脱硫废旧轮胎橡胶颗粒及纤维对混凝土性能与界面过渡区的影响

《Materials Today Communications》：Effect of Devulcanized Tyre Rubber Particles and Fibres on Concrete Properties and Interfacial Transition Zone

　　

报废轮胎橡胶是一种持续性废弃材料，可在水泥基复合材料中再利用；然而其疏水表面及与水泥基体弱粘结往往降低力学性能和耐久性。研究人员考察了两种轮胎橡胶废弃物，即精细脱硫橡胶颗粒与橡胶纤维，对细粒混凝土性能的影响。通过将天然砂按不同掺量替换为轮胎橡胶制备细粒混凝土混合料，并对选定橡胶颗粒采用苯乙烯-丙烯酸涂层与废弃偏高岭土进行表面改性，以改善橡胶-水泥基体界面。研究人员评估了轮胎橡胶掺入对密度、孔隙率、吸水率、预测抗冻融循环性能、吸声系数及潜在有害元素浸出的影响。结果表明，表面处理显著改善了界面过渡区(ITZ)质量。橡胶表面涂层被证明是一种有效的改性方法，与含未涂层橡胶的混凝土相比，其吸水率与开孔孔隙率更低，抗折强度与预测抗冻融性能更高。含15%精细橡胶颗粒的混合料在2000 Hz下吸声系数最高达0.46，较基准混合料提升39%。浸出试验确认在所研究条件下橡胶化混凝土释放的潜在有害元素浓度低于环境显著水平。总体而言，结果表明当橡胶掺量与表面处理适当优化时，轮胎橡胶可用于生产具有改善声学性能的轻量化混凝土。推荐采用苯乙烯-丙烯酸粘结剂与废弃偏高岭土进行表面改性，以提升ITZ质量、减少水分传输并支持环境可接受的循环建筑材料。

研究背景方面，报废轮胎全球年产生约十亿条，累积达四十亿条，存在火灾隐患与重金属及有机物释放风险。将轮胎橡胶作为细骨料部分替代天然砂引入水泥基材料，虽可降低密度、提升阻尼与吸声性能，但因橡胶疏水、弹性模量低且与水泥水化产物相容性差，会在橡胶颗粒周围形成薄弱的界面过渡区(ITZ)，引起抗压与抗折强度下降、吸水率上升。已有研究多聚焦未处理胶粉或常规化学改性，对脱硫橡胶联合工业废料涂层、并同步评价ITZ、声学与浸出的系统工作有限。为此，研究人员在《Materials Today Communications》报道了以机械化学脱硫精细橡胶颗粒（SM，0/0.5 mm，d₅₀=231.7 μm）与胎面翻新过程产生的纤维状橡胶（F，最长约20 mm）部分替代天然砂（5%、15%、25%质量替代），并在15%替代水平引入苯乙烯-丙烯酸分散体（橡胶质量5%）+废弃偏高岭土（含膨胀玻璃残渣，橡胶质量10%）涂层体系，系统研究其对细粒混凝土的影响。

主要关键技术方法上，研究人员选用CEM II/A-LL 42.5 R水泥与0/2 mm天然砂，按表列配合比以Hobart搅拌机混料，振动成型40×40×160 mm及100 mm立方体等试件，标准湿养24 h后20±2°C水养至7 d与28 d；采用气体比重瓶（ISO 12154）测真密度，流桌法（EN 1015-3）测流动性，超声脉冲速度(UPV)辅助结构评价，三点抗折与立方抗压按EN 196-1/EN 12390-3测试，真空饱水-称重法按EN 13369测吸水率与毛细质量流速，SEM/EDS观察ITZ形貌与元素分布，阻抗管法（ISO 10534-2，三麦克风，Φ100 mm管50–2000 Hz、Φ30 mm管150–5000 Hz）测法向入射吸声系数(SAC)，依据孔隙参数计算抗冻融预测系数，并按EN 12457-2批次浸出（液固比10 L/kg，24 h振荡）结合ICP-OES分析Zn、Cu等元素浸出浓度。橡胶废物由立陶宛Gumos technologijos提供。

研究结果部分，3.1流动性表明F类纤维因长径比大降低流变性，SM类在15%–25%替代时流值回升至130–135 mm，涂层使SM15cov流值降至125 mm，整体流动差小于12%。3.2密度孔隙与抗冻融预测中，SM15cov表观密度1429 kg/m³（较基准降33%），开孔孔隙仅3.0%、闭孔31.3%，抗冻融预测系数115.9；F类提高开孔孔隙，SM类在增加总孔隙同时把开孔控制在6–7%而将闭孔提至18–22%，说明脱硫细颗粒利于闭孔结构。3.3吸水与毛细结果显示SM15cov吸水率较SM15减半、较基准K降近50%，毛细质量流速0.1 g/cm²为全体最低；F15cov较F15由7.0%降至5.6%吸水，证实苯乙烯-丙烯酸+废偏高岭土涂层通过降低疏水性、提供成核位点及火山灰反应消耗Ca(OH)₂生成C-S-H实现ITZ密实化。3.4微观与强度中，SEM显示F15的ITZ宽隙明显，SM15因脱硫粗糙化略改善，SM15cov涂层区与基体渐变融合、边界消失；EDS给出SM15cov的Ca/Si由SM15的30.6降至2.3，Si增至11.8 wt%，标志CH减少、C-S-H增多。强度随橡胶量上升而降，SM25抗压较K损失83%–84%；但SM15cov抗折较SM15提升20%–23%，印证ITZ增强可部分恢复弯拉性能，压缩强度则受低表观密度主导而未回弹。3.5法向入射吸声中，SM15在2000 Hz取得α=0.46（较K的0.19提升39%），K全频段低于0.2，F类整体低于SM类，表明吸声峰受闭孔/连通孔及橡胶体积分数调控，脱硫细颗粒在15%替代最优。浸出试验中，硬化混凝土Cr、Ni、Zn等浓度均低于法规关注阈值，橡胶内源Zn（SM 16200 mg/kg、F 31000 mg/kg）未被显著活化。

讨论与结论翻译部分，研究人员指出轮胎橡胶作为废弃衍生组分用于轻量吸声混凝土具备价值，但须配合掺量优化与表面改性；脱硫处理通过破坏硫交联提高表面活性，苯乙烯-丙烯酸/废偏高岭土涂层进一步以物理锚固+火山灰双重机制改良ITZ，使开孔降低、闭孔与SAC提升、弯拉部分恢复且浸出安全。结论确认：精细脱硫橡胶颗粒在15%质量替代下兼顾轻量化（密度降23%）与吸声强化（2000 Hz α=0.46）；表面涂层是比单纯脱硫更有效的ITZ增强手段；该体系适用于楼板与非承重声屏障，支持以废治废的循环建材路径。