用于提高以废旧轮胎橡胶制成的可持续混凝土强度与应变的经济型FRP解决方案

把旧轮胎变成更坚固的建筑材料

全球到处堆积着成座的废旧汽车轮胎，带来火灾隐患和长期污染。与此同时，建筑行业消耗大量砂石来生产混凝土。本研究探索了一种同时解决这两类问题的方法：将废旧轮胎磨成小颗粒，掺入混凝土中，然后用一层薄薄的玻璃纤维与树脂外包裹该混凝土。结果是一种更环保的建筑材料，它在受力时更能弯曲并吸收能量，而非突然断裂。

为何要在混凝土中掺入橡胶？

当旧轮胎被粉碎并用来替代混凝土中的部分砂料时，材料会变得更轻且更善于吸收冲击和振动——这对公路护栏、轨道和抗震结构很有用。但问题在于：橡胶与水泥浆的粘结性差，且比骨料软得多。随着橡胶掺量增加，混凝土通常会失去强度和刚度，这限制了其在承重结构中的应用。本研究关注一种实用配方：将橡胶含量保持在较低水平（细骨料体积的20%），并通过控制橡胶颗粒尺寸来研究其对强度的影响以及外部加固改善性能的容易程度。

用玻璃纤维外套包裹混凝土

为挽救含橡胶较多混凝土的力学性能，作者采用了玻璃纤维增强聚合物（GFRP）做成的外套。这些外套是由浸渍树脂的织玻璃纤维薄片制成，绕在混凝土圆柱体上并固化。它们比钢更轻、更耐腐蚀，且相比碳纤维系统价格更低。实验中浇筑了42个混凝土圆柱体——有的采用普通天然骨料，有的掺入细或粗的轮胎橡胶——随后对它们进行三种处理：不包裹、从顶到底完全包裹，或只用间隔带状包裹。通过对这些圆柱施加压缩载荷直至破坏，团队观察外套如何改变混凝土开裂、承载和变形的方式。

从脆性破碎到温和失效

无论是否掺橡胶，未包裹的圆柱体表现都类似普通混凝土：承载到峰值后发生突发性破坏，出现长而垂直的裂缝并有块状剥落。GFRP包裹的试件则完全不同。完整外套将这种脆性行为转变为更缓慢、更可控的响应。内部仍会产生裂缝，但玻璃纤维壳体把破片约束在一起，使混凝土逐渐鼓胀而非爆裂。对于普通混凝土，完全包裹可将强度提高约63%，并使最终破碎应变增加十倍以上。橡胶化混凝土在变形能力方面的提升更为显著：在采用非常细橡胶颗粒的配比中，极限应变增加了超过1300%。带状包裹（留出部分裸露区域）在节省材料的同时仍能带来中等但显著的改进，显示了性能与成本之间的权衡。

数据与模型揭示的内容

在实验之外，研究者构建了数学公式来预测受约束混凝土的表现，这些公式基于未经包裹时的强度、橡胶含量以及GFRP外套可施加的向内压力。他们将公式拟合到试验数据，并展示这些公式能够较好地再现完整的应力—应变曲线——即材料在加载下的变刚度、峰值与软化过程——对于天然与橡胶化混凝土均有效。模型在这里所用的特定玻璃纤维体系及所研究的橡胶含量与颗粒尺寸条件下效果最佳。它们不宜盲目推广到其他纤维类型或更高的橡胶掺量，但为希望以更高把握度选用这些更环保材料的工程师提供了设计工具。

更环保的混凝土，但有现实限制

对于非专业读者，关键信息很直接：旧轮胎可以从一个棘手的废弃物问题转变为更安全、寿命更长的结构材料的一部分——前提是将所得的橡胶化混凝土包裹一层薄薄的玻璃纤维外套。这一组合不仅在很大程度上恢复了丧失的强度，还使材料在重载与冲击下更具冗余性。完整包裹提供最大的安全裕度，而带状包裹则可在更低成本下仍获得显著提升。作者也指出，他们的工作主要集中于短期的压缩试验和单一替代水平，因此长期耐久性和其他受力条件仍需进一步研究。即便如此，结果指向一个前景：桥梁、立柱和防护屏障等可以在悄无声息中封存轮胎废料，同时性能优于常规混凝土。

引用: Saingam, P., Chatveera, B., Hussain, Q. et al. Cost-effective FRP solutions for enhancing strength and strain of sustainable concrete made with waste tyre rubber. Sci Rep 16, 13540 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42110-0

关键词: 橡胶化混凝土, 废轮胎回收, GFRP 约束, 可持续建筑, 结构加固