橡胶混凝土基本力学性能研究进展

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1008

摘要/Abstract

摘要：

全球废轮胎累积量逐年攀升，将废轮胎破碎制备的橡胶颗粒（CR）取代部分混凝土细骨料制成橡胶混凝土（CRC），是实现废轮胎规模化消纳与高值化利用的重要途径，同时可以提升混凝土韧性、抗冻性和隔热降噪等性能。然而，CRC基本力学性能往往较普通混凝土有所下降，这直接限制了CRC的推广应用，使CRC性能优势难以充分发挥。本文以国内外CRC基本力学性能相关研究为对象，采用文献聚类方法分析CRC领域的研究重点，系统梳理CR取代率、粒径及改性处理对CRC抗压强度、劈裂抗拉强度与抗折强度的影响规律；并结合微观结构特征分析其力学性能劣化机制；同时总结细观数值模拟的研究进展，形成了涵盖宏观、细观与微观的综述框架。结果表明，10%（体积分数）的CR取代率是保障CRC力学性能与工程适用性的临界阈值，复合改性方法可有效提高CRC力学强度，而界面过渡区厚度与有害孔隙占比是关联微观结构与宏观力学性能的核心指标。

关键词: 废轮胎, 橡胶颗粒, 橡胶混凝土, 基本力学性能, 微观结构特征, 细观数值模拟

Abstract:

The global cumulative amount of waste tires is increasing year by year. Replacing part of the fine aggregate in concrete with crumb rubber particle （CR） produced from crushed waste tires to prepare crumb rubber concrete （CRC） is an important approach for large-scale consumption and high-value utilization of waste tires. Meanwhile， this modification can enhance the toughness， frost resistance， thermal insulation， and noise reduction properties of concrete. However， the basic mechanical properties of CRC are often lower than those of ordinary concrete， which directly restricts its popularization and application， failing to give full play to its performance advantages. Focusing on domestic and international studies related to the basic mechanical properties of CRC， this paper adopted the literature clustering method to analyze the research focus in the CRC field. It systematically sorted out the influence regularities of CR replacement rate， particle size， and modification treatments on the compressive strength， splitting tensile strength， and flexural strength of CRC. The deterioration mechanism of its mechanical properties was analyzed by combining with the characteristics of microstructure. In addition， the research progress of mesoscale numerical simulation was summarized， and a comprehensive review framework covering macroscale， mesoscale， and microscale was established. The results indicate that a 10% （volume fraction） CR replacement rate is the critical threshold to ensure the mechanical properties and engineering applicability of CRC. Composite modification methods can effectively improve the mechanical strength of CRC， while the thickness of the interfacial transition zone （ITZ） and the proportion of harmful pores are the core indicators linking microstructure to macro-mechanical properties.

Key words: waste tire, crumb rubber particle, crumb rubber concrete, basic mechanical property, microstructural characteristic, mesoscale numerical simulation

中图分类号:

