橡膠混凝土研究綜述

閆治宇 馮凌云 王大輝

(1.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南 鄭州 450011； 2.河南省水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450002)

21世紀(jì)是一個(gè)高速的年代，車輛變成人們生活和工作中不可缺少的交通工具。隨著車輛制造量和使用量逐年劇增，產(chǎn)生了大量廢舊輪胎橡膠垃圾。廢舊輪胎橡膠里有橡膠、炭黑、石油附加品、化學(xué)混合物等很多化學(xué)制品，受熱易揮發(fā)到空氣中，對(duì)人體傷害巨大。廢舊輪胎橡膠極強(qiáng)的抗機(jī)械性和抗降解性，使得其在自然條件下很難降解，不加工處理降解時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)百年，而廢舊輪胎燃燒后會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化硫、氮氧化物和碳黑等有害物質(zhì)，還產(chǎn)生二英等持久有毒物質(zhì)，對(duì)生態(tài)環(huán)境污染極大，在海洋中堆積處理也會(huì)使海洋系統(tǒng)遭到破壞，這使廢舊輪胎橡膠的處理極其困難。廢舊輪胎產(chǎn)生的危害現(xiàn)已變成當(dāng)今人們面臨的嚴(yán)重考驗(yàn)之一。全世界廢舊輪胎的年報(bào)銷數(shù)目已達(dá)10億，其中我國(guó)占1/5[1]。有關(guān)調(diào)研組對(duì)中國(guó)部分省市的廢舊橡膠利用情況等進(jìn)行了調(diào)研，其結(jié)果顯示中國(guó)廢舊橡膠帶來的環(huán)境壓力越來越大，但廢舊輪胎的綜合利用手段并不完善[2]。廢舊輪胎橡膠的綜合利用迫在眉睫。

橡膠混凝土可以利用廢舊輪胎橡膠，其產(chǎn)生于20世紀(jì)。美國(guó)首先將橡膠混凝土用于道路建設(shè)，頒布了《綜合地面運(yùn)輸效率方案》《橡膠瀝青斷級(jí)配混合料設(shè)計(jì)指南》[3]，介紹了橡膠對(duì)于混凝土各方面的影響并且要求將廢舊輪胎橡膠用于路面建設(shè)。廢舊輪胎橡膠的摻入使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的改變進(jìn)而使得性能方面有所不同[4]，使得橡膠混凝土比未摻加橡膠混凝土質(zhì)量更輕、韌性更高、抗裂性能更好、耐久性能更好、抗震能力更強(qiáng)；與瀝青混凝土相比，它在耐水性疲勞壽命和剛度上更加優(yōu)越、易用于工程。使用廢舊輪胎橡膠配制的橡膠混凝土使混凝土性能得到改善，并且可以大量再利用廢舊輪胎，減少?gòu)U物量，保護(hù)了我們賴以生存的環(huán)境。

1 橡膠混凝土的力學(xué)性能

1.1 抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度

大量研究數(shù)據(jù)顯示，加入橡膠對(duì)于混凝土的抗壓性能不利，并使劈裂抗拉強(qiáng)度有所下降。鄭秀華等[5]用兩種不同粒徑(20目和60目)的橡膠粉末，分別以細(xì)骨料體積含量的5%,10%,15%,20%,25%，30%取代，進(jìn)行了抗壓試驗(yàn)。結(jié)果顯示，不同粒徑的橡膠配制的混凝土抗壓強(qiáng)度都與橡膠含量成反比，與粒徑成正比。曹宏亮、史長(zhǎng)城等[6]經(jīng)過不同的養(yǎng)護(hù)時(shí)間后，測(cè)量不同粒徑橡膠配制混凝土抗壓的強(qiáng)度，得出對(duì)于不同的養(yǎng)護(hù)時(shí)間都有：橡膠的加入對(duì)于混凝土的抗壓性能不利，橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度與粒徑成正比，大粒徑的橡膠配置的橡膠混凝土抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加最快。ILKER BEKIR TOPCU[7]用橡膠粉取代15%～45%細(xì)骨料，粒徑小于1 mm橡膠的圓柱試件，劈裂抗拉強(qiáng)度減少64%，同摻量的粒徑大于1 mm橡膠的試件，其劈裂抗拉強(qiáng)度只有未摻加橡膠混凝土的26%。

1.2 抗折強(qiáng)度和彈性模量

橡膠摻入對(duì)于混凝土的抗折性能并沒有提高，且彈性模量有所下降。薛剛等[8]測(cè)量了變化的水灰比對(duì)橡膠混凝土抗折的強(qiáng)度改變，測(cè)量成果有：摻加橡膠顆粒后，混凝土抗折性能下降；摻加橡膠量一樣，水灰比為0.42，橡膠混凝土的抗折強(qiáng)度達(dá)到最低點(diǎn)。馮凌云等[9]用橡膠粒徑分別為3 mm～6 mm,1 mm～3 mm及60目配置混凝土，其抗折強(qiáng)度下降了19.6%,16.7%和22.2%，并且認(rèn)為橡膠混凝土的抗折性能與橡膠粒徑的相關(guān)性并不是很大，橡膠混凝土的抗折性能與橡膠摻量成反比。袁勇[10]用廢舊橡膠來代替不同體積分?jǐn)?shù)的粗骨料，進(jìn)行彈性模量測(cè)試，并用橡膠混凝土和未加入橡膠混凝土的測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，得出橡膠摻入對(duì)彈性模量有明顯的減小作用，并且粒徑對(duì)彈性模量有較大影響。

