可持续橡胶水泥砂浆的机械性能、热性能与环境性能：实验研究、建筑能耗模拟与环境影响评估

《Journal of Building Engineering》：Mechanical, Thermal and Environmental Performance of Sustainable Rubberized Cement Mortar: Experimental Investigation, Building Energy Simulation and Environmental Impact Assessment

　　

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  添加30%的废弃橡胶可降低19.5%的热导率；
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  增加橡胶含量会降低砂浆的密度，从而促进轻质建筑材料的发展；
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  环境影响评估和动态模拟显示，二氧化碳排放量减少了235千克/立方米，年能源需求也减少了近30%；
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  橡胶化砂浆在可持续和节能的非结构性建筑应用中展现出巨大潜力。

引言

全球对车辆的依赖不断增加，这引发了严重的环境问题[1]。除了空气污染外，废弃轮胎等产品的堆积已成为一个主要的废物管理挑战[2]。与此同时，建筑行业面临着提高建筑能源效率的压力，因为建筑物占全球能源消耗和温室气体排放的很大一部分[3]。在这种情况下，改善热绝缘性能已被证明是减少热量损失、降低供暖和冷却需求以及减轻环境影响的最有效策略之一[4]、[5]。

为了解决废物管理和可持续性问题，研究人员越来越多地探索在基于水泥的复合材料中使用回收材料[6]、[7]、[8]、[9]。一种有前景的方法是用来自废旧轮胎的橡胶颗粒部分替代天然骨料。这一策略受到了广泛关注，许多研究探讨了添加橡胶对砂浆基本性能的影响。

一般来说，将橡胶碎屑加入砂浆会降低其密度、抗压强度、抗弯强度、弹性模量和耐磨性[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。然而，这种机械性能的下降伴随着一些功能上的好处。橡胶颗粒可以帮助缓解碱-硅反应（ASR）[13]，通过在基质中充当柔性填充物来提高延展性[17]，并改善吸音能力[18]、孔隙率[14]和耐冻融性能[20]。橡胶化砂浆的收缩行为受颗粒大小的影响，较细的橡胶颗粒会因降低复合材料的变形模量而导致更大的收缩[21]。

尽管橡胶含量越高，强度 tends to decrease，但在需要灵活性和能量吸收的特定应用中，增强的可塑性和抗裂性可能更有优势。Claudio de Souza等人[22]发现，含有2%和4%橡胶碎屑的砂浆在机械性能和功能改进之间取得了良好的平衡。这些混合物表现出更好的变形能力、减少开裂，并且在保持拉伸粘结强度高于最低标准要求的同时，还改善了热绝缘性能。其他研究也表明，在适量添加橡胶的情况下，抗冲击性和热性能得到了提升[23]。另一方面，过量的橡胶添加，特别是在自密实砂浆中，可能会对新鲜和硬化状态下的性能产生负面影响[24]，这强调了精确调整橡胶的数量和颗粒尺寸的必要性。

为了克服机械强度的下降，人们研究了几种增强技术。加入纳米二氧化硅显著提高了橡胶化砂浆的机械性能[25]。将橡胶碎屑与玻璃粉结合使用对孔隙率、吸水率和毛细性能有积极影响[10]。使用细粒度的回收骨料与橡胶颗粒结合也带来了更好的机械效果[26]。表面处理，包括对橡胶碎屑的部分氧化，已被证明可以增强橡胶颗粒与水泥基质之间的粘结[12]。

化学改性是另一种有效的策略。酸处理，特别是硫酸处理，可以提高橡胶的润湿性和与水泥的粘结性，允许加入高达15%的橡胶而不会显著损失性能[27]。这类方法有助于减少填埋废物并节约天然骨料。据报道，添加聚醋酸乙烯酯（PVA）可以改善工作性、抗弯强度和抗压强度以及收缩控制[28]。使用氧化石墨烯进行表面改性可以通过促进水化作用和改善界面粘附力来增强橡胶-水泥界面的粘结，从而比未经处理的橡胶骨料具有更好的机械性能和减震效果[29]。

