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本文由同济大学孙振平教授课题组蒋晓星整理 注：本公众号所发布内容均为课题组原创，转载或修编时请务必注明出处
随着汽车工业的发展，产生了越来越多的废旧轮胎，严重威胁着自然环境，被人们痛恨地称为“黑色污染”。目前，中国是世界上第三大轮胎生产国，轮胎年产量超过1亿条，而每年产生的废旧轮胎已超过5万多条。因而，对废旧轮胎的安全无害化处置问题引起社会各界的广泛关注，而如何对废旧轮胎资源化利用则是社会可持续发展的重要方面。 本文简要介绍废旧轮胎的资源化利用现状，并重点介绍掺废旧轮胎橡胶粉对混凝土性能的影响，希望对推动废旧轮胎橡胶粉在混凝土中的应用步伐有一定作用。
全世界废旧轮胎已积存3亿条，并以每年约1亿条的新增量持续增长，其中得到翻新利用的只占15％－20％，其余的废旧轮胎亟待资源化处置。 目前，对废旧轮胎的资源化处置方法主要6种，下面简要介绍。 2.1 直接利用 直接利用是指在原有形状上加以利用，例如对轮胎进行翻新使用，利用废旧轮胎制备拖鞋，利用废旧轮胎制备盛水容器等。根据实际经验，经过一次翻修的轮胎，其寿命一般为全新轮胎的60%左右，而消耗的原材料仅为新胎的20%左右，因此我国比较重视废旧轮胎的直接利用。 2.2 生产再生胶 生产再生胶是指通过化学方法将废旧轮胎进行脱硫处理，得到再生橡胶。这也是处理废旧轮胎最古老的方法之一。而再生胶主要用于橡胶制品的生产，由于生产再生胶严重污染环境，此方法在国外已经淘汰。 2.3 热分解 热分解是指通过对废旧轮胎进行热分解的方法来回收液体和炭黑，甚至可制得动力燃油。目前该技术存在处理温度高、加热时间长、产品杂质多等问题，有待进一步研究和开发。 2.4 用作燃料 由于废旧轮胎的燃烧热与优质煤相当，它可代替煤用作燃料。目前，在水泥烧成、火力发电等行业的部分企业将废旧轮胎用作燃料，以降低其对环境的不良影响。 2.5 用于土木工程 废旧轮胎还可以用于岩土工程填料和橡胶土技术。在岩土工程中，使用碎轮胎作填充料可以有效减小沉降，增强结构稳定性。而橡胶土(块)是将碎橡胶、水泥、粉煤灰、橡胶粉或聚合物纤维等原材料按照一定的比例充分混合，用于路堤、挡土、回填及其他工程领域。 2.6 制备橡胶粉 目前，制备橡胶粉是废旧轮胎利用的主要途径。橡胶粉的生产方法主要有常温粉碎法、低温粉碎法、湿法和溶液法等。橡胶粉有广阔的需求市场。美国有近70%的橡胶粉用于建筑、交通、体育等行业，如塑胶跑道、橡胶改性沥青路面等。将橡胶粉掺入混凝土中制成橡胶混凝土，可应用于道路、广场、火车站等对震动阻尼要求较高的工程中。橡胶粉还可用于建筑装饰材料和自流平地坪材料[1]。 本文主要论述掺废旧轮胎混凝土在新拌阶段的工作性和硬化后的力学性能及耐久性。
橡胶粉的颗粒形状、表面粗糙度和颗粒尺寸对新拌混凝土的工作性能影响显著。 哈佛大学Raghvan D和Huynh H等[2]认为，掺有橡胶粉的水泥砂浆的流动度与普通砂浆基本相当或略好。 武汉大学刘刚和方坤河等[3]发现，橡胶粉对混凝土的流动性影响不大，对混凝土具有较好的保水作用，使混凝土的泌水性减小。更多的研究表明，橡胶粉吸水率较大，且吸水较快，在拌和过程中将吸收较大部分的拌和水，从而使混凝土拌和物的和易性变差。 美国爱达荷州大学Zaher K Khatib[4]研究发现，随着橡胶粉的掺量增加，混凝土的坍落度降低，当橡胶粉掺量比例达到集料的40%时，混凝土的坍落度几乎为0，细橡胶粉颗粒对混凝土坍落度降低的影响要大于粗橡胶粉颗粒。 东南大学李红燕[5]试验发现，掺加不同种类和不同掺量橡胶粉(颗粒)后，混凝土的坍落度均变小，用100目橡胶粉等量代水泥时，坍落度值减小最多，100目橡胶粉等量代砂次之，(3-4)mm橡胶颗粒等量代砂时，坍落度值减小最少。 南昌大学郭灿贤[6]将橡胶粉以不同的重量比代替砂子掺入混凝土中，橡胶粉、砂子和水泥先混合均匀后，再与碎石一起干拌，最后加入水搅拌，随着橡胶粉掺量的增加，混凝土维勃稠度值从6s增大到14s，而且增大的速率越来越大，混凝土和易性越来越差。