1.3 抗沖擊和阻尼性能

通過國(guó)內(nèi)外的研究可以發(fā)現(xiàn)橡膠混凝土抗沖擊性加強(qiáng)，而對(duì)于阻尼的性能卻不盡相同。張哲哲[11]等制作橡膠混凝土試件和未摻加橡膠混凝土的薄板試件，進(jìn)行混凝土阻尼特性的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：加入橡膠的試件的阻尼比有所升高。但Goulias等[12]研究認(rèn)為橡膠摻加量與橡膠混凝土的阻尼比成負(fù)相關(guān)。

2 橡膠混凝土的耐久性

2.1 抗凍性和抗?jié)B性

大多數(shù)研究都得出，橡膠混凝土的抗凍性優(yōu)良，但抗?jié)B性受橡膠摻量和橡膠顆粒影響，在一定條件下橡膠混凝土的抗?jié)B性可以優(yōu)于未摻加橡膠混凝土。許金余等[13]通過對(duì)比分析表明：橡膠的粒徑減小，膠混凝土的質(zhì)量損失率也減少，抵抗內(nèi)部損傷的能力也增強(qiáng)，抗凍性增強(qiáng)。不同學(xué)者對(duì)抗?jié)B性研究結(jié)果不盡相同，胡鵬等[14]認(rèn)為橡膠顆粒的摻入可以有效減少細(xì)小孔洞之間的聯(lián)系，進(jìn)而使網(wǎng)狀孔結(jié)構(gòu)體系不能形成，且由于橡膠的憎水性，使得滲流阻力加大，降低了毛細(xì)孔的抽吸作用，故橡膠的摻入對(duì)混凝土的抗?jié)B性具有一定的增強(qiáng)作用。并且馮凌云等[15]研究結(jié)果表明：在一定的摻量下，橡膠混凝土的抗?jié)B性能優(yōu)于未摻加橡膠的混凝土；其抗?jié)B性能與橡膠摻量、橡膠粒徑都成反比。

2.2 抗沖磨性及碳化

加入橡膠后混凝土更加耐沖磨，但對(duì)于抗碳化性能的影響卻比較復(fù)雜。針對(duì)橡膠摻量對(duì)混凝土的抗沖磨性問題，李光宇[16]發(fā)現(xiàn)橡膠混凝土的抗沖磨強(qiáng)度大于未摻加橡膠混凝土，其強(qiáng)度與橡膠摻量成正比，并且表明橡膠摻量選用恰當(dāng)時(shí)，配制的混凝土抗沖耐磨強(qiáng)度可達(dá)未摻加橡膠混凝土的3倍。袁群等[17]研究橡膠粒徑對(duì)橡膠混凝土的抗碳化性能的作用。結(jié)果表明：橡膠混凝土橡膠粒徑為小于3 mm時(shí)配制的橡膠混凝土的碳化程度前期小于未摻加橡膠混凝土后期大于未摻加橡膠混凝土；粒徑在3 mm以上時(shí)，橡膠混凝土中期小于未摻加橡膠混凝土相近，后期大于未摻加橡膠混凝土；橡膠粉對(duì)于抗碳化性能不利。

3 橡膠混凝土的改性處理

以提高橡膠混凝土的強(qiáng)度為目的，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)混凝土進(jìn)行了大量的改性處理。H.Al&hyphen等[18]采用廢舊橡膠顆粒分別以10%,20%和30%的重量來取代瀝青，發(fā)現(xiàn)其抗拉強(qiáng)度基本相同。Jang-Kyo Kim等[19]在橡膠混凝土中加入碳纖維布膠粘劑，試驗(yàn)表明橡膠混凝土的承載力和延性大大提高。Bala Muhammad等[20]天然橡膠膠乳(NRL)中非烴類物質(zhì)對(duì)NRL改性混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)其中VFA和鋅改性后的強(qiáng)度比未摻加橡膠混凝土的強(qiáng)度高了2%和4%。德克薩斯大學(xué)的Souza N A等[21]用馬來酸酐處理橡膠，然后制成橡膠混凝土，結(jié)果表明處理后其抗壓強(qiáng)度有一定的提升。何亮、劉譽(yù)貴等[22]通過用高錳酸鉀溶液、雙氧水和尿素處理，橡膠氧化—脲化改性后，可以滿足中等強(qiáng)度混凝土的要求。

