《Environments》：From Waste to Resource: A Critical Review of Tyre-Derived Materials in Sustainable Applications
废弃轮胎构成了重大的废弃物管理挑战，促使废旧轮胎衍生材料在工程领域的应用关注度持续提升。本综述批判性评估了轮胎衍生材料在混凝土、沥青、岩土及采矿系统中的性能表现，重点聚焦于应用特定的工程权衡效应。文献分析表明，由于界面黏结薄弱及孔隙率增加，轮胎衍生材料通常会降低胶凝体系的抗压强度与刚度，尤以水泥基体系最为显著。然而，此类强度折减往往伴随延性、能量吸收能力、抗裂性、阻尼特性、变形耐受性及裂后完整性的同步提升。上述响应幅度高度取决于橡胶粒径、掺量、材料来源及其与基体间的相互作用机制。矿山充填应用展现出新兴潜力，轮胎衍生组分可改善胶结岩体充填（Cemented Rock Fill, CRF）系统的脆-延转变行为及残余完整性，尽管现有证据仍主要局限于实验室尺度。总体而言，本综述论证了轮胎衍生材料的评价体系应依据应用特定的性能需求建立，而非单纯依赖强度准则，同时环境效益需结合具体案例单独评估。
1. 引言
废弃轮胎（End-of-Life Tyres, EOL）因其不可生物降解性、长服役寿命、巨大累积量、复杂物质组成及有限回收途径，构成了严峻的环境与资源管理挑战。全球每年约产生15亿条报废轮胎，其中60–65%被堆积或非法倾倒，资源价值未获有效回收。澳大利亚2017至2022年间各行业共消耗轮胎56.3万吨，截至2024年年产量已达约50万吨。这些数字不仅反映废弃物管理困境，更揭示了环境资源系统的深层低效——耐用工程材料被弃置而非重新融入生产循环。不当管理的轮胎废弃物会引发显著环境、安全及公共健康风险，大型堆存场侵占土地、易引发火灾、导致化学物质浸出并为病媒生物提供滋生环境。非公路（Off-The-Road, OTR）轮胎尺寸巨大（地下设备轮胎直径0.8–1.7 m，地表采矿车辆达4.0 m），从偏远矿区运输至回收点存在显著物流障碍。澳大利亚虽已立法限制非法焚烧与出口整胎，要求超过5 m3或40吨（相当于5000条乘用车胎）的堆存场必须持证运营，但大量回收轮胎仍以碎屑、胶粒或胎面胶（尺寸<150 mm）形式出口，用于轮胎衍生燃料（Tyre-Derived Fuel, TDF）、翻新或其他回收途径，这种出口导向的解决方案仅实现了环境负担的地理转移，并未在本地闭环系统中根本解决问题。采矿业是OTR轮胎废弃物的主要贡献者，尽管国家回收目标设定为80%，实际回收率仅约10%，低回收率主要归因于现场处置成本认知偏低、偏远地区运输挑战、终端市场容量有限及行业对轮胎管理的优先级不足，凸显了开发符合循环经济原则的本地化现场再利用策略的迫切性。经济壁垒进一步制约轮胎回收，消费者支付的处置费中仅小部分转移至回收商，运输与收集成本因地域差异悬殊，加工成本亦构成额外负担。因此，在轮胎产生地就近回收具有显著的成本效益优势。轮胎废弃物转化为衍生材料是提升资源效率的重要途径，机械处理可产生碎屑（Shreds）、胶粒（Crumb Rubber）、粉末（Powder）及回收钢/纺织纤维等产物，可直接作为建筑材料复用或通过热解处理。热解虽因减少二次污染被视为有前景的处置技术，但其产物需进一步纯化方可使用，故主要作为补充性回收途径而非普适性建材来源。建筑与基础设施应用因原材料消耗量巨大且可潜在利用轮胎产物的结构特性而备受关注，但橡胶碎片的柔软性、变形性及疏水性特征决定了其回收利用不能一概而论，必须通过应用特定框架评估工程价值，而非单一强度准则。本综述批判性审视了EOL轮胎在建设、岩土及采矿工程中的再利用潜力，尤其关注废弃物产生地与再利用地重合的场景。
