《Journal of Building Engineering》：Moisture transport assessment of lightweight concrete with recycled EPS and waste tire rubber aggregates
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本研究探究再生聚苯乙烯（R-EPS）和废轮胎橡胶作为部分骨料替代对混凝土水分传输行为的影响，通过综合评估液态和蒸汽传输机制，揭示两者对孔隙结构、毛细吸水和干燥动力学的作用差异，为环保建材应用提供理论支持。
卡米拉·多斯·雷伊斯·阿尔维斯（Camila dos Reis Alves）|莱拉·阿帕雷西达·德·卡斯特罗·莫塔（Leila Aparecida de Castro Motta）|埃莉安·贝塔尼亚·卡瓦略·科斯塔（Eliane Betania Carvalho Costa）|玛丽亚·克劳迪娅·德·弗雷塔斯·萨洛蒙（Maria Cláudia de Freitas Salom?o）
巴西米纳斯吉拉斯州乌贝兰迪亚联邦大学（Federal University of Uberlandia）土木工程学院，邮编38400–902
摘要
本研究探讨了在混凝土混合物中添加回收膨胀聚苯乙烯（R-EPS）和废旧轮胎橡胶作为部分骨料替代品时的水分传输行为。与大多数以往主要关注机械性能或单一水分指标的研究不同，本研究采用综合方法评估了液态和气态水分的传输机制。通过与普通混凝土的对比分析，研究了孔隙渗透率、毛细吸水率、解吸等温线、水蒸气渗透性以及干燥动力学。结果表明，这些废弃物对水分动态有显著影响：轮胎橡胶降低了毛细吸水率并加速了干燥过程，而R-EPS则增加了孔隙率、提高了吸湿性并延缓了水分释放。通过结合多种液态和气态传输指标，本研究对水分相关行为进行了全面解读，为这些可持续替代材料的耐久性及其实际应用提供了重要见解，从而支持了其在环保建筑中的选用。
引言
全球每年对砂和碎石的消耗量估计为400-500亿吨，使其成为仅次于淡水的最大开采自然资源[1]。过去二十年里，由于城市化和基础设施扩张，这一需求增长了三倍[2]。将废弃物作为骨料用于轻质混凝土成为了一种可持续解决方案，可以减少对原始自然资源的开采和填埋量。许多研究已经探讨了在轻质混凝土生产中使用膨胀聚苯乙烯（EPS）和轮胎橡胶作为骨料替代品的可能性[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。
膨胀聚苯乙烯是一种轻质多孔聚合物，其体积中95-98%为空气，形成闭孔结构，典型密度范围为15-35千克/立方米（kg/m3），具有天然疏水性[11]、[12]。然而，由于其不可生物降解的特性，这些废弃物最终会堆积在填埋场，其低密度和高体积质量比加剧了废物管理挑战。同样，轮胎橡胶废弃物通常也被填埋或焚烧[13]，这引发了资源利用效率低下和环境污染的问题。
使用EPS作为骨料会按比例降低混凝土的密度和机械性能[4]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。这些影响取决于EPS颗粒的大小和体积分数[16]、[19]、[20]。EPS的低刚度和较弱的水泥粘结性会导致更大的收缩率[15]、[17]。由于表面特性，回收膨胀聚苯乙烯（R-EPS）的表现优于原始EPS[6]、[21]、[22]。橡胶骨料也表现出类似的行为[23]、[24]、[25]、[26]。轮胎橡胶的低刚度、高泊松比和疏水性会增加混凝土的孔隙率[27]、[28]，从而导致机械性能下降[29]、[30]、[31]。
尽管含EPS和橡胶骨料的混凝土的力学性能已得到广泛研究，但专注于水分传输的研究通常仅限于单一属性，其背后的传输机制仍不够深入。
对于EPS混凝土来说，其含量和颗粒大小都会影响水分传输[11]、[32]、[33]。多孔的EPS结构降低了密度和吸水率[34]，同时提高了空气渗透性[35]、[36]。然而，闭孔结构的EPS仍具有中等的气体阻隔性[37]。
橡胶改性的混凝土表现出复杂的水分相互作用：（1）吸水率通常随橡胶含量的增加而增加[38]、[39]、[40]，但在替代比例低于12.5%时吸水率会下降[41]；（2）毛细吸水率和水分渗透深度与橡胶含量成正比[42]；（3）水蒸气渗透性增加，而液态水的传输则不受影响[43]。这些矛盾的效果表明，橡胶形成了异质性的孔隙网络，从而影响了水蒸气和液态水的传输路径。
先前的研究表明，用碎橡胶替代细骨料会降低混凝土密度并增加基体的异质性，因为界面过渡区（ITZ）变弱，影响了孔隙分布和连通性，但未研究水分传输情况[44]。此外，橡胶改性混凝土的空气渗透性显著提高，这与更高的连通孔隙率和界面孔隙有关[45]。
鉴于含废弃物混凝土中水分传输的复杂性，本研究探讨了轮胎橡胶和回收膨胀聚苯乙烯（R-EPS）对不同水分传输机制的影响。本研究不仅依赖单一属性指标，还结合了浸水吸水率、毛细吸水率、水蒸气渗透性、解吸等温线和干燥动力学，提供了对水分相关行为的综合解读，从而更全面地评估了这些材料的适用性。
材料与配合比
轻质混凝土混合物使用了CP V ARI高早强波特兰水泥（含有熟料和硫酸钙），并添加了最多10%的石灰石填料（符合ABNT NBR 16697:2018标准[46]）。该水泥的比重为3.0克/立方厘米（g/cm3），1天抗压强度为21兆帕（MPa），7天抗压强度为35兆帕（MPa）。常规骨料采用天然河砂和碎玄武岩砾石。轮胎橡胶废弃物来自一家冷修补厂
结果与讨论
表5总结了28天时混凝土混合物的物理和水分特性。这些结果将在后续小节中进一步分析和讨论。通过综合分析这些参数，可以识别出含有轮胎橡胶和回收膨胀聚苯乙烯（R-EPS）的混凝土的主要水分传输机制。
结论
本研究探讨了在轻质混凝土中添加轮胎橡胶（RUB）和回收膨胀聚苯乙烯（R-EPS）作为部分骨料替代品时的水分传输机制，发现水分特性发生了显著变化：
•废弃材料的加入使液态水可进入的孔隙体积增加了9.8%-34.8%。橡胶改性的混凝土的浸水吸水率随替代比例的增加而增加
作者贡献声明
玛丽亚·克劳迪娅·德·弗雷塔斯·萨洛蒙（Maria Cláudia de Freitas Salom?o）：负责撰写、审稿与编辑、监督、方法论设计及概念构建。埃莉安·贝塔尼亚·卡瓦略·科斯塔（Eliane Betania Carvalho Costa）：负责撰写、审稿与编辑、验证、方法论设计及概念构建。卡米拉·阿尔维斯（Camila Alves）：负责撰写初稿、数据可视化、方法论设计、数据分析及概念构建。莱拉·阿帕雷西达·德·卡斯特罗·莫塔（Leila Aparecida de Castro Motta）：负责审稿与编辑、验证、监督、方法论设计及概念构建
利益冲突声明
? 作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益和个人关系：卡米拉·多斯·雷伊斯·阿尔维斯（Camila dos Reis Alves）表示获得了巴西高等教育人员培训协调委员会（CAPES）的财务支持。其他作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢乌贝兰迪亚联邦大学（UFU）的土木工程研究生项目以及巴西高等教育人员培训协调委员会（CAPES）提供的资金支持（项目编号：88882.441383/2019-01）。
