橡膠混凝土性能及其應(yīng)用研究

孫雪偉，高培偉，張萬磊

（1.南京航空航天大學，江蘇 南京 211100；2.中路交科科技股份有限公司，江蘇 南京 211808）

1 引言

汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，使得橡膠廢棄物的大量堆積逐步演化為一個不可忽視的環(huán)境問題。據(jù)世界環(huán)衛(wèi)組織統(tǒng)計，全世界每年生產(chǎn)汽車輪胎數(shù)量達到15億條，其中有超過50%的輪胎在未經(jīng)處理時便進行丟棄或掩埋[1]。廢棄輪胎的存放不僅占用土地資源，且輪胎大范圍長時間堆積易引發(fā)火災(zāi)。輪胎燃燒時會釋放揮發(fā)性氣體、重金屬和其他有害化合物。此外，庫存還為老鼠、蚊子和其他害蟲提供了滋生地。

很多人就廢舊輪胎庫存問題提出過解決方案，比如全輪胎可作為輪胎包用于公路路堤和擋土墻施工，顆粒橡膠可加入瀝青粘合劑中用于瀝青路面。由于橡膠瀝青具有更好的抗滑性、抗疲勞開裂和耐久性，學校在操場上用加工過的廢輪胎代替砂礫。輪胎碎片可用于保溫，也可在土木工程應(yīng)用中作為土壤/骨料材料的替代品。

在20世紀90年代，回收廢輪胎的使用擴大到一種相對較新的產(chǎn)品，稱為橡膠混凝土[2]。橡膠混凝土采用硅酸鹽水泥作為粘結(jié)劑。研究表明，橡膠混凝土具有非常積極的應(yīng)用前景，如鋪筑路面。Kardos A J[3]研究了美國羅拉多州P 級路面混凝土混合料中使用商業(yè)加工的橡膠粉替代部分細集料的可行性，替代體積從10%到50%，測試了混凝土的工作性能和力學性能。從試驗結(jié)果來看，20%和30%替換比例的混合料能夠充分滿足P類路面要求，回收的廢輪胎顆粒在不同的置換量下沒有表現(xiàn)出任何異常的強度增加。同時通過浸出試驗檢驗橡膠混凝土混合物的環(huán)保性能，結(jié)果表明這種材料不會對人類健康造成威脅。

目前道路和橋梁建設(shè)規(guī)范指南已經(jīng)給出了混凝土等級要求。橡膠混凝土通常設(shè)計在低坍落度，用于滑模鋪路機或路緣和排水溝。最大骨料尺寸從20mm～40mm 不等，這取決于澆筑形式以及是否配置橫向鋼筋?，F(xiàn)場測得28d 路面混凝土的斷裂模量（抗彎強度）為4.5MPa，實驗室所測值為4.8MPa。28d齡期的現(xiàn)場抗壓強度為31MPa。最小膠凝材料用量為236kg，最大水膠比為0.44?；炷烈笥?%～8%的空氣，以確保良好的耐久性和抵抗凍融循環(huán)。橡膠混凝土混合物應(yīng)具有相同的空氣含量范圍，以具有良好的抗凍融性能。

橡膠混凝土在路面工程中有廣泛的應(yīng)用前景，綜合分析其工作性能、基本力學性能及動態(tài)荷載作用下的綜合力學表現(xiàn)等，具有非常實際的工程意義。本文對橡膠混凝土的工作性能和力學性能研究現(xiàn)狀進行歸納總結(jié)，為后續(xù)研究提供合理方向，對橡膠混凝土在道路工程中的推廣應(yīng)用發(fā)揮了重要作用。

2 輪胎橡膠的基本材料性能

輪胎是由天然和合成橡膠彈性體制成的，這些彈性體來源于石油、氣體和金屬的混合。其他成分，如炭黑、聚合物、鋼和添加劑的加入，可提高輪胎的性能[4]。表1總結(jié)了輪胎的基本性能，并與礦物集料的性能進行了比較。

表1 輪胎橡膠與礦物集料的基本性能比較

輪胎橡膠的比重根據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42—2005）[5]的密度、相對密度（比重）和粗/細骨料吸收的標準試驗方法來估計。輪胎碎片的重力特性與砂石粗細骨料有顯著差別，輪胎碎片的比重大于1，浸入水中時不會漂浮，但橡膠顆粒碎屑會漂浮在水面上，且不會排出水，這一性能對橡膠混凝土的攪拌機制會產(chǎn)生一定的影響。輪胎橡膠的比重還不到礦物骨料的一半，運輸過程中，每次運送的橡膠粗骨料體積將是砂石粗骨料體積的2～2.5 倍。橡膠混凝土的自重相較于普通混凝土也相應(yīng)減少。