2. 综述方法学
本研究采用结构化批判性综述方法，评估轮胎衍生材料在混凝土、沥青、岩土及采矿工程中的应用。与正式系统综述或定量分析不同，文献综合随轮胎衍生材料工程行为的深入研究而渐进展开，因此综述过程主要由反复出现的工程问题、应用特定性能需求及报道的材料行为驱动，而非严格遵循预设协议。综述目标并非识别通用的优化轮胎衍生材料体系，而是批判性解析轮胎衍生产品如何在不同应用环境中差异化影响工程性能。文献检索呈迭代式推进：初期聚焦轮胎衍生材料对强度相关性能的影响（尤其是抗压强度行为，因强度折减是橡胶掺入建筑材料最常被报道的局限）；随后逐步扩展至界面黏结局限、孔隙率增加、刚度不相容、沉降行为、裂纹扩展机制及施工可行性等深层机理研究；后期进一步纳入“拉伸行为”“延性”及“再生轮胎纤维与混凝土”等组合关键词。文献源主要来自Scopus与ScienceDirect，辅以Google Scholar补充技术报告、政府出版物、标准及行业信息。最终文献检索于2026年4月完成，共纳入390条记录，经筛选后保留119篇核心文献，涵盖混凝土（41篇）、沥青（13篇）、岩土（12篇）、采矿（15篇）四大应用领域。由于混凝土应用研究始于1990年代且最为成熟，其他领域研究相对较新，文献分布反映了各工程领域的研究成熟度差异。鉴于本综述为批判性工程综合而非正式系统评价，未设定严格的出版年限或期刊排名阈值，但主要关注2010–2026年研究，早期奠基性研究因其重要比较与力学价值予以保留。同行评议期刊论文构成技术解读与批判性讨论的核心基础，会议论文、技术报告等则用于提供轮胎产生量、回收途径、监管框架等背景信息。因纳入研究在材料形态、测试方法、应用尺度及工程目标上存在显著差异，未进行直接定量比较与荟萃分析，而是采用应用特定的批判性框架对工程权衡、主导机制、实施准备度及强度折减与功能性能增强间的平衡进行定性综合。
3. 轮胎衍生产物的材料特性
3.1 组成与力学性能
轮胎是由天然橡胶、合成橡胶、炭黑、钢丝增强层及纺织纤维构成的复杂复合材料，服役期内表现出高弹性、耐久性及能量吸收能力。然而，正是这种耐久性使其在废弃后成为高度持久性废弃物。轮胎组分比例因类型、品牌及用途而异，典型包含五种核心组分。从材料工程视角看，与传统集料相比，轮胎衍生产物密度与刚度均较低，密度随粒径及钢/纺织纤维组分含量变化，胶粒、胶块及碎屑的密度实测值分别为1160 kg/m3（粒径0.15–4.75 mm）、509 kg/m3（4–6 mm）及309–560 kg/m3（50–76 mm）。橡胶具有显著的拉伸变形能力，徐等人测得橡胶碎屑的平均弹性模量为112 MPa、抗拉强度14 MPa、应变达13.1%；Bijarimi等人报道橡胶抗拉强度范围为16.5–21.2 MPa，表明这些性能受轮胎部位、品牌、制造工艺及类型影响而存在变异性。此类特性在需能量吸收、变形或轻量化特征的场景中具优势，但会同时损害强度与结构刚度，亦可通过替代胶凝复合材料中的天然集料产生环境效益。
3.2 再生轮胎材料的变异性
