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废旧轮胎橡胶在水泥混凝土中的应用综述
布莱斯·斯卡里亚·托马斯，拉梅什·钱德拉·古普·塔
摘要：如何处置废旧橡胶轮胎已成为世界各国面临的重大环境问题。每年全世界都产生成千上万的废弃轮胎，无论是丢弃或掩埋，这都意味着对生态环境的巨大威胁。据估计，每年有近10亿个轮胎的使用寿命终止，其中，超过50%的垃圾在没有经过任何处理的情况下被丢弃到垃圾填埋场或垃圾中。截止2030年，将有50亿个轮胎定期报废。燃烧是轮胎最简单和最便宜的处理方法，也带来了严重的火灾隐患。该地区的温度上升，有毒烟雾不加控制地释放出潜在的有害化合物，对人类、动物和植物都是非常危险的。燃烧后残留的粉末也会污染土壤。将废旧橡胶轮胎掺入水泥混凝土中也是一个可行方法。本文综述了一些已发表的有关橡胶混凝土性能的研究。研究表明，废轮胎橡胶作为水泥混凝土中集料的部分替代物具有广阔的应用前景。从文献中可以看出，利用废轮胎橡胶可以配制出性能优良的混凝土，也可以制成用于某些特殊用途的轻质橡胶骨料混凝土。橡胶混凝土具有很高的抗冻性、耐酸性和抗氯离子侵蚀的能力。在橡胶混凝土中加入硅灰可以实现高强度和高抗硫酸盐、抗氯离子渗透性能。
1.介绍
废旧轮胎橡胶的处置已成为世界各地面临的重大环境问题。据估计，全世界每年制造15亿个轮胎[1,2]。在世界各地，每年都有数以百万计的轮胎被废弃，无论是丢弃或者掩埋都代表着对生态的严重威胁。据估计，每年有近10亿个轮胎的使用寿命终止，其中超过50%的轮胎被未经任何处理地直接丢弃到填埋场或者垃圾场。到2030年，这一数字将达到12亿。包括库存的轮胎在内，将有50亿个轮胎因为达到使用年限而被废弃[3-5]。根据橡胶制造商协会的数据[6]：美国每年产生2.3亿多个废弃轮胎，库存约7500万个。如果考虑到印度的情况，估计经过两次翻新后，每年丢弃轮胎的总数将为1.12亿个[7,8]。欧洲轮胎与橡胶生产商协会估计，2009年有320万吨旧轮胎被废弃。回收率为96%，其中有18%被回收再利用，这部分中有38%被回收利用再次服役，40%用于能源生产[9]。
废弃轮胎采用填埋、焚烧、用作燃料、热解、生产炭黑等多种方法处理。储存的轮胎还因空气、水和土壤污染而产生多种类型的健康、环境和经济风险[10,11,2]。由于其特殊的形状和不透水的性质，轮胎储存水的时间更长，为蚊子和各种害虫提供了繁殖的栖息地。
轮胎燃烧，这是最简单和最便宜的处置方法，造成严重的火灾隐患[12-14,10]。该地区的温度上升，有毒烟雾不加控制地释放出潜在的有害化合物，对人类、动物和植物都是非常危险的。轮胎由苯乙烯和丁二烯等石油化工原料制成。燃烧的轮胎会释放苯乙烯和几种苯化合物。丁二烯是一种高度致癌的四碳化合物，在燃烧过程中可能从丁苯聚合物中释放出来。空气中的污染物排放出浓密的黑烟，降低能见度，并使油漆表面变得污浊。排放的有毒气体包括多环芳烃、CO、SO2、NO2和HCl。燃烧后残留的粉末污染了土壤。高温分解的缺点是，它会产生碳黑粉末，污染大气。
使用轮胎橡胶作为燃料在经济上是不实惠的。轮胎炭黑与石油制品炭黑相比，价格较贵，质量较差。轮胎橡胶可用于各种民用和非土木工程应用，如岩土工程、道路建设、农业密封筒仓、岸上和近海防波堤、港口和河口挡土墙以缓冲船舶的影响、人工鱼礁作为水泥窑燃料、焚化发电、作为海洋环境中的礁石或水泥基PRO中的集料管道。尽管如此，世界各地仍有数以百万计的轮胎被掩埋、丢弃或烧毁[9,15-17]。
过去几年来，建筑业正在迎接挑战，通过寻找更环保的原材料或利用固体废物作为混凝土骨料，将可持续发展纳入生产活动。使用废旧轮胎橡胶的一种可能的解决办法是将其掺入水泥混凝土中，以取代一些天然集料。这一尝试应该是环境友好的，因为它有助于处理废轮胎和防止环境污染。它还有助于通过预防轮胎火灾来减少二氧化碳的排放。这一过程在经济上也是可行的，因为可以节省一些昂贵的天然集料[3,18-21]。
2.废旧轮胎分类
