摘 要

橡胶集料混凝土（Crumb Rubber Concrete，CRC）作为一种新型绿色环保建筑材料，将橡胶颗粒掺入水泥混凝土混合物中，既改善了混凝土的力学性能，又解决了废旧轮胎造成的“黑色污染”问题，近年来引起了广泛关注。本文借助力学性能试验手段研究橡胶集料混凝土的抗压强度，结合国内外已有的相关研究成果，提出橡胶集料混凝土抗压强度折减模型，将本文分析结果与其他文献研究成果进行对比，判断本文研究成果的可靠性。

论文主要研究了混凝土材料抗压强度与橡胶颗粒体积替换率的变化规律，分析了橡胶颗粒对混凝土抗压强度的降低机理，总结了国内外（CRC）的研究现状，针对掺入橡胶集料会降低混凝土强度的特点，进行了CRC立方体试块的力学性能实验。

研究结果表明：与普通混凝土试块相比，CRC试块的韧性、抗裂性能较好且破坏后完整性较好，橡胶颗粒的加入导致混凝土抗压强度降低，且混凝土强度降低程度与橡胶体积百分率呈正相关，与橡胶粒径呈负相关。本文根据Popovics提出的描述大孔隙度(空气含量和大孔隙)对混凝土强度降低影响的数学模型，建立了考虑橡胶集料替换率的CRC强度折减系数模型，并根据收集的国内外相关实验数据，拟合了该模型中的相关系数。将本文提出的CRC强度折减模型与已有模型进行对比发现，本文建立的CRC抗压强度折减模型比较先进合理，适用范围较广，具有较高的可靠性与一定的应用价值。

关键词：橡胶集料混凝土；体积替换率；抗压强度；大孔隙度效应模型；强度折减系数

Abstract

Crumb rubber concrete as a new type of green building material, the incorporation of rubber particles into the cement concrete mixture not only improves the mechanical properties of the concrete, but also solves the "black pollution" problem caused by the waste tires. This paper studies the compressive strength of Crumb rubber concrete by means of mechanical properties test, combining the relevant research results at home and abroad, CRC compressive strength reduction model is proposed. Compare the results of this paper with other literature research results to judge the reliability of the research results.

In this paper, serials experiments were designed to study the effect of volume replacement rate of rubber particles (waste tire) on compressive strength of concrete. The mechanism of the reduction of compressive strength of concrete by rubber particles was analyzed, and the research status of (CRC) at home and abroad was summarized. According to the characteristics of reducing the strength of concrete by incorporating rubber aggregates, the mechanical properties of the CRC cube test block were tested.

The results show that the CRC test block has good toughness and crack resistance. And the CRC test block has good integrity after failure. The addition of rubber particles leads to a decrease in the compressive strength of the concrete, and the degree of concrete strength reduction is positively correlated with rubber volume percentage, but negatively correlated with rubber particle size. This paper is based on the mathematical model proposed by Popovics to describe quantitatively the effects of macroporosity (air content and large pores) on the reduction of concrete strength, a CRC strength reduction factor model considering the rubber aggregate replacement rate was established, according to the collected domestic and foreign relevant experimental data, the correlation coefficient in the model is fitted. The CRC strength reduction model proposed in this paper is compared with the existing model. It is found that the CRC compressive strength reduction model established in this paper is more advanced and reasonable, has a wider application range, and has higher reliability and certain application value.

Key Words：crumb rubber concrete; volume replacement ratio; compressive strength; macroporosity effect model; strength reduction factor