文献识别出的关键挑战是轮胎衍生材料的高变异性。轮胎通常经过系列加工与分离阶段，产出不同粒径的橡胶及钢、纺织纤维等副产品。尽管研究中常互换使用产品术语，本综述根据标准尺寸进行了统一规范。粒径显著影响复合材料的力学行为，现有研究因粒径、表面处理及取代率的差异频繁报道不一致结果，导致研究间直接比较困难，凸显了对标准化实验框架的需求。
4. 轮胎衍生材料在建筑应用中的性能
4.1 地板/路面
利用橡胶建造住宅或商业建筑地板、游乐场、慢跑道、网球场及车道的做法日益普及，这得益于其耐久性、冲击吸收性、安装便捷、低维护及长期成本效益。在路面材料中，橡胶改性胶凝复合材料因更高的应变能力与受控裂纹扩展而提升了耐久性，增强了抗突发破坏的韧性，但伴随抗弯与劈裂抗拉强度的下降。从环境视角看，此类应用属于低风险高价值再利用途径，材料性能与功能需求匹配，可有效减少填埋处置量。
4.2 橡胶改性混凝土
传统胶凝材料（如混凝土）呈脆性且刚度极高，峰值后抗拉强度极低（2–5 MPa）。公共基础设施中通常采用钢筋等高安全系数增强技术弥补此缺陷，但钢筋制造涉及高昂资本与能源消耗，并引发钢铁生产与采购相关的环境问题。这推动了建筑业对可持续低成本替代方案的探索。橡胶改性混凝土自1990年代被提出，旨在通过掺入废轮胎橡胶改善柔性与抗裂性并解决轮胎处置的环境关切。此后大量研究探讨了用胶粒、橡胶粉及碎橡胶颗粒替代常规混凝土集料与胶凝材料的适用性，但报道的利弊仍存争议，主要因为橡胶掺入引入了相互竞争的力学效应。
4.2.1 集料替代
文献一致观察到橡胶掺入通常导致抗压与抗拉强度降低，归因于三种交互机制：橡胶颗粒与水泥浆体间的弱界面黏结、水泥基体孔隙率增加及橡胶相对于矿物集料的低刚度。微观结构研究证实，橡胶的疏水性抑制了其表面与水泥水化产物的强黏附，形成薄弱的界面过渡区（Interfacial Transition Zone, ITZ），导致水泥基体与橡胶夹杂间的荷载传递效率显著低于常规集料–水泥界面，进而诱发早期微裂纹并降低受压刚度。然而，此解释未能完全阐明不同研究间强度折减幅度的差异，部分研究显示即使低橡胶掺量也出现显著强度损失，而其他研究表明当取代水平低于约10–20%时仍可维持可接受的结构强度，暗示强度折减不能仅归因于界面黏结局限，还强烈受橡胶粒径、分布及整体配合比设计影响。
4.2.2 橡胶掺量与粒径的影响
橡胶掺量对力学性能的影响程度强烈依赖于体积分数与几何形态。增加橡胶掺量通常导致抗压强度渐进下降，因为承载矿物集料骨架被更软、可变形颗粒替代。例如，用胶粒替代细集料且取代水平高达45%的实验研究一致观察到抗压强度随橡胶掺量增加而递减。但需谨慎解读此类结果：抗压强度仍是必要起点，因为工程中混凝土分类与验收普遍采用抗压强度指标，大量无侧限抗压强度（Unconfined Compressive Strength, UCS）研究并非反映评估方法狭隘，而是需首先验证橡胶改性混凝土能否满足最低强度要求，这对结构与半结构应用至关重要——只有材料保有充足抗压能力，改善延性、抗冲击性、阻尼、声学或热工性能的收益才具实用价值。尽管强度折减常被强调为局限，多项研究证明当橡胶取代水平低于约12.5%时仍可制备抗压强度超60 MPa的混凝土；Holmes等人报道骨料取代率低于约20%时可维持可接受强度水平。这表明橡胶改性混凝土并非固有缺乏结构承载力，其性能高度取决于对橡胶掺量与形态的管控。粒径亦起关键作用：细橡胶粉因较少破坏集料骨架且更像填料分散于水泥基体中，力学性能通常优于粗胶粒；大粒径橡胶颗粒则引入更大空隙与更显著的刚度对比，放大基体内部应力集中。尽管如此，文献仍缺乏系统研究以独立解析粒径、颗粒形状及表面特性的影响，难以定义混凝土应用的优化橡胶几何参数。
