橡膠改性機(jī)理及對(duì)混凝土耐久性能研究概況

姜麗 楊曉波

摘要：將廢舊橡膠顆粒加入混凝土中，既能降低普通混凝土的脆性，同時(shí)廢舊輪胎的回收利用問(wèn)題又得到解決，對(duì)利廢、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展均具有深遠(yuǎn)影響.首先從抗氯離子腐蝕、抗凍融、抗?jié)B透、抗碳化等方面闡述了橡膠顆粒（未改性）對(duì)混凝土耐久性能的影響.考慮到橡膠顆粒與混凝土中水泥基體界面的差異，為了提高二者的粘結(jié)強(qiáng)度，當(dāng)前主要通過(guò)對(duì)橡膠表面進(jìn)行改性處理，以提高橡膠表面活性，達(dá)到二者界面相容的目的.因此，將橡膠改性處理后再加入混凝土中能進(jìn)一步提高混凝土的耐久性.最后對(duì)該項(xiàng)研究提出一些建議，以期該研究能加快橡膠混凝土的應(yīng)用和發(fā)展.

關(guān)鍵詞：改性劑;橡膠顆粒;混凝土;耐久性

中圖分類(lèi)號(hào)：TU528? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2019）01-0096-04

近年來(lái)，我國(guó)正處于基礎(chǔ)設(shè)施和城市住宅建設(shè)的高峰期，資金龐大.但是，根據(jù)相關(guān)資料，這些項(xiàng)目也將在約30-50年后進(jìn)入維護(hù)期.如果忽視耐久性，后續(xù)用于修補(bǔ)加固甚至重建的費(fèi)用將更巨大.美國(guó)學(xué)者曾用“五倍定律”來(lái)解釋耐久性的重要性，譬如到2020年我國(guó)用于軌道交通建設(shè)的投資額估計(jì)將達(dá)4萬(wàn)億，依據(jù)“五倍定律”，若是耐久性不夠，其維護(hù)成本將達(dá)到數(shù)萬(wàn)億乃至幾十萬(wàn)億.因此，一定要高度關(guān)注混凝土耐久性的重要性，實(shí)現(xiàn)混凝土工程的高耐久和長(zhǎng)壽命對(duì)節(jié)約資源、環(huán)境保護(hù)、實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)良性發(fā)展均有重要意義.

橡膠混凝土利用橡膠粉高彈耐磨的特點(diǎn)將其應(yīng)用于普通混凝土中，提高混凝土抗拉、抗彎強(qiáng)度的同時(shí)，又能彌補(bǔ)普通混凝土脆性強(qiáng)、干燥收縮大，易開(kāi)裂等不足，同時(shí)解決了大量廢橡膠的回收利用問(wèn)題.自20世紀(jì)90年代以來(lái)，這項(xiàng)研究一直是世界各國(guó)科學(xué)研究的焦點(diǎn).眾多成果表明，橡膠混凝土具有密度低、延性好、抗沖擊能力高、減震降噪以及隔熱等優(yōu)良性能.但由于橡膠顆粒與粗骨料和膠凝材料之間界面差別很大，橡膠混凝土和普通混凝土在工作性能、機(jī)械性能和耐久性等方面有很大差異.

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)橡膠混凝土工作和力學(xué)性能研究較為成熟，而耐久性研究尚未形成統(tǒng)一體系.因此，文中對(duì)國(guó)內(nèi)廢舊橡膠顆粒在混凝土耐久性方面的研究近況，膠粉表面改性機(jī)理以及對(duì)混凝土性能影響進(jìn)行了梳理總結(jié)，以期為下一步研究改性橡膠混凝土的耐久性提供理論依據(jù)，為進(jìn)一步拓寬廢橡膠綜合利用提供參考.

1 橡膠混凝土耐久性能研究概況

1.1 抗氯離子腐蝕性能

葉啟軍[1]等研究表明，隨著應(yīng)力增加，氯離子滲透系數(shù)增大，到達(dá)深度40mm后，氯離子不再擴(kuò)散.隨著時(shí)間延長(zhǎng)，氯離子侵蝕深度增大，濃度減小.一般前30d侵蝕速度較大，后60d和90d的侵蝕深度和速度都減小，說(shuō)明氯離子侵蝕到達(dá)一定時(shí)段后侵蝕保持穩(wěn)定，由此推測(cè)橡膠混凝土在海洋環(huán)境中抗氯離子能力較強(qiáng)，其耐久性得到提高.

尤偉[2]研究了海洋大氣環(huán)境中（即氯離子腐蝕和碳化耦合作用下）不同細(xì)度與摻量下橡膠粉對(duì)混凝土抗腐蝕性能影響，結(jié)果表明在一定摻量范圍內(nèi)加入橡膠粉可有效降低腐蝕深度提高混凝土抗侵蝕性.

1.2 抗碳化性能

于群[3]等研究表明，膠粒的加入改善了混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，形成大量封閉孔，從而抑制了二氧化碳的侵入，改善了混凝土抗碳化性，且橡膠粒徑越小效果越明顯.