4.1 力学性能 张昊[7]等以两种不同粒径的橡胶粉微粒(1-3mm或5-12mm)为对象，研究了其不同体积替代量(按体积百分比等量替代砂或石子)对混凝土性能的影响。主要测定了混凝土的抗压强度和抗折强度。 图1 橡胶粉混凝土28d抗压强度随橡胶粉掺量的变化由图1可知，随着橡胶粉颗粒掺量的增加，混凝土的抗压强度呈下降的趋势。(1-3)mm橡胶粉颗粒以10%、20%和30%等体积替代砂后混凝土抗压强度有不同程度的下降，分别降至不掺者的的82.6%、54.3%和35.7%；(5-12)mm橡胶粉颗粒以10%、20%和30%等体积替代石子后混凝土抗压强度分别降至不掺者的73.1%、52.0%和19.7%。而相同掺量情况下，掺入粗的橡胶粉颗粒比掺入细的橡胶粉颗粒，对混凝土抗压强度影响要稍大一些。试验结果还表明，随着橡胶粉颗粒掺量的增加，橡胶粉改性混凝土的抗压破坏形式由脆性转变为弹性。图2 橡胶粉混凝土28d抗折强度随橡胶粉掺量的变化图2为橡胶粉颗粒不同体积替代量情况下，混凝土28d抗折强度的变化情况。可知，随着橡胶粉颗粒掺量的增加，混凝土的抗折强度呈下降趋势。当(1-3)mm橡胶粉颗粒以10%、20%和30%的比例等体积替代砂时，混凝土抗折强度分别降至不掺者的82%、78.0%和68.0%；而当(5-12)mm橡胶粉颗粒以10%、20%和30%的比例等体积替代石子时，混凝土抗折强度分别降至不掺者的68.0%、60.0%和28.0%。在相同掺量情况下，掺入粗橡胶粉颗粒比掺入细橡胶粉颗粒对混凝土抗折强度的影响更大。 李赞成等[8]用3种粒径(16目、20目和40目)，4种掺量(50L/m3、75L/m3、100L/m3和125L/m3)的橡胶粉，设计了12种配合比的橡胶粉混凝土，开展了橡胶粉混凝土的准静态力学试验，描述橡胶粉混凝土的受力破坏形态，研究橡胶粉的粒径、掺量对橡胶粉混凝土抗压强度、抗折强度及折压比的影响情况，并确定橡胶粉的最佳粒径及掺量范围。其研究结果如下：与普通混凝土相比，橡胶粉混凝土的破坏表现为延性破坏；随着橡胶粉掺量的增加，橡胶粉混凝土的7d和28d抗压强度、抗折强度逐渐降低；掺40目橡胶粉的混凝土的7d和28d 折压比总体优于基准混凝土，掺16目橡胶粉的混凝土的7d和28d折压比先减小后增大，掺20目橡胶粉的混凝土的7d和28d折压比的变化趋势差别较大；掺20目和40目橡胶粉的混凝土的韧性要好于掺16目橡胶粉的混凝土；从折压比和韧性的评价指标来看，制备橡胶粉混凝土时，橡胶粉最佳粒径为40目，掺量应大于100 L/m3。 4.2 耐久性 刘伟等[9]研究了橡胶粉混凝土在三种不同侵蚀介质中的抗冻性能，如图3至图5发现，无论是在哪种情况下，其抗冻性能都要比普通混凝土优越。当水灰比为0.4时，橡胶粉混凝土在淡水、5%硫酸钠和海水中分别能够承受325、300和150次的冻融循环，分别是普通混凝土冻融循环次数的1.6、3.0和2.0倍。可见，掺加橡胶粉能显著提高混凝土在侵蚀和冻融双重作用下的抗冻性。随着水灰比的增加，这种增强作用逐渐减小。具有弹性的橡胶粉在混凝土内部为液体结冰时的体积膨胀提供了一定的空间，在冻融循环作用下，橡胶粉被反复地压缩和回复，削弱了膨胀产生的内部应力，从而提高了混凝土的抗冻性。 混凝土在不同侵蚀溶液中冻融破坏的形式不同。