基于水热处理橡胶骨料与再生轮胎钢纤维协同增强橡胶混凝土结构性能研究

《Sustainable Materials and Technologies》：Enhancing structural integrity and crack resistance of rubberized concrete using aqua-thermally treated rubber aggregates and recycled tire steel fibers for structural applications

本研究针对橡胶混凝土(RuC)因橡胶-水泥界面粘结弱导致的强度下降问题，创新性地将水热处理橡胶骨料(ATT-RA)与再生轮胎钢纤维(RTSF)结合使用。通过系统评估不同掺量下混凝土的流变学和力学性能，发现该组合在橡胶掺量达12.5%时可恢复抗压强度，在15%掺量下抗折强度甚至超过普通混凝土。微观结构表征揭示了ATT-RA与RTSF的协同增强机制，RTSF的高抗拉强度有效控制了微宏观裂缝扩展，使混凝土破坏模式由脆性转变为延性。该双回收材料策略为生产高性能结构用橡胶混凝土提供了新途径，有力推动低碳可持续建筑发展。

　　

在全球每年产生大量废弃轮胎的背景下，如何实现这类高分子材料的资源化利用已成为环境保护和可持续发展的重要课题。将废弃轮胎加工成橡胶颗粒部分替代混凝土中的天然骨料，制备橡胶混凝土(RuC)，不仅能够消耗大量废轮胎，还能赋予混凝土更高的韧性、能量吸收能力和阻尼性能，使其在抗震结构、防护工程等领域展现出独特优势。然而，一个长期存在的技术瓶颈制约了橡胶混凝土的广泛应用：柔性橡胶颗粒与刚性水泥基体之间显著的性能差异导致界面粘结薄弱，使得橡胶混凝土的力学强度，特别是抗压强度，远低于普通混凝土。尽管研究者们尝试了多种橡胶表面处理方法和掺加工业钢纤维(ISF)等手段进行增强，但强度损失问题仍未得到根本解决，且ISF的高成本和高环境足迹也限制了其应用。因此，开发一种高效、低成本且能显著提升橡胶混凝土力学性能的新技术，对于推动其走向实际工程应用至关重要。

发表在《Sustainable Materials and Technologies》上的这项研究，由澳大利亚皇家墨尔本理工大学的B.G.V. Sanjaya等人完成，提出了一种创新的协同增强策略：将经过一种新型水热处理(Aqua-Thermal Treatment)的橡胶骨料(ATT-RA)与从废弃轮胎中回收的钢纤维(RTSF)结合使用，旨在彻底改变橡胶混凝土的性能表现。

研究人员为开展此项研究，主要应用了以下几项关键技术方法：首先，对橡胶骨料进行了独特的水热处理（包括水浸泡、清洗和高温加热）；其次，对市购的RTSF进行了细致的组分质量分析和几何特性（直径、长度、长径比）表征，并进行了筛分纯化；然后，设计了包含31组配比的混凝土配合比，系统改变了ATT-RA（0-15%体积替代细骨料）和RTSF（0-1.0%体积掺量）的掺量；最后，综合运用了坍落度与密度测试、抗压与抗折强度试验、扫描电子显微镜-能谱仪(SEM-EDS)联用、显微CT(Micro-CT)以及双因素方差分析(ANOVA)等宏观力学与微观结构分析手段，全面评估了复合材料的性能与机理。

1. 工作性

研究发现，橡胶和RTSF的加入均会降低混凝土的坍落度，且RTSF含量的影响更为显著。当RTSF掺量超过0.5%时，工作性急剧下降，主要归因于纤维团聚增加了内部摩擦。然而，在橡胶掺量≤10%且RTSF掺量≤0.5%时，混凝土仍能保持良好的可加工性。通过调整高效减水剂(SP)用量，可以有效缓解工作性不足的问题。

2. 新鲜密度

由于橡胶颗粒的表观密度远低于天然砂，橡胶混凝土的密度随橡胶掺量增加而降低。相反，高密度的RTSF则会使混凝土密度略有增加。ATT-RA与RTSF的协同作用导致密度变化呈现波动状态，但总体而言，在较低掺量下，复合材料的密度与普通混凝土相差不大。

3. 抗压强度

3.1. 7天和28天强度变化

这是本研究的核心发现之一。普通混凝土的28天抗压强度为40.7 ± 3.0 MPa。令人惊喜的是，ATT-RA和RTSF的协同作用使得橡胶混凝土在橡胶掺量高达12.5%时，其抗压强度仍能达到设计目标强度（38 MPa）。在橡胶掺量≤5%时，某些配比的强度甚至超过了普通混凝土。方差分析表明，橡胶掺量是影响强度的最主要因素（贡献率93%），而RTSF也发挥了显著的增强作用（贡献率37%），两者之间存在显著的协同效应。

