[科普中国]-水泥橡胶波

概述

废旧橡胶作为一种工业废弃物，其数量在废旧高分子材料中仅次于废旧塑料居第二位，不仅污染环境，而且占用土地。做为新的固体污染源，废旧橡胶具有很强的抗热性、抗机械性，若深埋处理，上百年不会分解腐烂；若露天存放，不仅占用土地，而且极易滋生蚊虫、引发传染疾病、造成火灾。随着废旧橡胶数量的增加，废橡胶处理已成为世界性难题，如何将其合理处置越来越受到世界各国的关注。

从上个世纪80年代开始，很多学者和研究人员就将焦点移到了将废轮胎橡胶掺加到混凝土的领域上。掺废旧橡胶颗粒水泥混凝土是以混凝土为基材，掺入胶粉（包括粒径较大的胶粒）制成的土木工程复合材料。胶粉主要通过物理作用改善混凝土的内部结构，不改变混凝土中各种材料的化学性能。有研究表明：橡胶混凝土的工程性能介于普通水泥混凝土（刚性）和沥青混凝土（柔性）之间，混合了橡胶和水泥混凝土的特点。比起普通水泥混凝土，橡胶混凝土的抗裂性能好、能量吸收多、韧性高、变形能力大、低弹性模量和良好的隔热、隔声、减震性能，只是强度相对降低很多。

强度在水泥混凝土中掺入废旧橡胶后，使混凝土无论是抗压强度还是抗劈裂强度均有所降低。根据所掺胶粉的掺量、种类、粒径、形状等的不同，强度降低的程度有所差异。Eldin和Senonic分别用橡胶块和橡胶粒部分取代粗、细骨料，结果显示：随着橡胶掺量的增大，混凝土的抗压、抗劈裂强度均有所降低。并在试验基础上建立了橡胶混凝土破坏机理的数学模型。H.A.toutanji的试验结果表明，采用细胶粉替代骨料的混凝土强度降幅比采用粗胶粉替代骨料的混凝土强度降幅小。朱涵认为橡胶微粒和水泥砂浆界面处存在大量微型空气泡群，这是导致混凝土强度降低的一个重要原因。因此第一次提出了用超常量的超细粉料去填补这些空气泡群的方法，并通过美国独立实验室试验得到了成功证实。而陈波等的试验表明，相同掺量条件下，掺粒径为3~4mm胶粉颗粒的混凝土强度高于掺粒径为0.140mm胶粉颗粒的混凝土强度。

对于掺入废旧橡胶颗粒后的混凝土强度降低的另一影响因素是它的母材橡胶。由于橡胶属于有机高分子材料，一般未改性的橡胶表面惰性强，与水泥基粘结性差，导致水泥基复合材料的力学性能降低。因此，为提高橡胶颗粒与水泥基的粘结性，国内外很多研究者对橡胶的表面改性进行了大量研究。Eldin和Senonic用水浸泡橡胶，去处表面污物，最终使得橡胶混凝土强度比未处理前提高16%。Segre和Joekes等用NaOH溶液对橡胶粉先进行浸泡处理，处理后提高了水泥胶砂与胶粉的粘结力，进而提高了混凝土的强度。黄少文等将胶粉用表面活性剂和树脂进行改性处理，使混凝土的强度相对未改性前得到了很大改善。李悦等对橡胶颗粒表面用PVA和硅烷偶联剂预处理，有效地提高了橡胶混凝土的抗压强度。1

施工及养护（1）使用橡胶水泥砂浆施工时，应先清理干净施工表面，在多孔性材料表面施工时，应先用自来水浸润施工表面。一次拌制的砂浆使用时间不超过4h。

（2）作抹面层时，一般厚度不应小于10mm。

（3）在水泥或砖石结构的立面上抹面时，应分两次进行，每次间隔不少于24h。

（4）在钢结构表面抹面时，按立面旋工要求进行。

（5）最后一次抹面时，应一次抹平，不得反复多次来回压光。

（6）作块材胶结材料时，宜采用揉挤法施工，先在平面上抹一层砂浆，中间稍厚，放上块材，边揉边挤，控制缝宽及表面平整，缝宽按要求中规定。

（7）橡胶水泥砂浆的养护28天，应在干湿交替(先湿后干)条件下养护。2

主要技术性能（1）施工后24～30h可走动，28天后抗压强度达19.8MPa，抗折强度不小于7.4MPa；

（2）与钢板粘接力1.25MPa；

（3）隔热保温性能好，在800℃下高温加热不燃不爆，随基体变形而形，导热系数与配方不同在0.01～0.58w/（m·K）；

（4）吸水率低，抗渗性能好；

（5）耐稀的非氧化性酸和碱的腐蚀；

（6）具有弹性、行走有舒适感，施工方便成本低，无毒。2

应用前景随着我国经济的不断发展以及我国西部大开发战略的逐渐展开，我国正在或需要在恶劣环境条件下兴建大量的大型基础工程，如跨海大桥、海洋设施、地下空间结构、西部大开发过程的配套基础没施，这些工程举足轻重；同时，为了适应我国经济发展的要求，现有大量的基础设施需要进行改造。因此，迫切需要进一步改善传统混凝土材料延性差、易于开裂以及抵抗环境介质侵蚀能力较差的性能特点。利用废旧橡胶组分的优点，对传统水泥混凝土进行改性是非常有效的技术途径。在优化橡胶颗粒粒径和掺量等技术参数的基础上，按混凝土结构性能要求合理设计其配制技术，那么废旧橡胶水泥混凝土的应用领域会进一步扩展；同时，也有可能从简单的利废发展到对现有水泥混凝土改性的高附加值应用。废旧橡胶水泥混凝土除在土木工程中的传统领域应用外，在以下两方面的推广应用将更显优势：

高速公路路面新材料采用废旧橡胶改性的水泥混凝土，具有良好的弹塑性、能吸收噪声、耐重压、不易磨损、抗冲击性好、耐久性好等优异的性能。因而，橡胶改性混凝土应用于道路路面建设中，既具有沥青路面的优点，又具有比沥青路面高得多的耐久性，因此具有明显的优越性。国外亦正在进行工程实践。

新型铁道工程建设制品韩国发明了将废轮胎胶粉、砂石、水泥混合，用模具压制成铁路枕木，这种材料制作的铁路枕木具有重量轻、抗冲击和耐腐蚀等优点，还能减少火车行驶中的噪声和振动。此项技术已在美国获得了专利。这种技术已在美国等国家的铁路平交道口中大量应用，实践证明采用这种技术生产平交道口新型铺面板，能够提高道口铺面寿命，减少维修，增加道口安全性，极大地降低了重载车辆对线路的冲击作用，并能减振降噪，是良好的地面绝缘性材料。我国将建成十多万公里的铁路线，平交道口多如繁星，若用橡胶改性混凝土铺面板代替传统的水泥混凝土预应力轨枕、平交道口铺面板和桥面板等，将产生显著的技术、经济效益。3