此外，含有RP-TA-Fe³⁺的橡胶砂浆由于在水化过程中增强了界面凝聚力和成核效应，表现出较低的孔隙率和更高的抗压及抗弯强度[30]。还探讨了其他更可持续的替代方案，例如用地理聚合物浆料代替水泥基涂料来涂覆橡胶颗粒以减少水泥消耗[31]。用石灰石粉和硅灰预处理橡胶颗粒已被证明可以减轻橡胶化混合物中常见的机械性能下降[11]。此外，各种酸（H₂SO₄、HCl和CH₃COOH）的处理显著影响了砂浆的性能；其中，CH₃COOH的表现最为出色，而HCl则被认为会对砂浆性能产生负面影响[32]。

尽管有许多研究探讨了将橡胶碎屑加入水泥基材料中，但大多数先前的工作主要集中在机械性能、耐久性或热绝缘性能等单独方面。很少有研究将实验测量的热机械性能与动态整体建筑能耗模拟和长期生命周期环境评估结合起来，在一个统一的框架内进行分析。此外，橡胶化砂浆在不同气候条件下的实际节能贡献仍没有得到充分量化。因此，本研究提出了一种综合的实验-数值-环境方法，以评估橡胶化砂浆在节能非结构性建筑应用中的可行性。该研究结合了实验表征、在两种对比摩洛哥气候条件下的建筑能耗模拟以及环境影响评估，以确定机械性能、热效率和环境影响之间的最佳平衡。

章节片段

研究意义和新颖性

在砂浆中部分替代天然沙子为橡胶碎屑，为资源枯竭和轮胎废物管理提供了可持续的解决方案。除了与轮胎回收和减少天然骨料消耗相关的环境效益外，添加橡胶还可以提高抗冲击性、热绝缘性和减震能力，使得橡胶化砂浆成为非结构性和节能建筑应用的理想选择。

尽管有许多研究已经进行了相关探讨

材料

本研究中使用的水泥是Lafarge提供的CPJ 45。作为细骨料，使用了粒径范围为0-4毫米的天然沙子。混合前，沙子经过彻底清洗以去除杂质，然后烘干至质量稳定。使用的橡胶碎屑来自当地供应商，由回收的废弃轮胎制成，也属于0-4毫米的粒径范围。

新鲜密度

如图7所示，随着橡胶碎屑含量的增加，混合物的新鲜密度逐渐降低。不含橡胶碎屑的对照混合物（0%）的新鲜密度为2126.8千克/立方米。添加10%的橡胶碎屑后，密度降至2010千克/立方米。进一步增加橡胶碎屑含量至20%和30%时，新鲜密度分别为1955.6千克/立方米和1914.1千克/立方米。新鲜密度的误差范围非常小

建筑物的动态模拟

本节介绍了使用DesignBuilder [46]进行的动态能耗模拟。该模拟旨在评估位于摩洛哥的住宅建筑在两种不同气候条件下的热性能。选择了两个具有代表性的气候：马拉喀什的炎热半干旱气候和伊夫拉内的寒冷山区气候。选择这两个地点是为了捕捉摩洛哥不同地区供暖和冷却需求的显著差异

我们复合材料的实际应用前景

对这种由水泥砂浆和橡胶碎屑制成的新型复合材料进行实验研究的目的是调查其作为外墙涂层的熱性能。通过比较两种厚度相同但成分不同的外墙涂层（一种使用水泥砂浆CM制成，另一种使用复合材料CM+RUB制成）的热性能，并将它们置于相同的温度梯度下，可以计算出

结论

本研究通过实验表征、建筑能耗模拟和环境影响评估，研究了将废弃橡胶碎屑加入水泥砂浆中的效果。结果表明，在机械性能和热效率之间存在明显的权衡。增加橡胶含量会降低密度和机械强度，这是由于橡胶颗粒界面粘结力弱和刚度低所致，但同时显著提高了热绝缘性能

CRediT作者贡献声明

Oussama Jarachi：资源调查。Najma Laaroussi：验证、监督、方法论。Loubna Enkaiki：撰写——原始草稿、资源、方法论、调查、概念化。Abderrahman Nouhi：撰写——原始草稿、监督、软件。Mohamed OUAKARROUCH：撰写——原始草稿、验证、监督、方法论、调查

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢瑞士日内瓦工程学院和建筑学院（HEPIA）的建筑遗产、建筑与领土研究所提供的宝贵合作和持续支持。该研究所提供的先进设施、技术资源和专业知识对这项研究的成功完成起到了关键作用。

Loubna Enkaiki|Mohamed Ouakarrouch|Abderrahman Nouhi|Najma Laaroussi|Oussama Jarachi