轮胎橡胶回收的最好方法是将其研磨，然后将其转化为各种用途。用于混凝土或沥青铺路混合料的橡胶屑的大小从0.0075毫米到4.75毫米不等。生产橡胶碎屑的步骤包括粉碎、钢和纺织品的分离、造粒和分级。轮胎会被切成更大的块，然后切成更小的块。钢丝和纺织部分在粉碎后分离。机械研磨造粒在常温、湿法、高温和低温下均可进行。
在环境温度下研磨时，废弃的轮胎碎片将在环境温度下在磨粉机或制粒机中进行研磨。在湿式环境研磨的情况下，水被喷洒在橡胶屑上以降低温度。湿法磨碎后，用除水的方法使胶粉干燥。在130°C左右的高温研磨条件下，可产生1~6 mm的橡胶颗粒。高温研磨的局限性是胶粉的粘弹性和低热导率。在低温研磨过程中，轮胎橡胶将被冷却到玻璃化转变温度以下，然后通过冲击式磨机粉碎。常温研磨和低温研磨广泛应用于轮胎橡胶的造粒[22]。
图1 美国城市固体废物产生总量(美国环境保护署，2010年)
美国城市固体废物产生总量见图1；美国废轮胎市场概况见图2；轮胎橡胶集料图像见图3和图4；美国废橡胶处置量见表1；人工使用的典型材料见图2。轮胎的生产情况见表2；按重量分列的人造轮胎成分见表3。
Ganjian E等人[23]将废弃的轮胎橡胶分为切屑橡胶、碎屑橡胶和磨碎橡胶。
(1)用来代替粗集料的碎橡胶或碎橡胶：
轮胎分两个阶段粉碎。在第一阶段结束时，将橡胶片切成300-430毫米长和100-230毫米宽。在粉碎的第二阶段，将长度减少到100-150毫米，然后进一步减少到13-76毫米，被称为“碎颗粒”，可以用来代替粗集料。
(2)替代细集料的碎橡胶：
它是在特殊的磨坊中制造的，将轮胎橡胶磨成0.425-4.75毫米大小的颗粒。根据磨煤机的类型和所产生的温度，可以生产不同大小的橡胶颗粒。
(3)可部分取代水泥的研磨橡胶：
研磨橡胶的大小取决于用于减小尺寸的设备。如果采用微粉碎工艺，可将橡胶颗粒加工成0.075-0.475 mm。在胶粉的生产过程中，可采用磁选和筛分两阶段的工艺。
图2 美国报废轮胎市场概况[6]
图3 (A)地面橡胶 (B)压碎的橡胶(废轮胎碎片)[43]
- 混凝土性能
使用废旧轮胎橡胶的一种可能的解决办法是将其掺入水泥混凝土中，以取代一些天然集料。
3.1新拌混凝土性能
3.1.1.工作性能
新拌混凝土是一种塑性混凝土，可以模压成任何形状，新拌混凝土的压实率是使混凝土强度达到最大值的一个重要参数。一种高度有效的可以保证完全压实的混凝土。混凝土的可施工性是指混凝土可以很容易地混合、处理和压实。霍姆斯等人[24]观察到，随着橡胶粒级和比例的增加，工作性能下降，这可能是由于橡胶与其他成分之间的颗粒间摩擦减少所致。董等人[25]指出，较高的橡胶含量会降低混凝土的和易性。Youssf等人[26]提到，可通过使用适量的超塑化剂(按水泥重量计为1-3%)来控制橡胶混凝土的和易性。Bravo和Brito[9]解释说，含有机械地面轮胎集料的混凝土混合料的坍落度低于含有低温地面轮胎集料的混凝土的坍落度。这可能是由于机械研磨轮胎集料的比表面积和粗糙度较高所致。Su等人[27]提到，由于橡胶颗粒吸水率较高，橡胶混凝土的坍落度普遍降低，而与轮胎橡胶颗粒大小无关。随着橡胶粒径的减小，坍落度也随之降低。
图4 不同大小的橡胶屑(Li等人[7])
表1 美国废橡胶处置[6]
Aiello和Leuzzi[28]提到，用橡胶碎片部分替代粗集料或细集料，混凝土的和易性(通过坍落度试验)略有改善。基准混凝土表现出流体行为，而橡胶混凝土表现出超流行为。Elcharakani[29]解释说，含有橡胶粉和橡胶屑的橡胶混凝土，在使用足够数量的外加剂时，与普通混凝土相比表现出良好的工作性。Pacheco-Torgal等人[16]解释说，当橡胶片被部分替换为粗集料时，坍落度随着轮胎集料体积的增加而增加，最高达15%，超过15%时，坍落度就会下降。当胶粉部分替代细集料时，坍落度下降达15%，不规则值超过15%。
表2 轮胎制造中的典型材料[6]
3.1.2.体积密度
Gesoglu等人[30，31]通过在混凝土中添加橡胶制成了重量较轻的混凝土。橡胶透水混凝土的密度比对照低2-11%。霍姆斯等人也观察到类似的结果[24]。Pelisser等人[32]解释说，与参考混凝土相比，再生橡胶混凝土的密度降低了13%。当硅灰掺入橡胶混凝土中时，由于混凝土结构的致密化程度较高，降低幅度仅为9%。
