废旧轮胎是世界范围内的主要废物，随意堆放和焚烧会引发环境和安全问题，而将其回收利用在混凝土结构中是一个有效且可持续的处理方案。橡胶混凝土是将废旧橡胶轮胎机械切割成橡胶粉或橡胶颗粒（生产工艺如图1所示），并作为骨料部分取代砂子和石子加入普通混凝土中制备而成。橡胶混凝土的制备工艺和经济性与普通混凝土差别不大，但从长远角度看，橡胶混凝土是将储量巨大的废旧橡胶资源再利用，既提高资源利用率又具有较好的经济价值。用橡胶颗粒代替砂子和石子可以减少对天然骨料的消耗，有利于环境保护。

图1 轮胎废料作为橡胶骨料的工业生产工艺[1]

与传统混凝土的区别

橡胶混凝土显示出普通混凝土不具备的独特优点，例如轻质、弹性减震、降噪隔音、透气透水、延性和韧性好等，已有学者将其定义为 “弹性混凝土”。但橡胶集料的加入使混凝土的抗压、抗劈裂强度以及动静弹模均有所下降，但阻尼比提高，抗冲击性能变强，而且这种趋势随着掺入橡胶的含量和尺寸的增加而增加。研究表明，10%的橡胶含量（以砂的体积取代率为例）会降低基准混凝土（用橡胶颗粒替换骨料前的普通混凝土）抗压强度19%，20%的橡胶含量降低强度37%，20%橡胶含量的抗冲击性能提高一倍。一般认为，橡胶掺入量控制在20%以内是比较合理的。可根据需求选择基准混凝土强度和相应的橡胶掺量，配置出所需强度的橡胶混凝土。此外，经过特殊预处理工艺和添加外加剂，如硅粉和矿物填料，可增强橡胶混凝土的强度。

得益于橡胶集料的柔软性和低比重，添加橡胶后混凝土的延展性更好。随着橡胶含量的增加，观察到更平坦的应力-应变关系，更高的重复循环承载能力和阻尼。此功能有助于提高结构的能量吸收能力和挠曲能力而不开裂，同时可增加结构疲劳寿命、吸声能力和抗震性。

试验研究

橡胶混凝土的动力学性能研究主要集中于抗冲击性能和阻尼性能。许多研究都报道了橡胶混凝土的抗冲击性能增加，认为主要原因是材料吸收能量的能力提高。阻尼性能是材料各项力学性能中最本质的性能之一，普通混凝土的阻尼系数在0.9％～2.0％之间，并且随着抗压强度增大和弹性模量的提高而降低。橡胶混凝土的阻尼性能如何，目前研究结论并不一致，有的研究认为随着橡胶掺量的增加，混凝土的阻尼比、动弹模和刚度降低。但是有的研究却发现，橡胶粉提高混凝土的阻尼比效果明显，与基准混凝土相比，橡胶粉重量掺量在0.5％～2.5％时，混凝土阻尼系数可提高50％～60％，但是提高幅度随橡胶掺量变化不大；当橡胶粉掺量超过2.5％时，混凝土阻尼系数随橡胶粉掺量增大而快速增大，提高了1.3～2.3倍，适用于振动的环境中。

选取3种类型的橡胶骨料：橡胶颗粒，记为“粒径组-P”形式；橡胶纤，记为Ｆ；橡胶薄片，记为C。不同类型橡胶骨料形态如图2所示。

图2 不同类型橡胶骨料形态[2]

橡胶混凝土内部黏弹性橡胶骨料能够对外荷载起到一定缓冲作用，缓解混凝土内部空隙处的应力集中，减缓裂纹发展，使混凝土破坏形态转变为延性破坏（如图3所示）。在一定体积掺量下，橡胶混凝土材料阻尼比、动静弹模比均较普通混凝土得到提升，说明橡胶混凝土不仅能通过材料阻尼主动耗散输入的振动能量，还能够阻碍振动传递，具有减振效果。