3.2. 365天强度变化

长期强度测试表明，所有橡胶混凝土试件在365天时的强度均高于其28天强度，显示出持续的强度增长。ATT-RA与RTSF的组合在长期性能上依然表现优异，在橡胶掺量≤12.5%时能满足设计强度要求，证明了其长期稳定性。

3.3. 水热处理的影响

通过SEM和EDS分析发现，水热处理显著改善了橡胶与水泥浆体的界面结构。ATT-RA表面形成了更亲水的官能团（如O-H, C=O），与水泥浆体的粘结更为紧密，界面处孔隙和裂纹显著减少。FTIR光谱也证实了橡胶表面化学性质的有利变化。这是强度得以恢复的微观基础。

3.4. ATT-RA与RTSF的协同影响

微观CT分析显示，ATT-RA的引入降低了混凝土内部的孔隙率。RTSF则通过“纤维桥接”机制，有效跨越微裂缝，抑制了裂缝的引发和扩展。ATT-RA提供的强界面粘结与RTSF提供的裂缝控制能力相结合，实现了应力在基体中的有效传递，从而协同提升了抗压强度。然而，当RTSF掺量过高（>0.75%）时，纤维团聚会导致孔隙增加，反而对强度产生负面影响。

4. RTSF-RuC的抗弯性能

4.1. 抗折强度

协同效应在抗折强度方面表现更为突出。在所有研究的橡胶掺量（最高至15%）下，ATT-RA与RTSF的组合均使抗折强度达到或超过了普通混凝土的水平，最高提升了21%。这表明该复合材料在承受弯曲荷载时具有卓越的表现。

4.2. 荷载-挠度曲线与韧性

普通混凝土和未增强的橡胶混凝土在达到峰值荷载后表现出典型的脆性断裂。而RTSF-RuC的荷载-挠度曲线则显示出明显的延性特征，具有峰值后承载能力。RTSF的桥接作用使试件在破坏前产生大量细密裂缝，并吸收了更多能量， toughness (T₁₅₀¹⁰⁰) 和等效抗弯强度比 (R_T,150¹⁰⁰) 显著提高，实现了从脆性到延性破坏模式的转变。

4.3. ATT-RA和RTSF对抗折强度的影响

SEM观察证实，RTSF通过桥接、拔出和断裂三种机制消耗能量，而ATT-RA的强界面粘结确保了应力从基体向纤维的有效传递。两者共同作用，极大地提升了材料的抗裂性和变形能力。

4.4. 橡胶和钢纤维对裂缝几何形状的影响

随着RTSF掺量的增加，弯曲试件破坏时的最大裂缝宽度和深度均显著减小。这表明RTSF能有效约束裂缝的发展。橡胶颗粒本身也具有一定的裂缝阻滞和能量耗散作用。

5. 破坏模式

在受压破坏时，RTSF-RuC试件表现出更好的完整性，避免了普通混凝土的剧烈碎裂。在受弯破坏时，RTSF-RuC呈现多裂缝开展的延性破坏，与普通混凝土的单缝脆性破坏形成鲜明对比。

6. 耐久性能

初步的耐久性测试（吸水率、孔隙率、耐酸性）表明，ATT-RA的引入降低了混凝土的孔隙率，从而改善了其抗渗透性。RTSF-RuC在酸性环境下的强度损失小于普通混凝土，展现了更好的耐腐蚀性能。橡胶颗粒固有的耐酸性和RTSF的裂缝控制能力共同贡献了这一改善。

本研究得出结论，采用水热处理橡胶骨料(ATT-RA)和再生轮胎钢纤维(RTSF)的协同策略，能够成功制备出高性能的橡胶混凝土(RTSF-RuC)。该材料不仅在橡胶掺量达12.5%时能恢复抗压强度，在15%掺量下抗折强度超过基准混凝土，更重要的是，其破坏模式从脆性转变为延性，显著提升了损伤容限。微观机理研究表明，水热处理强化了橡胶-水泥界面粘结，而RTSF则通过高效的纤维桥接机制控制了裂缝扩展，二者协同作用实现了应力在基体内的有效重分布。

该研究的重大意义在于：首先，在技术层面提供了一种切实可行的方法来克服橡胶混凝土强度低的固有缺陷，为其在承重结构中的应用扫清了关键障碍。其次，该方案充分利用了两种废弃轮胎组分（橡胶和钢丝），实现了“变废为宝”，契合循环经济理念，环境效益显著。再者，与使用工业钢纤维的方案相比，本方案成本更低，更具经济竞争力。最后，所制备的橡胶混凝土展现出的高韧性、高能量吸收能力和改善的耐久性，使其特别适用于抗震结构、抗冲击防护设施、路面工程等领域，为建造更安全、更耐久、更可持续的基础设施提供了新的材料选择。这项研究为推动建筑行业的绿色转型和实现全球低碳目标做出了积极贡献。