未处理轮胎橡胶混凝土矛盾力学性能的解析：基于机理的综述

《Journal of Materials Research and Technology》：Resolving Contradictory Mechanical Performance of Untreated Tire Rubberized Concrete: A Mechanism-Based Review

　　

全球每年产生超过8亿条报废轮胎，这推动了将未处理轮胎橡胶骨料用作混凝土中资源节约型材料的实践。因此，本综述整合了三十多年来关于轮胎橡胶混凝土（TRC）力学、热学、界面及耐久性能的实验与数值证据。总体而言，较高的橡胶掺量会降低抗压强度、刚度、钢筋粘结力、抗剪承载力和导热系数，但会改善可变形性和能量耗散能力。这些响应不仅取决于名义替换率，还取决于橡胶密度、颗粒形态、计量基准、水灰比、加工条件和试件几何形状。关于粒径效应、抗碳化性、收缩、能量吸收和长期劣化的研究结果仍不一致。对137条强度降低记录和79条拉伸记录进行的统计分析，辅以自助法置信区间、残差诊断和重复留出验证，表明质量和体积基准的计量指标在长期预测中表现相似，其均方根误差（RMSE）分别为0.057和0.058。在早期龄期，质量基准计量表现略优，其RMSE为0.111，而体积基准为0.128。此外，当抗压强度从7 MPa升高至50 MPa时，拉压强度比从约0.14降至0.08，这与普通混凝土的关系一致。解决矛盾的粒径研究结果需要能够分离颗粒、界面、热学和时变机制的数值模型。当前的模拟仍受限于简化几何形状和非独立的标定数据。未来研究应标准化橡胶表征方法，同时以质量和体积两种基准报告掺量，并开发经独立配合比验证的多尺度耦合模型。

**论文解读：未处理轮胎橡胶混凝土矛盾力学性能的系统解析**

**一、研究背景与问题**

全球每年产生超过8亿条报废轮胎，如何资源化利用这些废弃物已成为可持续发展的重要议题。将未处理轮胎橡胶骨料（TRA）掺入混凝土中制备橡胶混凝土（TRC），不仅可实现废物流的减量化与资源化，还能改善混凝土的变形能力与能量耗散性能。然而，过去三十余年的研究表明，TRC的力学性能表现出显著的矛盾性：不同研究中橡胶掺量对强度的影响趋势不一致，甚至出现相反结论。造成这一现象的根本原因在于，橡胶的掺入方式、颗粒尺寸定义、比重（SG）差异以及配合比设计方法缺乏统一标准，导致研究结果难以横向比较。此外，数值模拟（NumSim）虽然为解析TRC力学行为提供了有力工具，但现有模型多为验证性而非判别性，未能有效解决实验结果间的矛盾。为此，研究人员开展了系统综述，旨在建立统一的机理解释框架，厘清TRC性能变化的内在规律。

**二、研究内容与结论概述**

本综述整合了1993年至2026年间260余篇文献，涵盖165项实验研究、35篇综述和32项数值模拟工作。研究表明，橡胶掺量增加总体上导致抗压强度（CS）、刚度、钢筋粘结力、抗剪强度和导热系数（k-value）降低，但改善了变形能力与能量耗散。通过对137条强度降低记录和79条拉伸记录的统计分析，发现质量基准与体积基准的掺量指标在长期预测中表现相当（RMSE分别为0.057和0.058），而早期龄期质量基准略优（0.111对0.128）。研究还建立了TRC专用的拉压强度幂律关系，其指数为0.712，簇鲁棒95%置信区间为0.535–0.865，涵盖普通混凝土规范值。这一结论表明，TRC遵循与普通混凝土相似的强度标度规律。

**三、关键技术方法**

研究人员采用了以下主要方法：其一，对Scopus、Web of Science等数据库进行系统文献检索，并辅以前向和后向引文追踪，确定1980份候选文献后依据预设标准筛选出260余篇；其二，建立统一归一化协议，以配对对照组将强度数据转换为无量纲形式，并将掺量同时换算为质量（kg/m³）和体积百分比，按龄期（<1个月与1–60个月）和试件几何形状（立方体与圆柱体）分层；其三，采用非线性饱和指数模型拟合强度降低规律，并以2000次自助法（bootstrap）重采样、Shapiro–Wilk正态性检验、Spearman秩相关分析以及1000次70/30重复留出验证量化不确定性与预测误差；其四，对79条拉伸记录按23个实验系列分组，采用簇级自助法和簇级留出验证以避免观测独立性假设带来的偏差。

**四、研究结果**

**4.1 抗压强度的影响因素**

研究发现，橡胶比重（SG）是转换质量与体积掺量的关键参数。文献中SG范围为0.48–1.35，这意味着相同体积替换率下橡胶质量可相差约2.8倍。20%名义体积替换所对应的实际橡胶质量范围为40–200 kg/m³，相差五倍，这解释了文献中9.5%至97.4%的强度降低差异。水灰比（w/c）方面，较高w/c比通常加剧强度降低，但部分研究在0.55时因工作性改善出现强度小幅回升。粒径效应方面，研究人员指出文献中“细粒径vs粗粒径”的争议实质上是级配包络不匹配所致，Mo等提出的等尺寸替换方案为区分真实粒径效应提供了有效实验控制。

**4.2 长期强度发展与饱和模型**

对长期（1–60个月）强度降低记录的拟合表明，以质量计和体积计的饱和指数模型均能较好描述数据（R²分别为0.939和0.936）。质量基准模型渐近值为0.857，特征掺量约71 kg/m³；体积基准模型渐近值为0.651，特征掺量16%。早期龄期（<1个月）模型的渐近值分别为0.753和0.724。值得注意的是，长期与早期工况的数据来自不同配合比，不能据此推断TRC随时间劣化。统计验证表明，质量基准在早期龄期预测中具有约13%的误差降低优势，但两种指标编码着不同物理信息，应同时报告。

**4.3 拉压强度关系**

基于79条实验记录、23个研究簇的聚类分析，研究人员拟合了线性与幂律两种函数形式。两种模型R²均为0.808，簇级留出RMSE为0.458 MPa，仅比样本内误差高约9%，表明该关系可跨独立实验程序复现。从物理合理性出发，幂律模型因通过原点而被推荐用于2.5–50 MPa强度范围的初步估算。

**五、讨论与结论**

讨论部分强调，TRC性能的“矛盾”在很大程度上源于实验设计与报告方式的系统性差异，而非材料本身不可重复。数值模拟应从“验证工具”转变为“判别工具”，将竞争性物理解释编码为不同模型配置，并以独立数据加以判别。未来研究应建立标准化的橡胶表征与报告体系，同时报告质量与体积掺量及比重，并开发集成分子动力学（MD）-离散元法（DEM）-有限元法（FEM）的多尺度耦合模型。研究结论指出：TRC的强度降低可采用饱和指数模型描述；拉压强度关系遵循与普通混凝土一致的幂律标度；纤维增强可在恢复强度的同时保留延性收益，约束条件下橡胶强度惩罚显著降低，因此柱、约束核心区及钢管混凝土可能是TRC最具前景的结构应用场景。总体而言，本综述为解析TRC矛盾性能提供了统一的机制框架，为可持续混凝土设计与标准化评估奠定了方法论基础。