普通混凝土

橡胶混凝土

图3 橡胶混凝土立方体试块受压破坏形态[2]

橡胶骨料类型对橡胶混凝土强度和弹性模量有一定影响，随着橡胶粒径增加表现为先增大后减少趋势，且小于普通混凝土的强度和静弹模（如图4所示）；但橡胶骨料类型对材料阻尼比影响较小（如图6所示）。综合考虑强度、弹模和阻尼比，橡胶最佳粒径组范围为1.18～2.36mm。采用NaOH溶液对橡胶骨料预处理可以使橡胶混凝土的强度和弹模的得到一定的恢复（如图5所示），采用硅烷偶联剂对橡胶骨料预处理使材料阻尼比得到提升（如图7所示）。

图4 橡胶骨料类型对橡胶混凝土强度和弹模的影响[2]

图5 改性措施对橡胶混凝土强度和弹模的影响[2]

图6 橡胶混凝土抗压强度、阻尼比随粒径变化关系[2]

图7 改性措施对橡胶混凝土阻尼比的影响[2]

机理分析

橡胶骨料使混凝土孔隙率增加，橡胶骨料与水泥浆体、刚性骨料之间的弹模差异，薄弱的界面连接和橡胶骨料周围孔洞、裂纹是造成橡胶混凝土力学性能低于普通混凝土的原因，但同时也是其具有较高阻尼耗能优势的因素。硅烷偶联剂能够实现橡胶骨料与水泥浆体之间的偶联，NaOH溶液能够清除橡胶骨料表面的憎水性物质，使得二者都能改善界面结合状况。

研究展望

1、开发用于实际工程的商用橡胶混凝土

1）优化配合比设计，针对橡胶类型、尺寸、表面处理和混合添加剂

2）最佳配合比下的力学性能表征

2、橡胶混凝土的耐久性设计和长期性能

1）开展橡胶混凝土的收缩和徐变特性研究，有助于预测其长期性能

2）将进行材料耐久性测试，例如氯化物进入、湿度和温度调节以及湿/干循环行为

3、钢筋-橡胶混凝土之间的粘结性能和钢管（FRP）约束增强橡胶混凝土柱的组合承载力

1）钢筋和橡胶混凝土间的粘结行为

2）嵌入混凝土中的拔出试验将决定CRC中应力传递 的粘结强度和有效粘结长度

3）钢管（FRP）约束增强有助于橡胶混凝土进一步发挥其阻尼耗能优势

4、波形（波折）钢板-橡胶混凝土组合板的粘结性能、抗弯和抗冲击性能研究

5、开发商业上可行且实用的产品和设计指南

应用前景

橡胶集料混凝土是一种很有前途的新材料。橡胶集料替代混凝土中常规成分的最佳水平取决于设计强度、结构要求、载荷条件和环境暴露条件。

建筑工程：建筑中的混凝土在所有预拌混凝土中占有很大比重，其中大部分用于地基和底层楼板，这些的强度要求通常为20MPa~25MPa，因此在这些结构中应用橡胶混凝土是可行的。橡胶复合材料增加的阻尼降低了建筑物的噪音。再生橡胶骨料在混凝土中的有前景的潜在应用还包括建筑隔热和隔音材料，可用于外墙和具有绝缘性能的覆盖物。

桥面及路面：路面/组合桥面铺装是另一种可能的应用。初步经济研究表明，这将是一个可行的选择，并且可能会使用很大比例的可用橡胶。

轨道交通领域：橡胶混凝土对振动阻尼要求较高的结构或构件，可制作成整体道床、轨枕和站台等来吸收列车运行中的振动能量，通过修建隔振沟及板桩墙来减少列车的振动和噪音，以提高列车行车的稳定性和乘客乘车舒适性，获得良好的减振降躁效果。

图8 橡胶混凝土可广泛应用建筑工程、路面桥面及轨道交通领域如果想进一步了解化学、化工材料配方分析技术等请关注主页