4 結(jié)語

廢舊橡膠對(duì)環(huán)境的危害已經(jīng)成為當(dāng)今人們面臨的嚴(yán)重問題之一。橡膠混凝土的誕生為環(huán)境保護(hù)添磚加瓦，不僅大量利用了被譽(yù)為黑色廢物的廢舊輪胎橡膠，而且使混凝土性能有所改良。經(jīng)過國(guó)內(nèi)外科研人員的不懈努力，發(fā)現(xiàn)了橡膠混凝土的諸多優(yōu)點(diǎn)，使其能夠作為建筑材料在日常中使用。但橡膠混凝土的不足之處如強(qiáng)度低、含氣量大等問題大大限制了其在工程中的應(yīng)用。并且由于橡膠的特異性如易老化、受溫度影響大等使得橡膠混凝土的微觀情況與未摻加橡膠混凝土有很大差別，但目前這方面研究較少，需要大量有社會(huì)責(zé)任感的科研人員進(jìn)一步的探究與觀察，為資源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

[1] 姜治云.綜合利用廢舊輪胎資源積極發(fā)展我國(guó)循環(huán)經(jīng)濟(jì)——我國(guó)廢舊輪胎回收利用現(xiàn)狀與發(fā)展前景分析[J].中國(guó)資源綜合利用,2003，10(12):4-7.

[2] 中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì),中國(guó)橡膠工業(yè)協(xié)會(huì)聯(lián)合調(diào)研組.廢舊橡膠綜合利用和環(huán)保調(diào)研報(bào)告[N].中國(guó)化工報(bào),2006-09-06.

[3] 黃衛(wèi)東,李 昆.美國(guó)橡膠瀝青應(yīng)用調(diào)查與研究現(xiàn)狀[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2008,4(S1):13-17,23.

[4] Wei Li,Zhen Huang,Xiao Chu Wang,et al.Review of Crumb Rubber Concrete[J].Applied Mechanics and Materials,2014,3546(672):65-67.

[5] Xiu Hua Zheng,Xu Zhang,Shi Zuo Zhan.Study on Mechanical Properties and Impermeability of Rubber Concrete[J].Key Engineering Materials,2015,3529(629):98-99.

[6] 曹宏亮,史長(zhǎng)城,王大輝,等.橡膠混凝土配制方法試驗(yàn)研究[J].新型建筑材料,2011,38(1):13-18.

[7] ILKER BEKIR TOPCU.The properties of rubberized concretes[J].Cement and Concrete Research,1995,25(2):304-310.

[8] 薛 剛,侯 帥.不同水膠比的塑鋼纖維橡膠混凝土力學(xué)性能研究[J].硅酸鹽通報(bào),2016,35(5):1552-1557.

[9] 馮凌云,袁 群,馬 瑩,等.橡膠混凝土力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2015,32(7):115-118.

[10] 袁 勇,鄭 磊.橡膠混凝土動(dòng)力性能試驗(yàn)研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008(9):1186-1190.

[11] 張哲哲.橡膠混凝土力學(xué)性能及阻尼特性試驗(yàn)研究[D].鄭州：河南工業(yè)大學(xué),2016.

[12] Goulias D G,Ali A H.Non-destructive evaluation of rubber modified concrete.In Proceedings of a Special Conference[C].New York:ASCE,1997:111.

[13] 許金余,李贊成,羅 鑫.橡膠混凝土抗凍性的對(duì)比研究[J].硅酸鹽通報(bào),2014,33(4):800-805.

[14] 胡 鵬,朱 涵.摻橡膠細(xì)?；炷恋臐B透性與微觀結(jié)構(gòu)[J].混凝土與水泥制品,2007(16):4-6.

[15] 馮凌云,袁 群,楊衛(wèi)坤,等.橡膠混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn)研究[J].人民黃河,2011,33(9):125-127.

[16] 李光宇.廢橡膠粉混凝土力學(xué)及抗沖耐磨性能試驗(yàn)研究[J].混凝土,2008(2):87-89.

[17] 袁 群,馮凌云,翟敬栓,等.橡膠混凝土的抗碳化性能試驗(yàn)研究[J].混凝土,2011(7):91-93.

[18] Al&hyphen,Abdul&hyphen,Wahhab,et al. Laboratory Evaluation of Reclaimed Rubber Asphaltic Concrete Mixes[J].Journal of Materials in Civil Engineering,1991,3(3):65-67.

[19] Bo Gao,Jang-Kyo Kim,Christopher K.Y.Leung.Effect of rubber modifier on interlaminar fracture toughness of CFRP-concrete interface[J].Composites Science and Technology,2003,63(6):121-123.

[20] Bala Muhammad,Mohammad Ismail,Muhammad Aamer Rafique Bhutta,et al.Influence of non-hydrocarbon substances on the compressive strength of natural rubber latex-modified concrete[J].Construction and Building Materials,2011,27(1):99-100.

[21] Palos A,D Souza N A,Snively C T,et al.Modification of cement mortar with recycled ABS.Cement and Concrete Composites.2001.

[22] 何 亮,劉譽(yù)貴,牟元華,等.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.