表3 人造轮胎各成分比重[6],
Sukontasukkul和Tiamlom[33]观察到密度随橡胶屑含量的增加而下降。采用粒径较小的胶粉(通过26号筛)时，胶粉对密度的影响较大。Pacheco-Torgal等人[16]对橡胶混凝土进行了研究，其中粗集料部分替换轮胎屑，细集料部分替换橡胶屑，总矿物骨料部分替换轮胎碎片和橡胶屑。试验结果表明，粗骨料替代混凝土的密实度比细骨料替代混凝土降低了45%，细骨料替代混凝土的密度降低了34%，混合骨料替代混凝土的密度降低了33%。
3.2 硬化混凝土性能
3.2.1抗压强度
Gankin等人[23]提到了橡胶混凝土抗压强度下降的原因。(A)集料将被含有橡胶颗粒的水泥浆体包围。这种水泥浆体比没有橡胶的水泥要软得多。这导致加载时橡胶颗粒周围的裂纹迅速发展，从而导致试样的快速破坏。(B)与水泥浆体及天然集料相比，胶粒与水泥浆体之间会缺乏适当的结合，这可能会因所施加的应力分布不均匀而引致裂缝。(C)抗压强度取决于组成材料的物理和机械性能，如果部分材料被橡胶取代，强度就会降低。(D)由于橡胶的比重较低，而且橡胶与其他混凝土材料之间缺乏粘结，因此橡胶在振动过程中有向上移动的趋势，导致顶层的橡胶浓度较高。这种不均匀的混凝土试样导致强度降低。
Al-Akhras和Smadi[34]研究了轮胎胶灰砂浆的性能。当轮胎胶灰替代10%以下的细集料时，抗压强度有所提高。轮胎胶灰含量为2.5%、5%、7.5%、10%时，90d抗压强度分别提高14%、21%、29%和45%。Gesoglu等人[30，31]观察到轮胎橡胶的作用对透水混凝土的抗
强度有负面影响。抗压强度下降率随橡胶含量的增加而增大。在含有橡胶屑和轮胎屑的混凝土试件中，抗压强度损失最大。霍姆斯等人[24]提到，如果橡胶屑的替代量不超过总集料含量的20%，就可以避免抗压强度的显著下降。
Gankin等人[23]在用橡胶代替集料时抗压强度降低了10-23%，用粉末橡胶代替水泥时抗压强度降低了20-40%。董等人[25]研究了未涂覆橡胶的混凝土和涂有硅烷偶联剂的橡胶混凝土的性能。结果表明，橡胶涂层混凝土的抗压强度显着提高，这是由于橡胶颗粒周围的化学键作用更好，界面得到了改善，从而使混凝土的抗压强度得到了显着的提高。Onuaguluchi和Panesar[35]观察到，在含有涂层橡胶和硅粉的混合物中，压缩和拉伸强度显著提高。Youssf等人[26]提到，对于高达3.5%的矿物集料，可以替代橡胶屑，而不会对抗压强度产生任何重大影响。与未处理的橡胶混凝土相比，经NaOH处理的橡胶混凝土28天抗压强度提高了15%。
3.2.2弯拉强度
Gankin等人[23]注意到，当轮胎碎片被部分替换为粗集料时，弯曲强度下降了37%，而当轮胎粉末被部分替换为水泥时，弯曲强度下降了29%。Su等人[27]观察到，用橡胶骨料替代20%的细集料后，抗折强度降低了12.8%。当橡胶颗粒尺寸较小时，强度损失较小。这可能是由于小橡胶颗粒的填充效应增加了混凝土的密实度，减少了内部空隙的应力奇异性，从而降低了断裂的可能性。Aiello和Leuzzi[28]观察到，用废轮胎橡胶颗粒代替粗集料而不是细集料时，弯曲强度损失较大。Elchalakani[29]解释说，硅灰的加入和水灰比的降低提高了橡胶混凝土的抗折强度。硅粉对界面过渡区粘结的增强作用使高强橡胶混凝土的强度下降幅度低于普通强度混凝土。Gupta等人[36]指出，橡胶灰混凝土的抗折强度随橡胶灰掺量的增加而降低，而改性混凝土(含10%橡胶灰和不同比例的橡胶纤维)的抗折强度随橡胶纤维掺量(长宽比8-10)的增加而增加。
Yilmaz和Degirmenci[37]提到，含20%以下的轮胎橡胶(以纤维的形式)的试样比对照试样表现出更高的弯曲强度。当橡胶含量从20%增加到
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