4.2.3 胶凝材料替代
除集料替代外，部分研究探索了用胶粒或橡胶粉替代水泥。与集料替代相比，胶凝材料替代通常导致更严重的强度劣化，因其直接干扰胶凝结合相的形成。实验研究显示，水泥被橡胶取代水平达12%时，抗压强度降低6–17%、抗拉强度降低6–21%（取决于剂量与配合比）。显微镜观测表明，橡胶颗粒因其疏水性与化学惰性表面破坏了水化产物的连续性并降低基体黏聚力，在水泥基体中表现为夹杂而非活性组分。表面处理或掺入硅灰等辅助胶凝材料可部分缓解负面效应，改善界面黏结并细化孔结构。但总体而言，从力学角度橡胶替代水泥不如替代集料有利，不过在优先考虑低密度、高阻尼能力或增强热工性能而非抗压强度的应用中仍具可行性。
4.2.4 延性与能量吸收的改善
尽管强度折减是最常被报道的局限，但仅聚焦抗压强度无法完整评估材料的力学行为。多项研究证实橡胶掺入显著提升延性、韧性与能量吸收能力。橡胶颗粒作为可变形夹杂可桥接裂纹、延缓裂纹扩展，使破坏模式从脆性断裂转变为渐进峰后破坏，此裂纹桥接机制在大粒径橡胶碎片跨越发展裂纹时尤为明显，使其能在峰值应力后维持残余荷载。因此，橡胶改性混凝土通常表现出高于常规混凝土的残余强度与应变能力，此类特性在承受动力荷载、冲击或地震作用的场景中具有结构优势。但此类收益能在多大程度上补偿强度损失仍存争议，许多研究强调其韧性改善却极少量化其在真实荷载条件下的结构性能转化，表明需超越抗压强度单一指标评估橡胶改性混凝土。
4.2.5 耐久性与功能性能
除力学行为外，橡胶掺入还影响混凝土的耐久性与功能特性。耐久性研究表明，高体积橡胶集料可提升抗氯离子迁移、电阻率及抗渗性。例如，含80%橡胶集料的混凝土较常规配合比抗氯离子迁移能力提升约80%、电阻率提升87%，表明橡胶改性混凝土在耐久性而非强度决定服役寿命的侵蚀环境中可能表现优异。橡胶掺入还降低材料密度，有益于轻量化结构体系；同时增加的含气量改善了吸声与保温性能，含约15%橡胶碎屑（粒径2–19 mm）的胶粒混凝土显示出增强的吸声特性，橡胶–环氧复合材料的热导率可降低达58.6%。但这些功能收益的获得常伴随抗压强度的大幅折减，例如声学与热工性能的提升有时以抗压强度损失超90%为代价，强化了明确定义橡胶改性混凝土配合比设计性能目标的重要性。
4.2.6 工作性与配合比设计考量
橡胶掺入也显著影响新拌混凝土行为。增加橡胶掺量通常降低工作性，因橡胶颗粒较矿物集料吸水更少且在拌合物中引入更高内摩擦。Holmes等人报道当胶粒掺量从0增至120 kg/m3时，坍落度值从约125 mm降至25 mm。因此维持可工作拌合物常需调整水胶比或使用外加剂。这揭示了橡胶改性混凝土研究中常被忽视的重要方面——许多研究仅聚焦硬化力学性能，未充分考虑橡胶掺入对新拌行为与施工可行性的影响。
4.2.7 替代轮胎衍生增强体：钢纤维
除橡胶颗粒外，轮胎回收还产生可用作混凝土增强体的钢纤维。纤维增强改善了裂纹控制与裂后行为，但常规工业钢纤维会增加材料密度并在制造过程中产生显著碳排放。相比之下，再生轮胎钢纤维提供了一种更具可持续性与低成本的替代方案。Zia等人报道，按混凝土体积掺入0.30–0.75%的原生废轮胎钢纤维，可使抗压强度与劈裂抗拉强度分别提升20%与16%。