使用预处理轮胎颗粒改进橡胶化混凝土的抗弯疲劳性能及增强机制

把废旧轮胎变成更坚固的道路

每年都有超过十亿条汽车轮胎报废，造成巨大的垃圾处理问题。这项研究探讨了一种优雅的回收途径：将轮胎粉碎为微小橡胶颗粒并掺入混凝土。目标是制造更能承受持续交通载荷的路面和桥面，同时减少填埋，支持低碳建造行业。

为什么在混凝土中加入橡胶？

传统混凝土强度高但脆：它能承受一次性的大载荷，但反复的交通荷载会逐步削弱材料，导致裂缝和失效。通过用废轮胎制成的“胶粉”按体积部分替代混凝土中的细砂，工程师可以赋予材料一定的柔性，类似在微观尺度上加入减震元件。先前研究表明，橡胶化混凝土在重复荷载下表现出更好的抗疲劳能力，但通常以整体强度下降为代价。本文的核心问题是：在掺入混凝土之前对橡胶进行预处理，是否能同时保持或提升抗疲劳耐久性和基本力学强度。

实验如何设计

研究团队配制了一系列混凝土配合比，仅在胶粉含量及是否经预处理上有所不同。所有配合比中，直径1–2毫米的小橡胶颗粒按体积部分替代细砂，掺量从2.5%到20%不等。有些配合比使用未处理胶粉，另一些使用经硅烷偶联剂化学改性的胶粉。该处理使橡胶表面减弱疏水性并有助于与水泥基体更紧密结合。研究者测定了抗压强度、劈裂抗拉强度和抗弯强度等常规性能，并进行了弯曲疲劳试验：对混凝土梁进行长时间的往复弯曲直至破坏。

强度与疲劳寿命发生了什么

如预期，掺入橡胶通常会降低混凝土的抗压和抗拉强度，因为软性颗粒和额外的气孔会破坏刚性矿物骨架。然而，预处理的橡胶在一定程度上弥补了这种损失。例如，当使用7.5%预处理胶粉时，抗压强度比相同掺量的未处理胶粉高出约15%。在弯曲试验中，破坏前的最大承载力随橡胶含量增加而下降，但梁的可挠度显著增加。掺量为5%、10%和15%时，峰值挠度分别约为普通混凝土的1.6、2.1和2.5倍，表明变形能力明显提升。对实际道路与桥面的最重要一项是疲劳寿命——承受破坏前循环载荷的次数随橡胶含量显著增加。掺入10%预处理胶粉的混凝土比参考混凝土大约多承受21%的循环次数。与相同掺量的未处理混凝土相比，预处理配合比在多数情况下表现更好，尤其是在较高掺量时。

从显微尺度看内部变化

为探明这些改进的机理，作者通过电子显微镜观察混凝土内部结构，并用韦布尔（Weibull）分布对疲劳数据进行统计分析。图像显示，橡胶化混凝土含有大量小气泡、弹性橡胶颗粒以及围绕这些颗粒的“弱”区。这些特征对一次性强度不利，但在重复荷载下却有价值：它们像微小缓冲垫和滑移界面一样吸收和耗散能量，从而减缓微裂纹的扩展。在未处理橡胶的混凝土中，橡胶与水泥之间的粘结较差，裂缝容易在该界面形成并扩展。经预处理后，接触区变得更致密更连续，减少了初始缺陷，使弹性橡胶能更均匀地分担应力。统计分析证实，在大量试件和不同应力水平下，掺入更多且尤其是经预处理的橡胶的配合比具有更长的期望疲劳寿命和更高的弯曲抗疲劳强度。

这对未来道路和桥梁意味着什么

对于非专业读者，核心信息很直接：将适当处理的废旧轮胎橡胶掺入混凝土，可使路面和桥面在交通荷载下更耐久，尽管其一次性抗压强度可能略有降低。橡胶颗粒将部分刚性混凝土转化为一个可控的能量吸收网络，延缓开裂并延长服役寿命。通过将橡胶的表面处理与统计化的设计方法相结合，工程师可以调配出在强度、耐久性与可持续性之间达到平衡的配合比。在实践中，这一方法为把日益严重的轮胎废弃问题转化为更耐疲劳的基础设施提供了有前景的路径。

引用: Han, X., Cheng, Z., Yang, L. et al. Improved flexural fatigue behavior and strengthening mechanisms of rubberized concrete using pretreated crumb rubber. Sci Rep 16, 5576 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36416-2

关键词: 橡胶化混凝土, 废旧轮胎回收, 抗疲劳性能, 可持续路面, 胶粉处理