量增加而提高。歐興進(jìn)等[9]證明適量的小顆粒橡膠摻入混凝土中，改善了混凝土內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，在一定程度上提高了混凝土的抗?jié)B性。胡鵬等[10]研究了粒徑為1 mm～2 mm的橡膠顆粒對混凝土抗?jié)B性的影響，結(jié)論與王旻等[11]的相類似，即摻量為50 kg/m3時抗?jié)B性最好，摻量過多或者過少都會導(dǎo)致抗?jié)B性降低。橡膠顆粒對混凝土抗?jié)B性有多種影響因素，首先較細(xì)橡膠顆粒的加入提高了結(jié)構(gòu)的密實度，阻斷混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部連通孔，提高了混凝土的抗?jié)B性；但另一方面橡膠顆粒的摻入增加了混凝土的含氣量，孔隙率增加，不利于混凝土的抗?jié)B，并且橡膠顆粒與水泥石的粘結(jié)較差，表面容易從水泥石中剝離，形成滲水通道，橡膠顆粒摻量較大時尤其嚴(yán)重。

橡膠顆粒因為其憎水性在加入水中拌合時引入大量的氣泡，增加了混凝土的封閉氣孔以及含氣量，為孔隙水在結(jié)冰后的體積膨脹提供了空間，大量研究工作證實了橡膠顆粒的摻入影響了混凝土的抗凍性。李贊成[12]、許金余等[13]研究了不同粒徑、不同摻量、不同配比的橡膠混凝土的抗凍性和抗?jié)B性，研究結(jié)果表明橡膠顆粒粒徑小時，能夠提高混凝土的相對彈性模量，抗凍性也較好，小顆粒的橡膠能夠填充混凝土內(nèi)部孔隙，提高密實度，提高抗?jié)B性。

5 橡膠混凝土的橡膠顆粒改性

橡膠顆粒是有機(jī)材料，具有憎水性，加入混凝土后表面容易留有氣泡，這些氣泡作為混凝土內(nèi)的結(jié)構(gòu)缺陷，導(dǎo)致橡膠混凝土強(qiáng)度降低。并且親水的水泥石和憎水的橡膠之間不能形成結(jié)合能很高的化學(xué)鍵，界面結(jié)合較差。為了提高混凝土與橡膠顆粒的結(jié)合，需要對橡膠顆粒進(jìn)行預(yù)處理，即橡膠顆粒的改性。改性之后的橡膠混凝土能夠增強(qiáng)水泥石與橡膠顆粒的結(jié)合、降低強(qiáng)度損失、提高韌性、提高致密度和抗?jié)B能力，制備出綜合性能優(yōu)良的混凝土材料。

國內(nèi)外很多學(xué)者通過各種方法對橡膠顆粒表面改性，力圖增強(qiáng)橡膠顆粒與水泥硬化體的結(jié)合能力，目前采用的改性方法包括物理方法、無機(jī)改性、有機(jī)改性。