Michalik等人进一步证明，净化后的回收钢纤维在断裂相关行为上可媲美甚至优于工业钢纤维，具有更优的功或断裂韧性指数及在混凝土基体中更好的分散性；其黏结研究表明，回收轮胎钢纤维可与水泥基体有效黏结，粗糙不规则的纤维表面增强了机械锚固，而黏结有效性取决于纤维洁净度、几何形态及在基体中的分散状态，残留橡胶或纺织污染物会降低增强效率。混合掺入1.75%回收轮胎钢纤维与工业钢纤维的试验显示，较素混凝土劈裂拉伸能提升52%、弯曲能提升689%。近期研究开始转向结构应用，Franco–Qui?onez等人证明，在满足结构要求并与fib Model Code 2020及Eurocode Annex L兼容的前提下，再生轮胎钢纤维可用于预制节段、路面及喷射混凝土衬砌等结构混凝土。该研究同时证实，回收钢纤维从摇篮到大门的全球变暖潜势显著低于工业钢纤维。综上，轮胎的非橡胶组分可能代表胶凝复合材料一条独特且潜在的高价值增强途径，其主要优势不仅在于提升峰值强度，更在于改善裂纹控制、断裂抗力及裂后完整性。未来工作应聚焦于标准化纤维加工与分类、完善耐久性评估并将回收轮胎钢纤维性能更直接地关联至结构设计需求。
4.2.8 长期性能与实际应用
尽管存在强度折减担忧，长期研究表明橡胶改性混凝土在服役条件下可维持充分耐久性。对十年陈期的胶粒混凝土桥面板调查显示，其抗碳化、抗腐蚀及抗机械退化能力强劲，弯曲测试显示其弯曲抗拉强度超5 MPa，且应变能力显著高于常规混凝土。在实际工程中，橡胶改性混凝土增强的可变形性甚至可能提升安全性能，常规混凝土护栏的高冲击刚度会加剧碰撞伤害，掺入橡胶可降低刚度并使护栏更有效地吸收冲击能量，在维持结构完整性的同时潜在降低事故严重程度。
4.2.9 批判性综合
总体而言，文献表明橡胶改性混凝土在强度与功能性能间存在明确权衡。橡胶掺入通常因弱界面黏结与孔隙率增加而降低抗压与抗拉强度，但同时提升延性、能量吸收、抗冲击性及特定耐久性能。这些发现提示，橡胶改性混凝土不应仅被视为常规混凝土的弱化替代品，而应作为一种具有独特力学特性的改性复合材料。在适宜掺量下（尤其低于约10–20%集料取代率），橡胶改性混凝土可在提供附加功能收益的同时维持可接受的结构性能。然而，许多现有研究过度依赖抗压强度作为主要性能指标，可能低估了橡胶掺入在韧性、回弹与阻尼能力比峰值强度更关键的应用中的价值。未来研究应聚焦于能更好捕捉橡胶改性混凝土多功能行为的基于性能的评估方法。
4.3 沥青与路面应用
将轮胎衍生橡胶掺入沥青混合料是EOL轮胎最早且商业化程度最高的回收途径之一。橡胶改性沥青（常称沥青橡胶）因有望提升路面耐久性并同时解决废轮胎处置挑战而备受关注。与橡胶常破坏承载矿物骨架的橡胶改性混凝土不同，沥青结合料可与橡胶颗粒发生更有利的相互作用（因其黏弹性本质），尤其在采用适宜加工方法时。
4.3.1 橡胶改性沥青混合料的力学性能
实验研究常强调橡胶改性沥青混合料在抗疲劳性、抗车辙性及服役寿命方面的提升。这些改善主要归因于橡胶颗粒的黏弹性行为，使沥青混合料能比常规沥青更有效地耗散应力并适应变形。橡胶作为结合料内的弹性夹杂，吸收应变能并延缓重复交通荷载下的裂纹扩展。然而，这些改善常伴随刚度与结构能力的改变。Walotek等人报道，掺入路面混合料的橡胶碎屑改善了疲劳寿命、抗湿性与变形耐受性，增加橡胶掺量增强了材料重分布应力与无灾变破坏下吸收变形的能力。尽管这些特性可能提升路面耐久性，但也降低了混合料刚度，可能损害重载交通下的承载能力。这种权衡凸显了橡胶改性材料中的反复挑战：延性与抗疲劳性的改善常以刚度和结构强度为代价，在路面设计中平衡这些竞争效应至关重要。