彈性模量是施加的應(yīng)力與測量到的應(yīng)變之間的比值，反映材料抵抗變形的能力。砂石的彈性模量范圍在42MPa～84MPa 之間，而礫石則要大得多。與砂礫相比，輪胎橡膠的彈性模量要低得多。在混凝土中，輪胎橡膠表現(xiàn)為弱夾雜物。研究人員建立了一些理論模型來解釋橡膠混凝土圓柱體的壓縮破壞模式[6]，并由此建立了橡膠混凝土強度與橡膠摻量關(guān)系的數(shù)學表達式[7]。輪胎的泊松比為0.5，這與礦物骨料的性能接近，現(xiàn)有研究中未見泊松比與橡膠混凝土性能關(guān)系的相關(guān)報道。

綜上，通過機械剪切將廢橡膠輪胎制成橡膠顆粒或粉末，是橡膠廢物再利用到水泥基材料中的重要形式。橡膠顆粒的加入可以使混凝土獲得許多優(yōu)異的性能，如減輕混凝土重量，提高混凝土坍落度，增加混凝土流動性，提升韌性、消聲隔熱、抗疲勞、耐磨抗裂、抗?jié)B性、抗凍融等特性。

3 橡膠混凝土的工作性能

坍落度、空氣含量和單位重量是評價混凝土工作性能的常用指標。Raghvan D 等[8]研究發(fā)現(xiàn)，與不含橡膠顆粒的對照砂漿相比，含有橡膠顆粒的砂漿可獲得類似或更好的和易性，而其他研究人員發(fā)現(xiàn)，隨著橡膠含量的增加，坍落度隨之降低。Khatib Z K等[9]指出，當橡膠占總骨料體積的40%時，混合物的坍落度幾乎為零。細顆粒橡膠混凝土的工作性能優(yōu)于粗顆粒橡膠混凝土。輪胎顆粒在加工過程中會產(chǎn)生粗糙表面，混凝土拌和過程中，粗糙表面更容易吸附空氣，因此橡膠混凝土中的空氣含量高于無橡膠普通混凝土。同時橡膠是疏水材料，表面不易吸附水分，從而使更多空氣粘附在橡膠顆粒上。隨著橡膠含量占總骨料體積的百分比的增加，橡膠顆粒比重遠低于礦物骨料，由此導致混凝土單位重量下降。由于橡膠增加而增加的空氣含量進一步降低了混凝土的單位重量。

因此，橡膠顆粒對混凝土工作性能的影響總結(jié)為：混凝土拌合料的坍落度和單位重量隨橡膠含量的增加而降低；拌合料內(nèi)空氣含量隨橡膠含量的增加而增加。

4 橡膠混凝土力學性能

4.1 壓縮、拉伸力學性能

尺寸、表面紋理和橡膠含量會影響橡膠混凝土的抗壓和抗拉強度。Eldin N N 等[6]指出，當粗骨料被輪胎碎片100%替代時，抗壓強度約降低85%，劈裂抗拉強度降低50%。橡膠混凝土在壓縮和拉伸載荷下表現(xiàn)出延性破壞，能夠吸收更多的能量[10]。

橡膠混凝土的抗壓強度和抗拉強度隨著輪胎顆粒含量的增加而降低，具體見表2。強度損失的主要原因是膠凝產(chǎn)品與橡膠顆粒表面的附著力差。采用化學方法處理橡膠顆?？筛纳葡鹉z骨料與膠凝材料的界面過渡區(qū)（ITZ）的結(jié)合性能。這些方法包括聚丙烯酰胺進行預處理、壓力老化容器預處理、硅烷進行預處理、氫氧化鈉浸泡、氯化鎂水泥等[4]。橡膠顆粒預處理后的混凝土抗壓強度比含有未處理橡膠集料的混凝土高16%～57%。

表2 橡膠混凝土強度與橡膠顆粒摻量的關(guān)系

4.2 斷裂韌性和疲勞性能

韌性是試樣的能量吸收能力，定義為受彎試樣在荷載-撓度曲線下的面積。橡膠混凝土能夠承受極限荷載后的額外荷載，而且比不含橡膠顆粒的混凝土有更高的韌性。隨著橡膠摻量的增加，橡膠混凝土試樣呈現(xiàn)出逐漸破壞而非脆性破壞的趨勢。

