Effects of EDTA and Crumb Rubber on the Mechanical, Freeze–Thaw, and Microstructural Behavior of Cement-Stabilized Sand
本研究表明，虽然添加 EDTA 和水泥能显著提高稳定砂的抗压强度和微观结构密度，但掺入 5% 的废旧轮胎颗粒通过提高延展性和抗冻融循环能力，在强度略有下降的情况下实现了最佳平衡。
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在我们行驶的道路和建筑物的地基之下，隐藏着一个由沙子组成的世界，这些沙子往往过于松散，无法承受重载。虽然沙子排水性好且易于压实，但它缺乏粘土那种天然的黏性，这意味着在地面冻结和融化时，它可能会发生位移、沉降或崩塌。为了解决这个问题，工程师经常将沙子与水泥混合，创造出一种坚硬的、类石材的材料，以支撑重量。然而，这种胶结砂有一个缺陷：它非常坚硬但也非常脆，这意味着如果地面移动或发生位移，它会突然断裂。为了解决这一问题，研究人员开始寻找让这些硬化土壤变得更具柔韧性的方法，测试添加回收的旧轮胎橡胶是否能帮助材料在断裂前发生弯曲，同时也实验了一种常见的化学添加剂，观察其是否能让水泥结合得更加牢固。
在伊朗马什哈德的一个实验室里，一组研究人员致力于寻找这种改良地基材料的完美配方。他们从一种特定类型的级配良好的沙子开始，这意味着沙粒的大小从极细到粗糙不等，从而能够紧密堆积在一起。他们将这种沙子与百分之十的波特兰水泥（一种标准的结合剂）混合，以创建一个坚实的基底。在这一混合物中，他们加入了一种名为EDTA的微量化学物质，它像一个分子层面的助手，通过抓取钙离子来改变水泥硬化的方式。最后，他们引入了碎橡胶——即回收轮胎的微小颗粒，用以替换部分沙子，以观察在不使材料变得过弱的前提下，可以增加多少柔韧性。他们测试了多种版本的这种混合物，并对其进行了数周的养护，以观察其随时间推移而增强的过程，随后对其进行了极端测试，以观察它们在压力和冰冻温度下的表现。
结果揭示了一个关于这些成分如何相互作用的清晰故事。单纯使用水泥就能将松散的沙子变成一种坚硬的材料，但加入化学助手后，它变得显著更强，且更具能量吸收能力。当研究人员观察微观结构时，他们发现化学处理有助于创造一个更致密、结合更紧密的基质，比单纯使用水泥更有效地填充了沙粒之间的微小间隙。然而，当他们加入橡胶时，情况发生了轻微变化。正如预期的那样，添加橡胶降低了材料的最大强度，因为柔软的橡胶颗粒干扰了坚硬的水泥网络。然而，这种权衡并非失败。橡胶使材料在断裂前能够进行更大程度的拉伸和能量吸收，将一种脆性的突然断裂转变为一种更渐进、更具包容性的失效过程。
研究人员发现，橡胶的添加量至关重要。当添加量太少时，材料仍然过于僵硬；当添加量太多时，结构又变得过于脆弱而失去实用价值。但在一个特定的水平上，即用百分之五的碎橡胶替换沙子时，他们发现了“黄金平衡点”。这种混合物保留了足够的强度以保证实用性，同时获得了足够的柔韧性来应对压力而不至于破碎。在模拟严酷冬季环境（即土壤内的水冻结并膨胀）的测试中，这种含有百分之五橡胶的混合物表现出了惊人的韧性。尽管在经历多次冻融循环后其强度有所下降，但它仍能保持连接，其承载能力几乎是未经处理的沙子的八倍，且远优于在相同条件下会显著崩塌的未经处理的土壤。
该研究还探讨了这些材料抵抗滑动的能力，这是维持边坡和路堤稳定的关键因素。水泥和化学处理增加了材料的粘附力和抗滑动能力，而橡胶虽然略微降低了这种抓地力，但仍使其远高于天然沙子的水平。在显微镜下，团队可以观察到其中的差异：未经处理的沙子显示出开放的间隙和松散的颗粒，胶结砂显示出连续的结合材料网络，而橡胶改良版本则显示出柔软的橡胶颗粒嵌入在该网络之中，形成了一种既强韧又具适应性的复合材料。化学分析证实，处理过的样本具有更高水平的钙，表明存在更活跃的化学反应，而来自橡胶的碳的存在则证实了回收材料的成功整合。
最终，研究表明，通过仔细平衡水泥、化学改性剂和少量的回收橡胶，工程师可以创造出一种不仅强韧而且耐用的地基稳定材料。这种方法提供了一种利用废旧轮胎来提高寒冷气候下基础设施耐久性的途径，在这些地区，不断的冻融循环会破坏传统的材料。百分之五橡胶的混合物成为了最具前景的候选方案，它提供了强度与柔韧性的平衡组合，使道路和地基能够更好地抵御地球不可预测的移动。虽然这项研究侧重于特定的条件和材料，但其发现指向了一种将废物转化为资源的实用方法，使我们的建筑环境更加持久且更具适应性。
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