4.3.2 橡胶粒径与掺量的影响
多项研究探索了橡胶粒径与掺量对路面性能的影响。Li、Saberian与Nguyen研究了将胶粒掺入路面基层与底基层，与再生破碎混凝土及破碎岩石材料混合，评估了细胶粒（400–600 μm）与粗胶粒（10–15 mm）在0.5%、1%及2%取代水平下的表现。结果显示粒径显著影响力学行为：细胶粒略微提升UCS，但伴随混合料脆性的增加；而含粗胶粒的混合料则表现出UCS降低与可变形性增加，表明大粒径橡胶颗粒破坏了路面基层材料的颗粒承载骨架，类似于橡胶改性混凝土中的强度折减机制。沥青体系中也报道了类似尺寸依赖性：Vigneswaran等人研究作为10%原生沥青结合料替代的0.5–2 mm胶粒，发现较大颗粒（1–2 mm）增加了黏度与抗车辙性，可能延长路面服役寿命，但<0.5 mm的颗粒在减少沥青与橡胶相分离方面最有效；Cai等人发现较大橡胶颗粒（>300 μm）改善了高温变形抗力，中等（300–75 μm）与小颗粒（75–0.22 μm）则增强了高温与抗疲劳性，而微颗粒（<0.22 μm）显著改善了低温抗裂性。沥青在低温下易发生脆性破坏，较高微颗粒含量显著改善了低温抗裂性。橡胶掺量的效应被一致认定为路面性能的控制因素。Li、Saberian与Nguyen报道，无论橡胶粒径如何，回弹模量随橡胶掺量增加而降低，表明刚度下降且动态交通荷载抗力可能降低；UCS随胶粒掺量从0.5%增至2%而提升，最高强度出现在2%掺量；但橡胶碎屑掺量从0.5%增至2%时，强度先增后降，最高UCS出现在1%掺量。Wu等人观察到增加胶粒掺量（0–4%）通过增强阻尼特性改善了抗滑性能与降噪等功能性能，最佳掺量约为3%。Wang进一步表明增加橡胶粉含量可增强路面的抑冰与耐久性等特定性能特征，在-14°C极端温度下收益趋于稳定。Cao等人确定增加橡胶粉含量（10%、15%及20%）可提升延性（与粒径无关），细橡胶颗粒表现优于大颗粒，性能排序为120目>80目>60目>40目>20目，最佳粒径为80目（掺量15%），超过此值性能因黏度过度下降与老化效应而衰退。这些结果共同凸显了一个持续存在的权衡：增加橡胶掺量可增强阻尼相关性能，但在超过最佳掺量后会降低刚度与结构能力。综上，证据表明橡胶粒径控制着路面基体内部的相互作用尺度，而橡胶掺量决定着由此产生的力学与功能变化的幅度。重要的是，评估橡胶改性路面混合料的大多数研究使用的粒径较细、橡胶掺量较低（相较于橡胶改性混凝土研究），以在提升耐久性相关性能的同时维持结构完整性，这反映了一种隐含共识：必须限制橡胶掺入以避免刚度过度下降。但文献仍缺乏系统框架来定义不同路面层的最佳橡胶粒径与掺量组合。
4.3.3 超越结构性能的功能收益
除力学性能外，橡胶掺入还可改善路面系统的功能特性。例如，橡胶改性沥青因其路面表面的柔性与阻尼能力增强而被广泛认可可降低交通噪声；此外，橡胶改性混合料可能提升抗水损害能力并减少温度循环引起的裂纹扩展。Walotek等人报道，碎橡胶废弃物减少了路面混合料的毛细上升与吸水率，从而提升抗水相关损害的能力，这在水分渗透导致路面结构损坏的环境中尤为有益。Landi等人也强调，将橡胶掺入沥青混合料可减少原生原材料需求，并可能降低与资源开采相关的温室气体排放与环境冲击。尽管这些收益被广泛引用，但其在不同气候条件下的长期有效性仍缺乏充分记录，许多实验室研究证明了疲劳与抗水性的改善，但评估橡胶改性路面长期现场性能的研究较少。
4.3.4 路面基层中的橡胶