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 4

1.3 存在的问题 5

1.4 研究目的及研究内容 5

1.5 研究方法及技术路线 6

第2章 橡胶集料混凝土单轴受压力学性能试验研究 7

2.1 试验设计 7

2.1.1 试验材料 7

2.1.2 配合比设计 7

2.1.3 试件制备及养护 8

2.1.4 试验方案 8

2.2 试验结果与分析 8

2.2.1 试验结果 8

2.2.2 结果分析 13

2.3 本章小结 14

第3章 CRC抗压强度折减模型的建立 15

3.1 数学模型的确立 15

3.1.1 定性分析 15

3.1.2 定量模型 16

3.2 主要参数的确立 17

3.3 试验结果的收集 17

3.4 CRC抗压强度折减模型的建立 21

3.5 本章小结 23

第4章 CRC抗压强度折减模型的运用与对比 24

4.1 CRC抗压强度折减模型的运用 24

4.2 CRC抗压强度折减模型的对比 24

4.2.1 龙广成等人提出的模型 24

4.2.2 D.V. Bompa等人提出的抗压强度降低模型 25

4.2.3 Farhad Aslani提出的模型 25

4.3 本章小结 26

第5章 结论与展望 27

5.1 结论 27

5.2 展望 27

参考文献 28

致谢 30

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

废旧橡胶来源于废旧轮胎、橡胶鞋与废旧橡胶管等橡胶制品以及在橡胶生产过程中产生的各种废料，但是其主要来源是废旧轮胎。根据2018年日本汽车轮胎制造商协会公布的数据，2017年“轮胎更换”和“车辆报废”产生的废旧轮胎总量为9700万条轮胎，重量增加1,034,000吨，与上一年相比数量和重量都有所增加。回收总量比上年增加62,000吨，2017年到了965,000吨，回收率为93％，增加了2个百分点，日本废旧轮胎处理情况如图1.1所示^[1]。根据2018年美国轮胎制造商协会发布的可持续发展报告，美国主要将废轮胎用于造纸厂以及公用锅炉燃烧；磨砂轮胎橡胶广泛应用于橡胶改性沥青、地面平整和操场覆盖层、汽车零部件等领域；一部分废旧轮胎用于土木工程，美国废旧轮胎处理情况如图1.2所示^[2]。2013年欧洲废旧轮胎产生量约为359万吨，其中部分破损的轮胎占19%，可以重复使用、出口和翻新修补，而其余轮胎少部分用于土木、公共以及回填工程，部分用于回收再利用，最大的部分则用于能源回收，欧洲废旧轮胎处理情况如图1.3所示^[3]。

根据我国商务部发布的《中国再生资源回收行业发展报告（2018）》统计，2017年，我国汽车行业轮胎总产量约为6.53亿条，同比增长7.05%，废轮胎约产生3.4亿条，超过1,300万吨；我国废轮胎回收量为507万吨，回收量同比增长0.4%，其中翻新量为27万吨，同比减少6.3%；再生利用480万吨，同比增长0.8%，其中再生橡胶产量442万吨，橡胶粉产量38万吨。在所有再生资源品种回收总值中，废轮胎增幅相对最小，回收价值73.5亿元，同比增长4.3%。根据2017年的统计数据，预计2018年产生的废轮胎量约为3.6亿条，超过1,400万吨，2013-2017年我国废旧轮胎回收情况如图1.4所示^[4]。据不完全统计，2017年我国废旧轮胎综合利用情况，其中再生橡胶所占比重最大，热裂解所占比重不足2%，其余部分主要为轮胎翻新和生产橡胶粉，如图1.5所示^[5]。不断产生的庞大废旧轮胎数量给生态环境带来了很大的负担，“黑色污染”及由其引发的橡胶资源严重浪费现象已经引起世界各国的重视，固体废物无害化处理和再生资源循环利用也成为世界各国经济活动的主要准则。

近些年来，我国的经济发展进入了新常态，随着人们生活水平的不断提高，人民对美好生活的需要也日益增长，汽车成为许多家庭会需求的交通工具，但是汽车的大量存在也有两面性，在给人们生活带来方便的同时，也可能会造成巨大的环境污染，其中废旧轮胎对环境造成的污染是无法忽视的，大量废旧轮胎橡胶的堆积不仅形成了严重的“黑色污染”，而且还会造成资源的浪费。废旧轮胎属于惰性聚合物材料，在自然条件下，既不溶于水也难溶于有机溶剂，同时难降解与难腐烂。将废旧轮胎随意丢弃地表，容易积水，就会为蚊虫提供滋生的场所，容易产生各类病菌和引发各种疾病。废旧轮胎也是一种高分子材料废弃物，由于其不易降解的特点，在土壤中难以腐烂，逐渐放出多环芳烃、苯及苯酚等有毒、有害物质，若进行填埋处理不仅会占据大量的土地空间，而且会对土壤及地下水造成污染，大量的堆积放置也容易引发火险。而如果对轮胎橡胶进行焚烧处理尽管可以回收其中的部分能源，但是会带来大气污染，因此，废旧轮胎橡胶的处理已成为世界的主要环境问题。

当前，废旧轮胎的综合利用可以分为两种，一种是材料利用，包括原型利用和粉碎加工两部分，其中原型利用分为机械加工（翻新轮胎，硫化处理后重新利用）和直接物理加工（作为防波护堤坝、漂浮灯塔等用途），粉碎加工为生产再生橡胶与橡胶粉；另一种是化学裂解，包括热裂解和热能利用，其中热裂解含有直接分解（生产燃气、再生炭黑和钢丝等产品）与流动床（连续热裂解），热能利用包括燃烧与残渣利用（作为印刷油墨颜料）。