許多學者針對橡膠混凝土的斷裂性能做了相關(guān)的研究。Liu F 等[17]采用了直徑為25mm、50mm、75mm 的橡膠顆粒，摻入比例分別為5%、10%、15%，對橡膠混凝土的彎曲試驗進行了研究，結(jié)果表明，橡膠摻量為5%、橡膠粒徑為50mm 時，材料的斷裂能最大，但只比普通自密實混凝土提高5%左右。羅素蓉等[18]測量了三點彎拉試件的荷載-位移曲線和裂縫開口位移，并應(yīng)用斷裂力學的雙K模型計算斷裂能和斷裂韌度，結(jié)果表明橡膠混凝土的斷裂韌性明顯改善，且除橡膠粒徑和摻量外，橡膠表面的處理也會對混凝土韌性產(chǎn)生影響。

橡膠混凝土的韌性提高對改善其疲勞狀態(tài)下的承載能力也是有益的。劉妙燕等[19]運用聲發(fā)射技術(shù)對不同橡膠摻量的橡膠混凝土進行了疲勞與靜載荷載下的三點彎曲梁斷裂試驗，對處于疲勞與靜載荷載下的橡膠混凝土的損傷程度與聲發(fā)射特征參數(shù)之間的關(guān)系進行了研究。橡膠混凝土的損傷程度可以借助聲發(fā)射的幅值、能量與累積能量等參數(shù)進行評判。研究結(jié)果表明[20]，對疲勞荷載下的幅值變化進行分析，混凝土的損傷過程可以分成三段，對累積能量變化進行分析，混凝土的損傷過程可以分成兩段；而在靜載作用下，針對幅值參數(shù)進行分析，混凝土的損傷過程可以分成兩段，對能量參數(shù)進行分析，混凝土的損傷過程可以分成三段。聲發(fā)射信號在疲勞荷載下會因橡膠摻量的增加而增加，而在靜載下會因橡膠摻量的增加而減少。將橡膠摻入混凝土中，不僅能提高混凝土承受損傷的能力，還能使混凝土的阻裂能力顯著增強。

綜上可知，橡膠混凝土的斷裂試驗表明，在混凝土中摻入橡膠會使試件的抗裂性能和疲勞性能得到顯著提高?，F(xiàn)有研究主要從宏觀層面的斷裂參數(shù)進行分析，而對橡膠顆粒與混凝土其他部分的相互作用及機理有待進行系統(tǒng)研究。

4.3 橡膠混凝土耐久性

關(guān)于橡膠骨料混凝土耐久性的文獻較少。Savas B Z等[21]對橡膠混凝土的快速凍融耐久性進行了研究，其中橡膠混合物的比重為10%、15%、20%和30%。經(jīng)過300次凍融循環(huán)后，橡膠顆粒含量分別為10%和15%的混合料耐久性系數(shù)均大于60，而橡膠顆粒含量分別為20%和30%的混合料耐久性系數(shù)均小于60。各混合物的失重率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加。由Paine K A等[22]進行的研究表明，橡膠顆粒可能被用作混凝土中的抗凍/解凍劑。

具有良好抗氯離子滲透能力的混凝土樣品將通過ASTM C1202 混凝土抗氯離子滲透能力電指示試驗方法的1000～2000 庫侖（低滲透）測試。等[23]評價了含硅灰的橡膠混凝土中氯離子滲透的效果，結(jié)果表明橡膠能明顯抑制氯離子的滲透，而硅灰的使用可顯著降低氯離子的滲透強度，特別是對橡膠混凝土。

5 橡膠混凝土的應(yīng)用

由于橡膠化學性質(zhì)穩(wěn)定，在強堿條件下也能穩(wěn)定存在，因此廢棄橡膠在混凝土結(jié)構(gòu)物中的運用具有良好的前景，橡膠混凝土目前已經(jīng)較為廣泛地運用于各類建設(shè)中，并且成效顯著。

