可持续工程地质聚合物复合材料：废橡胶全替代细骨料的高延性与环境效益研究

为解决废弃轮胎回收利用难题及传统建筑材料的环境负担，研究人员开发了橡胶改性工程地质聚合物复合材料(RU-EGCs)，通过全量替代细骨料实现7.7%拉伸应变和47 MPa抗压强度，X-CT和BSE分析揭示了孔隙率与界面过渡区(ITZ)的调控机制，LCA显示其碳足迹降低40%以上，为可持续基础设施建设提供了创新解决方案。

　　

每年全球废弃轮胎超过10亿条，传统填埋和焚烧处理方式带来严重的环境风险。与此同时，建筑行业对天然骨料的过度开采导致生态破坏，而普通地质聚合物(Geopolymer)的脆性特性限制了其工程应用。面对资源循环与材料性能的双重挑战，如何实现废弃橡胶的高值化利用并开发兼具高延性和环境友好特性的建筑材料，成为当前的研究热点。

某研究机构的研究人员创新性地提出采用废橡胶全量替代细硅砂(FSS)，开发出橡胶改性工程地质聚合物复合材料(RU-EGCs)。通过系统研究0%-100%橡胶掺量下的力学性能与微观结构演变规律，发现100%替代组(RU100)在保持47 MPa抗压强度的同时，实现了7.67%的超高拉伸应变，相关成果发表在《Journal of Materials Research and Technology》。

研究采用多尺度表征技术：通过单轴拉伸试验和数字图像相关法(DIC)分析应变硬化行为；运用X射线计算机断层扫描(X-CT)三维重构孔隙结构；结合背散射电子显微镜(BSE-EDS)解析橡胶/基体界面过渡区(ITZ)特性；基于微力学理论建立伪应变硬化(PSH)指标评价体系；并采用生命周期评估(LCA)量化环境效益。

【宏观力学性能】

压缩强度随橡胶掺量增加呈线性下降，RU100较基准组降低46%，但仍满足C50混凝土标准。拉伸性能呈现显著应变硬化特征，裂纹宽度服从威布尔分布，100%替代组平均裂纹宽度降至117.36 μm。能量密度分析显示30%掺量时达到最优平衡(311.01 kJ/m³)。

【微力学机制】

PSH_strength稳定在3.09-3.23区间，满足多重开裂条件。橡胶作为活性人工缺陷，虽降低最大桥接应力(7.14→4.96 MPa)，但通过增大裂纹开口位移(0.72→0.91 mm)维持了充足的能量耗散能力，使PSH_energy提升至452.49 J/m²。

【微观结构特征】

X-CT显示孔隙率从1.86%(RU00)增至3.97%(RU100)，大孔隙等效直径从1.13 mm扩大至3.17 mm。BSE-EDS证实橡胶/基体ITZ宽度(7.88 μm)显著大于FSS界面(5.58 μm)，且存在明显元素扩散带。PE纤维呈现断裂与拔出混合失效模式，表面沟槽证实有效摩擦耗能。

【环境效益】

全橡胶替代使隐含碳降至221.16 kg CO₂-eq/m³，较传统M45-ECC降低65%。材料成本控制在2950.61 CNY/m³，纤维用量减少60%(0.8% vol.)。

该研究首次证实了废橡胶全量替代细骨料在工程地质聚合物中的可行性，建立了"孔隙-界面-纤维"协同增韧机制，为发展超可持续(UHD)建筑材料提供了新范式。通过工业固废的大规模资源化，不仅解决了轮胎回收难题，还显著降低了建筑材料全生命周期的环境负荷。未来研究可进一步优化界面改性技术，并开展构件层次的抗震、抗爆性能验证，推动其在韧性基础设施中的实际应用。