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摘要：目前我国废旧橡胶年产量全球第一，但其资源化利用率非常低，已造成了严重的“黑色污染”。在废橡胶循环利用方法中，将橡胶作为骨料掺入混凝土日益引起人们的关注。废旧橡胶在混凝土中的使用不但能改善混凝土耗能特性，同时又能解决大量废旧橡胶的回收利用问题，是一种富有发展前景的环保技术。本文基于国内外针已报导的试验研究，对橡胶混凝土的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、抗冲击、抗冻性、抗渗性、抗冲磨性及碳化性能等方面进行了分析，并对现有橡胶混凝土的改性处理方法进行了系统的评述，拟为实际工程中应用橡胶混凝土提供参考和依据。
关键词：废旧橡胶，混凝土，骨料，力学性能，耐久性，改性
1．前言
中国是一个资源消耗大国，每年都产生大量的固体废弃物，废旧橡胶的“黑色污染”急剧增加。目前我国废旧轮胎每年产超千万吨， 产量全球第一，数据显示到2020年我国废旧轮胎产量将达2000万吨。这样大规模的废旧轮胎将会造成固体废弃物环保问题，变废为宝刻不容缓。然而，目前我国废旧轮胎回收利用率很低。由于废旧橡胶不易降解，填埋后对环境的污染较大，焚烧也会带来大气污染，如何处理日益增加的废旧橡胶已经成为一个严重的环境问题，同时，如果不能够合理的利用，也会造成一种有效能源的浪费。目前，利用废旧橡胶作为骨料来制备混凝土是应用较广的再生技术之一，不仅可以把废弃轮胎作为资源重新利用，又可以降低建筑成本，有利于社会经济的可持续性发展，是环保建筑材料领域的一个研究热点。然而，橡胶再生混凝土存在诸多的缺点，如孔隙率大，吸水率较大，抗压强度相对较低等，因此，开展橡胶再生混凝土的改性处理研究，有效循环利用废弃橡胶生成高性能混凝土，提高其力学性能和耐久性能，具有重要的科学研究意义和工程应用价值。
2.橡胶混凝土的力学性能
2.1抗压强度和弹性模量
现有许多研究已经表明，橡胶的掺入对混凝土的抗压强度和弹性模量有显著影响[1]。Zheng等人[2]用两种不同粒径 (20目和60目）的橡胶粉末，分别以体积含量的5%，10%，15%，20%，25%，30%取代细骨料，进行了抗压试验，研究结果显示，混凝土抗压强度与橡胶含量成反比，与粒径成正比。曹宏亮等人[3]也报导了类似的试验结果，并指出与小粒径橡胶混凝土相比，大粒径橡胶橡胶混凝土抗压强度受养护时间影响更大。文献[1]给出了橡胶掺量（取代细骨料）对混凝土抗压强度的影响，如图1所示。从图中可以看出，橡胶掺量与混凝土抗压强几乎成线性关系，当橡胶掺量为15%时，混凝土抗压强度均超过20%的下降。对于混凝土的弹性模量，Xie等人[4] 通过实施一系列的轴压试验研究发现，橡胶掺入也会明显降低混凝土的弹性模量，但与抗压强度相比，橡胶掺入对弹性模量的影响相对小一些。究其原因，主要是因为橡胶强度和刚度低、孔隙率大，以及其憎水性造成浆体与骨料之间的界面性能弱引起的[1，4-8]。
图1 橡胶掺量对混凝土抗压强度的影响[1]
2.1抗折强度和劈裂抗拉强度
橡胶的掺入对于混凝土的抗折性能和劈裂抗拉强度也有显著的影响。薛刚和侯帅 [9]试验研究发现：掺加橡胶颗粒后，混凝土抗折性能下降，橡胶混凝土的抗折性能与橡胶掺量成反比；水灰比对橡胶混凝土的抗折强度影响显著。冯凌云等[10]人也报导了类似的结论，他们用粒径分别为3mm-6mm,1 mm-3mm 及60目的橡胶配置混凝土，结果发现其抗折强度分别下降了19.6%,16.7 % 和22.2%。对于抗拉强度，Topcu [5] 用粒径小于1mm橡胶取代 15 %- 45% 细骨料，结果发现其劈裂抗拉强度减少64%；但他用掺量粒径大于1mm橡胶取代时，却发现其劈裂抗拉强度下降26%。由此可见，橡胶的掺入也会下降混凝土的抗拉性能，且其影响与橡胶粒径相关。
2.2 冲击和疲劳性能
由于橡胶颗粒本身的粘弹性特性，在混凝中加入适量的橡胶颗粒，不仅可以改善混凝土的脆性，提高混凝土结构的动力性能。Liu等人[11]通过实施冲击试验研究发现，橡胶掺入可以提高混凝土冲击韧性，其随着橡胶掺量提高而增大。另外，橡胶的掺入对混凝土的疲劳性能也有一定的改善。Liu等人[12] 基于试验研究结果指出，混凝土的疲劳寿命随着橡胶掺量的增大呈一定程度提高的趋势。究其原因，主要是因为橡胶具有较好的耗能特性，其掺入可以改善混凝土的延性和韧性，从而提高混凝土的抗冲击和抗疲劳性能[1,12]。