轮胎衍生材料也被探索用于路面基层与底基层，可能提供除结构增强外的附加功能优势。例如，轮胎碎屑被研究用作寒冷地区防治冻胀的轻质隔热层。Edesk?r证明轮胎碎屑因其低热导率与高渗透性可减少路基冻深，使轮胎碎屑层兼具隔热屏障与排水介质双重作用，降低冻胀潜力并改善融沉稳定性。然而，提供热绝缘的相同特性也降低了结构刚度，在冻结条件下轮胎碎屑保持柔性，不具备颗粒材料的典型刚度特征，导致承载能力下降。为解决此局限，ASTM指南建议在此类隔热层上方设置至少900 mm厚的结构超层，这说明了轮胎衍生材料在岩土应用中的权衡：虽然它们提供了有益的热工与排水特性，但通常需额外结构支撑以维持路面稳定性。
4.3.5 批判性综合
现有文献表明，橡胶改性沥青可显著提升抗疲劳性、裂纹控制及降噪与抗水损害等功能性能，这些收益伴随着橡胶掺量过高时混合料刚度与回弹模量的降低。与橡胶在刚性基体中主要作为破坏性夹杂的橡胶改性混凝土不同，沥青混合料中的橡胶颗粒能与沥青发生更有利的相互作用，使橡胶改性沥青能更有效地适应变形，提升疲劳性能与服役寿命。因此，橡胶改性沥青的有效性强烈依赖于对橡胶粒径、掺量及搅拌程序的控制。相比之下，轮胎衍生材料在路面基层与底基层中的行为由根本不同的机制支配。轮胎碎屑作为轻质、可压缩夹杂，具有低热导率与高渗透性，使其成为冻胀防治与排水的有效材料；但其低刚度与高可变形性降低了承载能力，需额外结构厚度维持路面稳定性。这表明，与橡胶贡献黏弹性增强的沥青系统不同，无结合料基层中的橡胶主要通过降低刚度与增加可压缩性来改变力学响应。总体而言，文献指出橡胶在路面系统中的作用具有应用依赖性。在有结合料的沥青层中，优化橡胶掺入可在不显著损害结构完整性的前提下增强结合料弹性与耐久性；而在无结合料基层中，橡胶掺入则在功能收益（如隔热与排水）与降低结构能力之间进行权衡。未来研究应聚焦于开发基于性能的设计框架，明确解释这些跨路面层的不同机制，确保在将轮胎衍生材料纳入路面系统时，实现结构能力、耐久性与可持续性目标的平衡整合。
4.4 岩土应用
4.4.1 土壤稳定化
在岩土工程中使用轮胎衍生材料作为改善土壤性能并同时再利用废轮胎的方法日益受到关注。与橡胶颗粒与刚性基体相互作用的胶凝系统不同，土–橡胶混合物形成颗粒复合材料，其行为由颗粒相互作用、摩擦抗力及可压缩性支配。因此，橡胶在岩土应用中的有效性强烈依赖于橡胶颗粒与周围土壤骨架的相互作用。土壤稳定化技术通常用于提升软弱或高变形土壤的承载能力，并减少荷载条件下的沉降与侧向变形。膨胀土尤其易因湿度变化与荷载发生显著变形，可能导致地基开裂、路面破坏及边坡失稳。在丘陵地形与路堤中，降雨入渗、地震活动与长期荷载会进一步加剧此类状况，可能引发侵蚀或滑坡，破坏基础设施网络。为缓解这些风险，主要有三种稳定技术：机械稳定、压实稳定与化学稳定。机械稳定通过掺入增强材料改善土壤性能；压实稳定通过动态或振动方法减少空隙以提升承载能力；化学稳定则利用水泥、石灰、粉煤灰或窑尘等添加剂通过胶凝或火山灰反应改变土壤特性。多年来，研究已将植物纤维、玻璃纤维、土工织物与废轮胎橡胶作为土壤增强形式纳入。向土壤中掺入拉伸增强体可形成一种改善整体土壤强度的复合材料，类似于钢筋混凝土。
4.4.2 路堤与轮胎包裹土系统
