橡胶含量对钢纤维增强并掺入硅灰改性的再生骨料混凝土力学性能和耐久性影响的研究

橡胶混凝土通过协同钢纤维和硅灰实现了20%细骨料的再生骨料和橡胶颗粒替代，抗压强度仅降低3.6%却显著提升抗裂性16%、抗冲击能力558.19%，硅灰使氯离子和水渗透性分别降低75.3%和50.96%。

Bassam S.A. Dabbour | mza Mohd Zahid | B.H. Abu Bakar | N.A. Rahman

马来西亚科学大学工程学院，槟城Nibong Tebal 14300

摘要

本研究为橡胶混凝土在非结构应用中的耐久性和机械性能缺陷提供了解决方案。通过研究钢纤维（STF）和硅灰（SF）的协同作用，实现了用化学处理的碎橡胶替代20%的细骨料，并使用了处理过的再生骨料。关键的创新发现是找到了一个最佳混合比例（15%的处理橡胶、0.5%的钢纤维、10%的硅灰），这一比例几乎消除了强度与延展性之间的典型权衡。该混合料的抗压强度达到了56.78 MPa，仅比对照组降低了3.6%，同时弯曲强度和抗裂拉伸强度分别提高了16.0%和5.10%。更重要的是，这种混合料从根本上改变了材料的行为，使极限抗压应变增加了127.27%，弯曲变形能力提高了376%。这导致冲击能量吸收能力（+558.19%）和抗压韧性（+93.63%）显著提升。此外，硅灰还显著降低了氯离子渗透性和水渗透性，分别降低了75.30%和50.96%。本研究证实，钢纤维/硅灰组合系统有效弥补了橡胶混凝土的缺陷，制备出了一种适用于结构应用的耐用高性能材料。

引言

过去二十年的快速城市化和人口增长加剧了全球工业废物管理的挑战。建筑和拆除活动产生了大量废弃物；例如，中国每年产生近2亿吨混凝土废弃物，而澳大利亚每年产生4378万吨建筑和拆除废弃物[1]。这些废弃物的不当处理不仅浪费了宝贵的土地资源和可回收材料，还加剧了环境问题，如昆虫和啮齿动物的滋生[2]。同时，汽车行业也面临着废弃轮胎的问题。全球轮胎年产量约为30亿个，其中大部分最终被填埋[3]。

为应对这些环境问题，研究人员越来越多地探索使用建筑废弃物中的再生骨料（RA）和废弃轮胎中的碎橡胶（CR）作为天然骨料的可持续替代品。然而，这两种材料都会带来性能缺陷。再生骨料通常密度较低且吸水率较高，这可能会影响再生骨料混凝土（RAC）的机械性能[4][5][6][7][8]。同样，虽然碎橡胶可以提高延展性，但由于界面粘结性差和刚性低，通常会降低抗压和抗弯强度[9][10][11][12][13][14][15][16]。为了克服这些限制，采用了两种主要的改进策略。首先，对再生骨料进行物理和化学处理[17][18][19][20]，对碎橡胶进行氢氧化钠（NaOH）处理，以改善表面特性和粘结性。其次，通过添加补充材料来增强基体性能。钢纤维（STF）可以提高抗拉强度和延展性，而硅灰（SF）与氢氧化钙（CH）反应生成额外的硅酸钙水合物（C-S-H）。如图1和图2所示，硅灰可以降低孔隙率和渗透性，从而提高耐久性[22][23][24][25][26]。此外，采用先进的混合技术（如两阶段混合法TSMA）可以进一步优化性能[27]。

尽管取得了这些进展，但在单一混凝土基质中处理过的再生骨料、处理过的碎橡胶、钢纤维和硅灰的综合效应仍不够充分研究。这种四元体系在机械性能和耐久性方面的潜在协同改进尚未完全理解。为解决这一空白，本研究采用了一种综合方法，包括用氯化酸对再生骨料进行物理和化学表面处理（粗骨料替换率为100%），对碎橡胶进行化学处理（细骨料替换率为5-20%），添加0.5%的钢纤维和10%的硅灰。

本研究系统评估了关键的机械性能和耐久性参数，包括抗压强度、韧性、抗冲击性和渗透性，为优化可持续的结构级橡胶混凝土提供了重要见解。

部分内容

粗骨料和细骨料

混凝土混合物使用了处理过的再生骨料（TRA）作为粗骨料（图3(a)），河沙（RS）作为细骨料（图3(b)）。为了制备TRA，首先对原始再生骨料（RA）进行处理，去除弱砂浆和灰尘。然后用自来水冲洗RA，将其浸泡在0.1 M盐酸（HCl）溶液中24小时，再通过4.76毫米的筛子冲洗以去除松散的砂浆颗粒。最后，使用强制空气将骨料干燥

新鲜混凝土的性能

根据ASTM C143标准[32]，通过坍落度试验评估了新鲜混凝土的工作性。

物理和耐久性性能

根据ASTM C642标准[33]，在28天时评估了硬化混凝土的密度[$$]、吸水率[$$]和孔隙率[$$]。试样在110°C下烘干至质量恒定，然后测定饱和重量和悬浮重量。测试装置如图7所示。密度、吸水率和孔隙率通过方程（2）、（3）、（4）计算得出

坍落度

所有混凝土混合物均表现出均匀的坍落度曲线，没有分离或泌水现象。测得的坍落度值在56至105毫米之间，符合ACI 211.1规定的可接受范围，从而证实了所开发混凝土混合物具有足够的工作性。结果如图15所示。对照组混合物（R1）的坍落度为105毫米。添加5%、10%、15%和20%处理过的碎橡胶后，坍落度依次增加

结论

本研究探讨了处理过的再生骨料（TRA）、处理过的碎橡胶（CR）、钢纤维（STF）和硅灰（SF）对橡胶混凝土（RUBC）的机械性能、耐久性和微观结构的影响。根据实验结果，可以得出以下结论：

1.

实验结果表明，对再生骨料和碎橡胶（CR）进行全面的化学改性处理，有效缓解了

作者贡献声明

Bassam S. A. Dabbour：撰写——初稿，研究，数据整理。mohd zulham affandi mohd zahid：撰写——审阅与编辑。N.A. Rahman：项目管理。B.H. Abu Bakar：监督，方法论

未引用的参考文献

[83], [84], [85], [86], [87], [88], [89], [90], [91], [93].

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本工作时，作者使用了QuillBot和Grammarly工具来提高语言的可读性和清晰度。使用这些工具后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对出版物的内容负全责。

利益冲突声明

☒ 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢马来西亚科学大学提供研究所需的原材料，并感谢巴勒斯坦美国研究中心（PARC）和巴勒斯坦投资基金（PIF）的部分支持。