袁群[4]等研究了碳化時(shí)間、橡膠顆粒尺寸和摻量對(duì)混凝土抗碳化性能影響.結(jié)果表明，橡膠混凝土早期抗碳化效果優(yōu)于后期，1-3mm粒徑效果最好，適宜摻量范圍15%-20%，其次是3-6mm粒徑最佳摻量0-5%，摻60目膠粉混凝土的抗碳化性能最差，摻量越多，性能越差.

1.3 抗凍融性能

周梅[5]等研究指出，膠粒的摻入使混凝土抗凍性得到提高得益于其具備引氣和填充的雙重功能.其中膠粒替代率對(duì)動(dòng)彈模損失率的影響程度大于細(xì)度模數(shù)對(duì)其影響，相對(duì)動(dòng)彈模損失隨膠粒替代率的增加而遞減.替代率相同情況下，膠粒越細(xì)混凝土的動(dòng)彈模損失越小.替代率40%時(shí)，橡膠混凝土具有良好抗氯離子滲透、高抗鹽凍性能.

許金余[6]等研究指出，加入適量橡膠粉，可以顯著提高混凝土的抗凍性，但當(dāng)用量過(guò)大時(shí)，抗凍性會(huì)變差.40目橡膠粉，摻量低于100L/m3時(shí)，抗凍性較好.凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，粒徑越小，抗凍性越好.

1.4 抗沖磨性能

謝李[7]等用水下鋼球法進(jìn)行橡膠混凝土抗沖磨實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，影響抗沖磨性能的要素依次是膠粒摻量>水灰比>粒徑大小.水灰比0.4、膠粒摻量15%、膠粒粒徑在2.36～4.75mm時(shí)耐磨性能最佳.

亢景付[8]等采用圓環(huán)法研究了不同體積分?jǐn)?shù)橡膠粉對(duì)混凝土抗沖磨性能影響，發(fā)現(xiàn)加入橡膠粉后混凝土磨損量減少，且橡膠粉替代率越大，混凝土抗沖磨強(qiáng)度越高，當(dāng)橡膠粉替代率為15%時(shí)，抗沖磨強(qiáng)度是素混凝土的2.16倍.

1.5 抗?jié)B透性能

路沙沙[9]等研究表明，膠粒摻量相同時(shí)，粒徑越大抗?jié)B性越好;粒徑相同時(shí)，摻量越大抗?jié)B性越好.其主要原因是橡膠為疏水性材料，粗膠粉具有較強(qiáng)的引氣能力，細(xì)孔被切斷，滲透通道延長(zhǎng)，毛細(xì)現(xiàn)象大大減弱，抗?jié)B性增強(qiáng).

汪振雙[10]等研究表明，再生混凝土的抗氯離子滲透和抗凍性能均隨膠粒摻量增加和粒徑減小而提高，60目粒徑的最佳摻量為30kg/m3.

許金余[11]等對(duì)不同配合比制備的橡膠混凝土進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)，結(jié)果表明橡膠混凝土的抗?jié)B性明顯優(yōu)于基準(zhǔn)混凝土，當(dāng)摻量相同時(shí)，橡膠粉粒徑越小，混凝土密實(shí)度越高，抗?jié)B性越好.膠粉用量盡可能低于100L/m3，摻量越多抗?jié)B性越差.

綜上表明，橡膠顆粒加入混凝土中與普通混凝土相比耐久性有較大提高，但由于混凝土的親水性與橡膠顆粒的疏水性使二者的粘結(jié)性能較弱，致使橡膠混凝土強(qiáng)度下降，制約了橡膠混凝土的應(yīng)用范圍.

2 橡膠改性機(jī)理研究概況

在橡膠混凝土研究過(guò)程中，通過(guò)對(duì)橡膠顆粒表面進(jìn)行預(yù)處理，將橡膠表面的憎水基團(tuán)通過(guò)化學(xué)改性轉(zhuǎn)化為親水性基團(tuán)，從而增強(qiáng)橡膠顆粒與水泥混凝土界面的相互作用，提高橡膠顆粒與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度，最終達(dá)到提高橡膠混凝土強(qiáng)度的目的.因此制定經(jīng)濟(jì)有效的改性方法及技術(shù)成為該項(xiàng)研究的關(guān)鍵所在，常用的橡膠表面改性技術(shù)及作用機(jī)理如表1所示.

