橡胶混凝土性能综述.doc

废旧轮胎橡胶改性混凝土的性能研究综述1 引言表1 一些与废旧轮胎有关的事实与数据（橡胶生产协会，2000）事实数据每年报废的轮胎270万报废轮胎大约重量3.6万吨库存的轮胎300万轮胎处理设施的数量498用于土木工程的废旧轮胎30万加工成地面橡胶的数量18万用于燃料的废旧轮胎125万一些州与废旧轮胎有关的法律法规48法规禁止轮胎33法规禁止废旧轮胎12没有垃圾填埋限制的州5美国每年会淘汰超过2亿7千万个废旧轮胎（橡胶生产协会，2000），除此之外，全美国还堆积了超过3亿多个废旧轮胎。这些废旧轮胎是非常危险的，因为它们不仅会给环境带来潜在危害，而且还会为耗子，老鼠，害虫和蚊子提供栖息之地。多年来，对废旧轮胎的处理策划那个成为环境保护中的严重问题之一。由于处理废品的地方有限，垃圾掩埋法已经变得不能被人们所接受。比如：法国每年会产生1千多万废旧轮胎，而且因为法国新出台了一部法律禁止建造更多垃圾处理场，所以从2002年7月垃圾处理的地方会越来越少。在掩埋之前，废旧的轮胎需要被撕碎。为了应对处理废旧轮胎这一挑战，试图找到新的解决方法的努力一直在进行当中。以下是一些比较有前途的选择：(1)在沥青混凝土中添加轮胎橡胶；(2)焚烧轮胎以获取蒸汽；表2 用于制造轮胎的典型材料合成橡胶天然橡胶硫和硫化合物酚醛树脂石油芳香烃环烷烃特种烃织物聚酯尼龙石蜡颜料锌的氧化物二氧化钛炭黑脂肪酸惰性物质钢丝(3)重新利用废旧轮胎胶粉制造一些塑料和橡胶产品。另外，还可以把废旧轮胎当做生产水泥窑的燃料来使用，当成生产炭黑的原料来使用，在海洋环境当中当成人工鱼礁来使用。由于其投资成本很高，把轮胎当做燃料来使用，在技术上时行得通的，但在资金投入方面却没有多大吸引力。在生产炭黑中利用轮胎可以排除撕碎和绞磨方面的开支，但是从轮胎高温分解中得到的炭黑要比利用石油做燃料生产的炭黑昂贵，并且质量较低。轮胎是由纤维和钢制或纤维绳索制成的，复杂的又具有弹性的合成橡胶。轮胎是由横穿胎圈两侧的强度较硬的绳索连接起来的，它的上部是一个位于绳索之下的皮带。图表2是生产轮胎的主要原料。2 废旧轮胎的分类2.1 废轮胎表3 轮胎的各种构成原料所占的重量百分比成分汽车轮胎卡车轮胎自然橡胶1427合成橡胶2714炭黑2828钢14151415面料、填料和其他16171617它们可以被处理成为一个完整的轮胎，可以对轮胎进行切割，把轮胎处理成碎片状或块状，以及处理成废胶末或粒状生胶产品。一个典型的小汽车轮胎重量为20磅，而一个卡车的轮胎为100磅。表3显示出了生产轮胎的各种构成原料所占的百分比。2.2 切割轮胎应该使用轮胎切割机进行切割。这些机器可以把轮胎切成两个部分或者把轮胎胎壁沿螺纹切开。2.3 轮胎粉碎把轮胎处理成碎片状或块状需要经过初次和第二次切碎机加工。初次切碎加工后，根据加工者的切碎机的模式和刀口的不同，轮胎碎片一般大的长为300460mm，宽为100230mm；小的长为100150mm。要想得到1376mm的轮胎碎片需要经过两次加工，以确保得到大小合适的碎片。2.4 处理成胶末在商业中应用的胶末大小通常在0.1519mm之间，这取决于粉碎机的状况和预期的用途。废旧轮胎加工成的胶末通常需要磁选和筛选两个阶段。