橡膠混凝土具有良好的抗沖擊性能以及疲勞性能，十分適用于路面工程的鋪設(shè)中。將橡膠運用于道路工程，不僅可以提高混凝土路面的疲勞壽命，同時可以起到吸聲減噪的作用。目前關(guān)于橡膠混凝土路面建設(shè)典型的實際工程案例為2000年西班牙Gudino由橡膠混凝土鋪設(shè)的一條載重路面[24]。弗羅里達交通運輸部（FDOT）為了解決普通混凝土路面出現(xiàn)的膨脹和收縮等問題，用粒狀橡膠顆粒來代替細粒和粗骨料，使混凝土路面具有一定的彈性，很好地解決了膨脹收縮裂縫，延長了路面的使用壽命[25]。

由于橡膠混凝土具有良好的韌性及抗震性能，將該材料作為鐵路軌枕的基本材料可大大提高其使用壽命。目前，我國青島綠葉橡膠有限公司在2003 年己與加拿大楓葉控股集團公司共同進行了以橡膠混凝土為鋪設(shè)材料的軌枕項目[26]。

除此以外，橡膠混凝土還可以作為一種具有良好吸聲、隔熱的環(huán)保節(jié)能材料運用到民用建筑的建造中。同時，機場跑道、防沖擊護欄、運動場、核工業(yè)建筑以及重要的軍事建筑均可采用橡膠混凝土進行鋪設(shè)或建造。將廢棄橡膠回收并合理運用到工程建設(shè)中，對于緩解我國社會經(jīng)濟飛速發(fā)展而產(chǎn)生的環(huán)境問題具有非常重要的意義。

6 結(jié)語

廢舊輪胎數(shù)量逐年增加，輪胎的堆積存放會消耗越來越多的土地資源，且容易受到火災(zāi)的襲擊，是對環(huán)境和人類健康的潛在威脅。本文調(diào)查了輪胎碎片作為路面混凝土骨料的再利用潛力。橡膠混凝土并沒有明顯降低混凝土的成本，也沒有減少混凝土本身對環(huán)境的影響，但有助于消除廢舊輪胎庫存，減少庫存對環(huán)境的潛在威脅。本文總結(jié)了現(xiàn)有研究中橡膠混凝土拌合物的典型工作性能和硬化性能，其中工作性能包括坍落度、空氣含量、單位重量，硬化性能包括壓縮、彎曲、劈裂抗拉強度、斷裂韌性、滲透性、耐凍融性。橡膠混凝土性能總結(jié)如下：

①隨著橡膠含量的降低，坍落度增大。當用輪胎顆粒代替10%的粗骨料時，輪胎顆粒對混凝土的和易性沒有影響。大量摻入輪胎顆?；虻退嗪康陌韬衔锕ぷ餍阅苊黠@降低。

②隨輪胎顆粒含量增加，空氣含量總體呈增加趨勢。不論水泥摻量如何，隨著橡膠骨料摻量的增加，單位重量呈線性減小。

③粗骨料置換量為10%時，抗壓強度下降32%，置換量越大，抗壓強度下降幅度越大。水泥摻量和橡膠顆粒摻量均對橡膠混凝土的抗壓強度有影響。低水泥摻量的混凝土抗壓強度較低。隨著輪胎顆粒含量的增加，抗壓強度降低。

④隨著輪胎顆粒含量的減少，抗彎強度增加。水泥用量較少的混凝土在開裂后能承受額外的彎曲載荷。當粗骨料替換量為10%時，劈裂抗拉強度至少降低了18%，隨著橡膠顆粒含量的增加，劈裂抗拉強度進一步降低。

⑤摻有橡膠顆粒的混凝土在壓縮、彎曲和劈裂荷載作用下，其變形比普通混凝土大，彎曲韌性也有所提高。

⑥橡膠混凝土28d 齡期的抗氯離子滲透能力比普通混凝土提高，摻氣量對橡膠混凝土滲透性的影響大于橡膠顆粒屑量。橡膠混凝土抗凍融性能較好。

現(xiàn)有研究結(jié)果表明，橡膠顆粒與混凝土基質(zhì)之間的ITZ 粘結(jié)是影響橡膠混凝土力學性能的重要因素，已有的處理方法對粘結(jié)性能改善并不理想，橡膠顆粒的韌性未能充分發(fā)揮，更經(jīng)濟、可靠的界面改善方法還有待于進一步研究。同時，現(xiàn)有研究主要集中于橡膠顆粒摻量、粒徑對混凝土相關(guān)性能的影響，而對橡膠顆粒本身特性與混凝土性能的關(guān)系研究較少，這也導致橡膠混凝土的實際工程應(yīng)用受到很大限制。