TU528

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图/表 15

表1 橡胶混凝土性能优势分析

Table 1 Performance advantage analysis of crumb rubber concrete

性能优势	CR取代率	改善效果	改善机理	参考文献
弯曲韧性	10%	↑10%~32%	CR在受载时借助弹性变形消耗外部输入能量	［3］
弯曲韧性	5%~35%	↑1%~31%	CR在受载时借助弹性变形消耗外部输入能量	［4］
抗冲击韧性	15%~30%	↑62%~103%	CR在受载时借助弹性变形消耗外部输入能量	［5］
抗冲击韧性	20%~50%	↑260%~660%	CR在受载时借助弹性变形消耗外部输入能量	［6］
抗冻性能	5%~20%	↑33%~100%	CR借助弹性变形缓解冻胀应力对基体的损伤，同时CR的掺入增加了混凝土总孔隙率，给未冻水的移动提供了空间，限制了静水压的形成条件	［7］
抗冻性能	5%~20%	↑26%~56%		［8］
表观密度	10%~40%	↓3%~7%	CR表观密度小，掺入后使混凝土整体表观密度下降	［9］
表观密度	5%~50%	↓1%~8%	CR表观密度小，掺入后使混凝土整体表观密度下降	［10］
导热系数	5%~20%	↓0%~27%	CR本身就是一种低导热材料，同时CR的掺入增加了混凝土总孔隙率，进而延缓了热量传导	［11］
导热系数	10%~50%	↓33%~69%	CR本身就是一种低导热材料，同时CR的掺入增加了混凝土总孔隙率，进而延缓了热量传导	［12］
降噪系数	25%~100%	↑101%~252%	CR降低了混凝土结构的阻尼振动，间接提升降噪能力，同时CR的掺入增加了混凝土总孔隙率，进而阻碍了声波传导	［13］
降噪系数	10%~20%	↑40%~41%	CR降低了混凝土结构的阻尼振动，间接提升降噪能力，同时CR的掺入增加了混凝土总孔隙率，进而阻碍了声波传导	［14］

图1 文献聚类分析

Fig.1 Literature cluster analysis

图2 橡胶颗粒取代率对混凝土相对抗压强度的影响［9，25?33］

Fig.2 Influence of crumb rubber replacement rate on relative compressive strength［9，25-33］

图3 抗压试件的破坏模式［40］

Fig.3 Failure mode of compression specimens［40］

表2 不同改性处理方法对橡胶混凝土改性机理分析

Table 2 Analysis of modification mechanism of crumb rubber concrete with different modification treatment methods

类别	改性处理方法	改性机理	参考文献
物理改性	水洗	去除CR表面油污、灰尘等憎水性杂质	［41］
	热处理	高温提高CR刚度	［22］
	胶凝材料涂覆	间接提高CR刚度；间接提高CR与混凝土基体的机械咬合力	［44］
化学改性	NaOH溶液浸泡	去除CR表面油污、灰尘等憎水性杂质；化学蚀刻，使CR表面更粗糙；创造弱碱环境以促进CR附近水泥水化	［45］
	硅烷偶联剂处理	通过分子桥接作用，在CR与水泥水化产物之间形成稳定的化学键，提高CR亲水性	［46］
	MgSO₄溶液浸泡	去除CR表面油污、灰尘等憎水性杂质；化学蚀刻，使CR表面更粗糙	［41］

图4 不同改性处理方法对抗压强度的提升效果［30，41?42］

Fig.4 Improvement effect of different modification treatment methods on compressive strength［30，41?42］

图5 橡胶颗粒取代率对混凝土相对劈裂抗拉强度的影响［22，26，31?33，40，47?50］

Fig.5 Effect of crumb rubber replacement rate on relative splitting tensile strength of concrete［22，26，31?33，40，47?50］

图6 劈裂抗拉试件的破坏模式［40］

Fig.6 Failure mode of splitting tensile test specimens［40］

图7 不同表面改性处理方法对劈裂抗拉强度的提升效果［41，44］

Fig.7 Improvement effect of different surface modification treatment methods on splitting tensile strength［41，44］

图8 橡胶颗粒取代率对混凝土相对抗折强度的影响［17，27，30?32，47，49，54?56］

Fig.8 Effect of crumb rubber replacement rate on relative flexural strength of concrete［17，27，30?32，47，49，54?56］

图9 抗折试件的破坏模式［61］

Fig.9 Failure mode of flexural test specimen［61］

图10 不同表面改性处理方法对抗折强度的提升效果［30，41，44］

Fig.10 Improvement effect of different surface modification treatment methods on flexural strength［30，41，44］

图11 界面过渡区示意图［62］

Fig.11 Schematic diagram of interfacial transition zone［62］

图12 橡胶混凝土有限元模型网格划分方法［70］

Fig.12 Mesh generation method for crumb rubber concrete finite element model［70］

图13 橡胶颗粒团聚体构建过程［55］

Fig.13 Construction process of crumb rubber particle aggregates［55］

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