不同大小的橡胶会被修复。在某些加工过程中或市场上，40 目的橡胶就被称为粒状生胶。2.5 粒状生胶粒状生胶是由大小为0.0754.75mm的粒子构成的。通常可以采用以下方法把废旧轮胎处理成粒状生胶：爆破打磨法；打磨成颗粒状法；打磨成极微小的颗粒状法。爆破打磨法是通过把原料放进旋转的波纹钢制的桶中打磨。这一工程会产生很多形状不规则的表面面积较大的颗粒状物质。它们的大小一般为0.5-5毫米，通常被称为粒状生胶。打磨成颗粒状法是把橡胶放到旋转的钢板中间，从而生产粒状的生胶物质，它们的大小为0.59.5mm。3 可选择的处理方法3.1 处置用垃圾掩埋法处置废旧轮胎现在变得不太可行，因为可用的处置垃圾的地点变得越来越少。在这2亿七千万的废旧轮胎中，有大约45%的轮胎被掩埋，堆积起来或被非法丢弃，因为在200年美国的50个州中有48个都实施了有关垃圾掩埋的有关法规，有30个州禁止掩埋完整的轮胎，有5个州对掩埋轮胎并没有什么限制，30个州对掩埋轮胎会进行收费，7个州不收费（橡胶生产协会，2000）。3.2回收根据2000年的数据显示，在这每年产生的2亿7千万个废旧轮胎当中，有1500万的轮胎出口到了国外，1000万个被重新回收利用做成新产品，1亿2千万个被用来当成燃料来使用，还有3000万个应用到了土木工程当中。再生胶粉可以用来制造很多橡胶产品，比如垫子，地毯填充物，汽车的挡泥板，塑料产品和在沥青路上当做细砂石的添加物来使用。粒状生胶还当做热拌沥青混凝土中沥青结合料的调剂品。还有3000多万废旧轮胎用来补胎，为回收来的1/3的轮胎补胎使用（废旧轮胎管理协会，1998）。4 研究结果在沥青混合料中使用废旧轮胎这一早期的发现非常鼓舞人心。调查结果显示，与传统的沥青相比，加橡胶的沥青防滑能力更好，可以减少疲劳裂纹，还可以延长人行道的寿命。4.1 新拌混凝土属性4.1.1 坍落度Raghvan et al.在1998年指出含有橡胶碎片的灰泥可利用性很大，（指的就是它可以和灰泥或混凝土混合，被运走合一起处置）要比不使用橡胶的灰泥质量好。Khatib和Bayomy(1999)调查研究了橡胶的可利用性，并且根据他们的报告，在总量中加入橡胶成分可以使得橡胶混凝土的弯垂度下降。他们还进一步注意到如果混凝土的成分达到40%，它的坍落度度基本上为零，用手去动混凝土根本不起作用。他们还观察到如果这种混合物是用上好的粒状生胶制成，它的可利用性要比用粗糙的橡胶片或混合橡胶片和粒状生胶的混合物效果要好。4.1.2 含气量Fedroff等(1996)指出橡胶混凝土混合物的含气量要比传统的混凝土高，有的传统混凝土甚至不含有空气。Khatib和Bayomy也做了类似的调查研究。这或许是由于橡胶为非极性制品，或者因为它们的表面粗糙，易于储藏空气。还有如果橡胶被添加到混凝土混合物当中，它可能会吸引空气，因为它不侵水，空气易于附着到橡胶颗粒上。因此，橡胶含量的增加可以增加橡胶混凝土的空气含量，从而减轻混合物的重量。4.1.3 密度由于橡胶颗粒的密度较低，含橡胶的混合物的单位重量就会随着橡胶含量的增多而降低。并且，橡胶含量的增多也会增加空气的含量，从而降低混合物的单位重量。但是当橡胶在混凝土混合物中的含量低于10-20%时，它的单位重量的降低是可以忽略的。