在海水中，橡胶粉混凝土的冻融破坏主要表现为明显的表面剥落，从相对动弹性模量下降的速度来看，其内部损伤比外部剥落严重，而普通混凝土在海水中受到更加严酷的破坏，相对动弹性模量下降更为迅速。当水灰比为0.45以上时，混凝土试件在破坏时溃散成块状；在5%硫酸钠溶液中，冻融初期橡胶粉混凝土表面剥落较少，随着冻融循环的进行，质量损失逐渐增加，试件的相对动弹性模量下降缓慢，试件破坏主要是在中部突然膨胀断裂；普通混凝土表现出与橡胶粉混凝土相同的破坏趋势，但破坏速度比橡胶粉混凝土快，且在冻融破坏后期，试件以突然断裂而破坏；在淡水中，橡胶粉混凝土与普通混凝土均以质量损失率达到临界值而破坏，橡胶粉混凝土的相对动弹性模量下降速率比普通混凝土慢。 图3 普通混凝土(左)和橡胶粉混凝土(右)在淡水中冻融破坏时的外观(A/B/C/D表示水灰比分别为0.4/0.45/0.5/0.55；“1”表示淡水,“2”表示硫酸钠溶液,“3”表示海水；“C”表示普通混凝土,“R”表示橡胶粉混凝土,下同)图4 普通混凝土(左)橡胶粉混凝土(右)在硫酸钠溶液中冻融破坏时的外观图5 普通混凝土(左)橡胶粉混凝土(右)在海水中冻融破坏时的外观
将废轮胎橡胶粉掺加到混凝土中应用，不仅可实现废旧轮胎的无污染化处理和循环利用，而且可以改善混凝土的某些性能。但目前橡胶粉混凝土的应用还处于初级阶段，其研究也多集中于强度、耐久性能、减震性能和抗爆裂性能等应用性能方面，而对橡胶粉混凝土细观及微观性能的系统研究较少。笔者认为，只有进一步建立完善的理论体系并开展深入的试验研究，才能从根本上回答人们对橡胶粉混凝土制备和应用上存在的一律，加快推动其广泛应用的步伐。 [1] 刘伟. 掺废旧轮胎橡胶粉混凝土抗冻耐久性试验研究[D]. 辽宁: 大连理工大学, 2011. [2] RAGHVAN D, HUYNHH, FERRARIS C F. Workability, mechanical properties and chemical stability of arecycled tire rubber-filled cementitious composite[J]. Journal of Materials Science, 1998, 33(7): 1745-1752. [3] 刘刚, 方坤河, 高钟伟. 高强混凝土的增韧减脆措施研究[J]. 混凝土, 2004, (5): 46-48. [4] ZAHE R K, KHATIHand FOUAD M BAYOMY. Rubberized portland cement concrete[J]. Journal of Materialsin Civil Engineering, 1999, 11(3): 206-213. [5] 李红燕. 橡胶改性水泥基材料的性能研究[D]. 南京: 东南大学, 2004. [6] 郭灿贤. 废旧轮胎胶粉改性水泥混凝土及其路用性能研究[D]. 南昌: 南昌大学, 2006. [7] 张昊, 张小亮, 乐金朝. 废旧轮胎橡胶改性混凝土材料性能试验研究[J]. 浙江水利水电专科学校学报, 2008, (1): 39-41. [8] 李赞成, 许金余, 罗鑫, 等. 橡胶混凝土的基本力学特性的试验研究[J]. 硅酸盐通报, 2013, (12): 2589-2594. [9] 刘伟. 掺废旧轮胎橡胶粉混凝土抗冻耐久性试验研究[D]. 辽宁: 大连理工大学, 2011. 感谢各位读者朋友长期以来的关注和支持，由于微信公众平台回复消息的时长限制，我们未能成功答复每一位读者的留言，敬请谅解。 为了方便进一步交流和沟通，请您发送邮件至szhp_tj@126.com。
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