3.橡胶混凝土的耐久性
3.1抗冻性和抗渗性
橡胶的掺入对混凝土的抗冻性和抗渗性也有一定的影响，且受橡胶掺量和橡胶颗粒的影响。许金余等人[13]通过对比分析表明：与普通混凝土相比，橡胶混凝土抗冻性更好，并随着橡胶粒径减小而增强。针对混凝土的抗渗性，胡鹏等人[14]指出，橡胶颗粒的掺入可以有效减少混凝土内部细小孔洞之间的联系，进而使网状孔结构体系不能形成，且由于橡胶的憎水性，使得渗流阻力加大，降低了毛细孔的抽吸作用，故橡胶的掺入对混凝土的抗渗性具有一定的增强作用。此外，冯凌云等人[15]的试验结果也表明,橡胶混凝土的抗渗性能优于未掺加橡胶的混凝土，且抗渗性能与橡胶粒径成反比。
3.2抗冲磨性及碳化性能
抗冲磨性和碳化性能也是反映混凝土耐久性的关键指标。针对橡胶掺量对混凝土抗冲磨性的影响，李光宇[16]试验发现橡胶掺入能提高混凝土的抗冲磨强度，且与橡胶掺量成正比，其抗冲耐磨强度可提高近3倍。加入橡胶后混凝土更加耐冲磨，但对抗碳化性能的影响却比较复杂。袁群等人[17]试验研究表明:橡胶粒径对橡胶混凝土的影响明显，不同粒径对混凝土前期和后期影响不尽相同。总的来说，橡胶的掺入对混凝土抗碳化性能不利，但其量化影响规律还需要进一步深入研究。
4．橡胶混凝土的改性处理
由上述橡胶混凝土的基本力学性能和耐久性能分析可知，普通废旧橡胶的掺入有利于混凝土的动力性能、抗冻性、抗渗性和抗冲磨性，但会明显降低混凝土的抗压强度、抗拉强度和弹性模量，也不利于混凝土的抗碳化性能。为推广橡胶混凝土在实际工程中应用，必须改善橡胶混凝土劣化的基本力学性能。除了在橡胶混凝土掺入其它外加剂或增强体[1]，比如硅粉、矿渣和钢纤维等，对橡胶进行改性处理也是提高橡胶混凝土性能有效可行的方法。
用氢氧化钠处理橡胶颗粒是目前较流行的方法之一。Mohammadi等人[18]试验发现：将橡胶颗粒用 氢氧化钠 处理 24 h 后以10%的质量取代混凝土的细骨料，其抗压强度和抗弯强度较未改性的分别提高了 25% 和 5%。用丙烯酸和聚乙二醇改性橡胶颗粒也得到了很多学者的关注。Zhang等人[19]的试验结果表明，利用丙烯酸和聚乙二醇改性可使橡胶颗粒表面性质由疏水性改为亲水性，改性后混橡胶凝土的抗压强度和抗弯强度显著增加。另外，利用氧化-脲化改性也能提高橡胶混凝土的抗压强度。何亮等人[20]对橡胶进行氧化-脲化改性后，发现橡胶颗粒表面能引入了羰基、亚胺基、酰胺基等极性亲水性基团，橡胶与水泥基体的粘接强度能提高了30%以上。为了对比氢氧化钠和硅烷偶联剂改性的影响，Su[21]开展了一系列的试验研究，结果发现：与饱和氢氧化钠溶液相比，用硅烷偶联剂预处理的橡胶性能更优。类似，刘建飞[22]等用钛酸四丁酯乙醇溶液、硅烷偶联剂乙醇溶液和铝锆偶联剂溶液分别对橡胶颗粒界面进行改性，结果发现，与未改性的橡胶砂浆，改性后砂浆的抗折强度和抗压强度都有所提高；三种偶联剂相比，铝锆偶联剂的改性效果最好。
5．结语
废旧橡胶对环境的危害已经成为当今人们面临的严重问题之一。橡胶混凝土的诞生为环境保护添砖加瓦，不仅将被誉为黑色废物的废旧轮胎橡胶资源化利用，而且有潜力使混凝土性能有所改良。与普通混凝土相比，橡胶混凝土具有更好的动力性能、抗冻性、抗渗性和抗冲磨性，但也存在抗压强度、抗拉强度、抗碳化性能和弹性模量低的缺点。在掺入混凝土之前，对橡胶进行改性处理是提高橡胶混凝土性能可行的方法之一。用氢氧化钠、丙烯酸和聚乙二醇、氧化-脲化和各类偶联剂等对橡胶改性进行处理，可有效提高橡胶混凝土的基本力学性能。与现有其它改性处理方法相比，利用硅烷偶联剂改性橡胶的技术显得更有前途。总的来说，国内外学者对橡胶混凝土改性技术开展了许多研究，并取得了一定的成果，在后面的研究中，建议针对改性成本与性能提高兼备开展进一步深入的研究，从而推动橡胶混凝土在实际工程中广泛应用。
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论文作者:赵金侠
论文发表刊物:《防护工程》2019年第7期
论文发表时间:2019/6/28
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