4.2 硬化性能4.2.1 耐压强度和抗拉强度较好好几篇论文的作者都提到了橡胶混凝土的耐压力。不同的调查研究显示橡胶颗粒的大小、含量和表面结构都会影响橡胶混合物的耐压强度。Eldin 和Senouci(1993)指出与普通的硅酸盐水泥混凝土相比，含有橡胶碎片和粒状生胶的混凝土混合物可以把较小的耐压力聚集起来，把劈裂强度集中起来。当这些粗砂石全部被粗糙的粒状生胶代替后，耐压强度会下降85%，张拉力强度会下降50%。但是，当细砂石完全用精品的粒状生胶代替后，耐压强度会下降65%，张裂拉力强度会下降50%。所有这些混合物的韧性都被破坏，并且在压缩和拉伸的负荷下都能汲取大量的能量。Khatib 和 Bayomy(1999)还有 Topcu(1995)也指出在混凝土中添加粗糙的橡胶片与在混凝土中添加良好的粒状生胶相比，会降低其抗压强度。但是，Ali 等人(1993)和Fattuhi 、Clark(1996)的报告却与此相反。研究表明橡胶颗粒表面粗糙或经过预处理后，就会展示周围组织下更好的延展性，从而获得更高的抗压强度。预处理方式包括：水冲洗橡胶颗粒、酸蚀处理、氮等离子处理以及用各种偶联剂处理（Naik 和Singh）。酸蚀处理中，可将橡胶颗粒浸入氢氧化钠碱性溶液（NaOH）5分钟后用水漂洗。这种处理方式通过微量提升橡胶颗粒的表面纹理来提高含有橡胶颗粒的混凝土强度。Ldin和Senouci(1993)将橡胶颗粒浸入碱性溶液并用水冲洗去除杂质，而Rostami等人(1993)使用水、四氯化碳溶剂以及橡胶乳剂进行处理，结果显示含有水洗橡胶颗粒的混凝土比普通混凝土的抗压强度高16%，而经四氯化氮处理后的混凝土则会高57%。Segre 和Joekes(2000)一直在从事有关将轮胎橡胶颗粒加入混凝土的应用研究。研究中胶粉（粒子的最大尺寸35目，500m）表面得到改善已增加其对水泥浆体的粘附性。低成本程序和试剂应用于表面处理，以尽量减少修改材料的费用。在以提高橡胶表面亲水性的表面处理测试中，NaOH处理方案最有效。橡胶颗粒表面使用NaOH饱和水溶液处理20分钟后即添加到混凝土中。然后进行电子显微镜扫描（SEM）并使用含有10的粉末橡胶或用10氢氧化钠处理后的橡胶的测试标本（宽/厘米，水对胶凝材料的比率为0.36）测量吸水率，密度，抗弯强度，抗压强度，耐磨性，弹性模量和断裂能。测试结果显示氢氧化钠处理可增强轮胎橡胶颗粒对混凝土浆体的粘附性，通过使用轮胎橡胶颗粒添加而非替代骨料使力学性能如抗弯强度和断裂能得到提升。人们发现抗压强度的减小（33%）比文献中叙述的低。Lee等人(1998) 研发乳胶混凝土将回收利用的轮胎橡胶添加到混凝土中。从旧轮胎中提取的橡胶粉替代细骨料或丁苯橡胶（SBR法）使用于滑石粉（轮胎增值胶乳混凝土）中并维持同样的水与胶凝材料的比例。滑石粉比普通硅酸盐水泥，橡胶改性混凝土和橡胶增值混凝土具有更高的弯曲和冲击强度。用电子显微镜拍摄的照片显示乳胶可以很好的增加橡胶粉和硅酸盐水泥之间的粘合度。滑石粉相对于其它类型的混凝土强度大，可能成为可行的施工材料。比尔和李（1996年）报道，水泥的类型决定橡胶混凝土的抗压强度。他们使用两种类型的水泥氯氧镁水泥和普通硅酸盐水泥来制作橡胶混凝土。