通過(guò)表1可以看出，橡膠表面改性以后對(duì)橡膠混凝土的強(qiáng)度及耐久性能均有不同程度改善，而這種增強(qiáng)作用與橡膠表面改性效果是否有關(guān)？很多學(xué)者對(duì)橡膠混凝土的孔結(jié)構(gòu)和界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析以此驗(yàn)證與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性.朱曉斌等[12]從橡膠混凝土斷面上觀(guān)察未改性橡膠顆粒與水泥石之間的界面，發(fā)現(xiàn)過(guò)渡區(qū)的水化產(chǎn)物與砂漿和膠粒之間存在明顯分界.于利剛[13]通過(guò)壓汞實(shí)驗(yàn)對(duì)改性膠粒表面結(jié)構(gòu)和親水性變化進(jìn)行分析，得出橡膠粉經(jīng)改性后其憎水親油性發(fā)生改變，孔表面粗糙程度得到改善，同等摻量下，改性膠粉的孔隙率和平均孔徑均小于未改性膠粉.并通過(guò)粘結(jié)實(shí)驗(yàn)和改性膠粉與水泥漿體界面分析發(fā)現(xiàn)，膠粉表面覆蓋部分水化產(chǎn)物，說(shuō)明兩者之間實(shí)現(xiàn)了化學(xué)鍵結(jié)合，因此提高了界面粘結(jié)力.劉日鑫[14]通過(guò)微觀(guān)觀(guān)察混凝土斷裂面發(fā)現(xiàn)膠粒經(jīng)改性后與混凝土基體的界面結(jié)合情況要優(yōu)于未改性橡膠混凝土，并通過(guò)PTIR紅外分析得出硅烷偶聯(lián)劑中的氨基與膠粒中的酚羥基發(fā)生反應(yīng)，偶聯(lián)劑與膠粒實(shí)現(xiàn)成功“橋接”，使得橡膠混凝土的塑性和沖擊韌性得到明顯提高.

3 改性橡膠混凝土耐久性研究展望

綜上表明，將橡膠表面改性以后再摻入混凝土中的耐久性研究理論可行.而適宜的改性試劑的選擇和優(yōu)化的配合比設(shè)計(jì)將會(huì)進(jìn)一步提高橡膠混凝土的耐久性能，已有部分相關(guān)報(bào)道證實(shí)這一結(jié)論.

劉娟紅[15]等研究表明，經(jīng)改性以后，橡膠混凝土彈性模量下降較小.摻10%、15%、20%改性橡膠混凝土的阻尼比與素混凝土相比分別提高了11%、34%、56%.

卞立波[16]研究得出，膠粒表面改性后與混凝土的界面結(jié)合情況要好于未改性橡膠混凝土，經(jīng)150次凍融循環(huán)后，摻量15%、20%表面改性的混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為65.1%、60.1%，而未改性混凝土則破壞.

陳振偉[17]等研究顯示，用NaOH溶液和CaCl2溶液處理后的橡膠混凝土抗疲勞性能最優(yōu)，且在一定摻量范圍內(nèi)，隨摻量增加，疲勞壽命增速明顯.

在2018第十屆全球汽車(chē)產(chǎn)業(yè)峰會(huì)上國(guó)家信息中心副主任徐長(zhǎng)明指出，預(yù)計(jì)2020年，中國(guó)汽車(chē)保有量將達(dá)到6.3億輛.伴隨其后的將是汽車(chē)報(bào)廢量的大幅增長(zhǎng)，根據(jù)既有的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)指出將在2018-2020年迎來(lái)汽車(chē)報(bào)廢高峰.屆時(shí)大量廢舊汽車(chē)輪胎的回收利用與閑置堆棄帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題將成為社會(huì)難題.早在2010年國(guó)家工業(yè)和信息化部就出臺(tái)了《廢舊輪胎綜合利用指導(dǎo)意見(jiàn)》，并把加大橡膠在建筑等領(lǐng)域的推廣應(yīng)用力度作為重點(diǎn)任務(wù).十九大報(bào)告中“環(huán)境”一詞更是出現(xiàn)了29次，“資源”出現(xiàn)了13次，說(shuō)明綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的好壞與否已是關(guān)乎民族未來(lái)的大事.因此，現(xiàn)階段開(kāi)展廢舊輪胎橡膠顆粒對(duì)混凝土耐久性研究，不僅對(duì)建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)有益，而且對(duì)確保中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有戰(zhàn)略意義.

4 結(jié)論

當(dāng)前，橡膠混凝土研究已取得階段性的成果.橡膠的摻入不但能改善混凝土的韌性、耐久性等性能，并且能夠大量消耗廢橡膠，為廢橡膠的資源化利用開(kāi)拓新途徑.對(duì)橡膠混凝土耐久性進(jìn)行研究的終極目的是工程應(yīng)用，為達(dá)到此目的，可在以下方面進(jìn)一步開(kāi)展研究：

（1）當(dāng)前對(duì)耐久性研究的深度還不夠，尤其是改性劑的作用機(jī)理和界面微觀(guān)研究亟待加強(qiáng).

（2）當(dāng)前研究主要考慮了高溫、低溫、氯鹽腐蝕、混凝土碳化等單因素對(duì)耐久性的影響，而多要素耦合作用下的相關(guān)研究還很奇缺，應(yīng)努力創(chuàng)建內(nèi)容完整的一套體系，最終實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全耐久.

（3）目前還沒(méi)有能用于工程實(shí)際且價(jià)格低廉性能更優(yōu)的改性試劑的報(bào)道，因此在改性試劑配制和混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)上應(yīng)再深入研究，在符合經(jīng)濟(jì)效益滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的條件下將橡膠混凝土應(yīng)用到要求更高的工程領(lǐng)域.

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