细骨料占总重量的比例从0%到90%不等。有人指出，若用未经处理的橡胶替代骨料（90的细骨料和25的总量），橡胶硅酸盐水泥混凝土（PCRC）和氯氧镁水泥橡胶混凝土（MOCRC）的抗压强度会降低90。氯氧镁水泥不论是否添加橡胶，其抗压强度都是波特兰水泥约2.5倍。就劈拉强度而言，含有25橡胶的波特兰水泥混凝土标本保留20的劈拉强度，而氯氧镁水泥混凝土标本保留34的劈拉强度。他们进一步指出，使用氯氧镁水泥可提高橡胶混凝土强度和粘合性，如果能将橡胶含量降至骨料总量的17%，用氯氧镁水泥制成的橡胶混凝土就可能被用于结构的应用。4.2.2 收缩有关含有橡胶颗粒的混凝土塑性收缩的文献数量有限。Raghvan等人（1998）的初步研究结果显示，把橡胶碎片（两种不同形状的橡胶颗粒可用作水泥砂浆成分：直径约2mm的颗粒和两个型号的碎片，分别是5.5mm1.2mm、10.8mm1.8mm）添加进水泥砂浆中与控制型水泥砂浆相比有助于降低塑性收缩裂缝。他们还报告说，控制型裂缝标本平均宽度约0.9mm，而含有5%橡胶碎片的标本平均裂缝宽度为0.40.6mm。另据报告，多添加5%的橡胶碎片即可延缓裂缝产生。在冻融条件下，橡胶混凝土要明显好于纯混凝土，在延展性上，橡胶粉混凝土的性能与气混凝土相类似。5 橡胶混凝土的使用Fattuhi和Clark（1996）认为，橡胶混凝土可用于以下几个方面：（1）有减振需要时，如旋转机械的基础垫和铁路站；（2）用于填充沟槽管和床上用品，桩头上，和铺路砖；（3）用于需要抗撞击或爆炸等地方。例如用于铁路的缓冲区，公路隔离带和掩体。由于橡胶物质单位重量轻（密度范围从900kg/m3至1600kg/m3），其也适合于建筑工程，例如：钉混凝土、建筑物的虚假墙面、石支持和内部建设。Topcu和Avcular（1997年）建议橡胶物质在高速公路建设方面有以下用途： 减震器，用做合理的（减速）障碍；消声系统（声音控制有效）；用于吸收建筑物中的地震冲击波。然而，在研究之前，研究者必须作出明确的建议。6 在煤灰砂浆中利用轮胎橡胶粉Al-Akhras 和Smadi (2002)研究了轮胎橡胶灰分灰浆（TRA）的性能。轮胎橡胶碎片在850的温度下燃烧72h，轮胎橡胶灰的残余被收集起来。轮胎橡胶灰部分被利用来取代五个百分比的砂，从0至10，增加了沙子重量的2.5。基于其研究结果，他们得出的结论是：随着轮胎橡胶灰的面积增加，新鲜灰的加工就会变少。这种现象是由于在砂浆混合物中粘性物质的增加形成的，特别是由于增加的TRA大表面面积。初次和终凝时间会随着TRA面积的增加而增加。初凝时间从粘贴组合控制需145min增加到10%的TRA粘性混合物需要220min。终凝时间从控制粘贴组合的270min的增加至10 的TRA粘贴组合需390min；与那些对照标本相比，TRA的样本表明较高的抗压强度在不同固化期长达90天。此外，TRA灰泥标本的拉伸强度和弯曲强度均高于对照标本。7 在流动充填材料中利用废旧轮胎橡胶Pierce和Blackwell（2003）在他们最近发表的文章中强调了在流动充填材料中橡胶粉的使用。在他们的调查中，他们用橡胶粉取代砂来生产流动充填材料。实验结果表明，橡胶粉能够成功的用于生产一个轻重