过去研究有效利用整胎或未加工轮胎作为不稳定地基上的轻质路堤填料及河岸稳定剂。这些特性使轮胎基结构能减少施加于软弱地基土的竖向应力，同时提供减轻孔隙水压力积聚的排水路径。尽管有益，但轮胎的高可压缩性会导致长期荷载下因过度长期沉降而损害长期稳定性。因此，虽然轮胎路堤可减少初始地基应力，但其在基础设施荷载下的长期稳定性仍存隐忧。为解决这些局限，研究者提出了更结构化的轮胎基系统，如轮胎包裹土构件（Tyre-Encased Soil Elements, TESE）。Xu等人研究了作为轻型房屋承重构件的轮胎包裹土墙的结构性能，实验结果表明轮胎墙可支撑轻型屋顶荷载，同时表现出极小沉降（约等于墙高的0.2%），轴力–位移行为基本呈线性，破坏机制主要受滑动与节点转动控制，而非脆性结构倒塌。该研究还证明增加轴向荷载可提升轮胎墙系统的面外抗力与刚度。尽管这些发现凸显了轮胎包裹土系统在低层建筑中的潜力，但实验结果是在受控实验室条件与相对较小结构荷载下获得的，因此仍需进一步研究以评估TESE系统在足尺荷载条件与动力加载情景下的性能。
4.4.3 橡胶–土壤混合物的抗剪强度与摩擦行为
Attom观察到，无论砂级配或密度如何，掺入轮胎碎屑均增加了砂–橡胶混合物的内摩擦角。这种增强效应在含粗砂的混合物中尤为显著，其中橡胶颗粒作为增强夹杂抵抗滑动与剪切变形。此行为在概念上类似于纤维增强混凝土中纤维的增强作用——离散夹杂提升基体抗裂纹扩展与剪切破坏的能力。然而，橡胶夹杂的增强效应似乎仅限于相对较低橡胶掺量。Terzi等人研究了用作埋管系统轻质回填材料的砂–橡胶混合物，发现约7%（重量比）的橡胶碎屑掺量提供了强度与可变形性间的最有利平衡。超过此阈值，混合物的可压缩性显著增加，导致抗剪强度与结构稳定性下降。这些发现凸显了橡胶–土壤增强中的一个重要局限：虽然低浓度橡胶颗粒可增加摩擦抗力并改善抗剪强度，但过量橡胶掺入会破坏颗粒承载骨架并降低整体刚度。
4.4.4 可压缩性与沉降行为
橡胶–土壤复合材料的可压缩性是岩土应用中最常报道的挑战之一。橡胶颗粒的刚度显著低于矿物土壤颗粒，因此其掺入会增加荷载下土壤混合物的可变形性。Terzi等人的实验研究表明，橡胶掺量超过约7%会导致管道回填系统沉降增大。类似趋势也见于砾石–橡胶混合物（Gravel–Rubber Mixtures, GRMs），其中橡胶颗粒与粗集料结合生产轻质填料。Tasalloti等人报道，增加橡胶掺量导致土壤行为在加载期间从剪胀转变为剪缩响应，表明橡胶夹杂降低了颗粒骨架调动颗粒间摩擦与剪胀的能力。粒径也在控制可压缩性中起重要作用。胶粒（0.6–4.75 mm）可能比较轮胎碎屑（2–6 mm）更有效地填充砾石颗粒间的空隙，减少初始孔隙率。当砾石骨架保持不变时，用等量体积的更小橡胶颗粒替代单个大橡胶颗粒，可使更细材料更高效分布并填充周围空间。由于橡胶高度可压缩，这些更细颗粒在承受荷载时也会增加混合物的整体可压缩性。因此，许多研究建议将砾石–橡胶混合物中的橡胶掺量限制在约10%以内，以避免过度沉降。
4.4.5 抗震与阻尼性能
橡胶改性土壤混合物也表现出改善的抗震与振动吸收行为。Tasalloti等人强调，体积橡胶掺量在25%至40%之间的GRMs表现出优异的隔震性能，适用于轻型住宅建筑的抗震基础系统。Edin?liler等人发现橡胶粒径与长宽比影响阻尼性能：轮胎回收副产品橡胶磨屑（5–8 mm，长宽比2.3）的阻尼比低于胶粒（0.3–5 mm，长宽比1.2）。更高阻尼比意味着更强的能量耗散，通过减少振动传递有利于隔震，但阻尼比的增加伴随剪切模量的降低，表明刚度下降与沉降风险增加。这种灵活性虽改善了能量耗散并减少了结构上的地震荷载，但剪切模量的过度降低可能导致失稳、过度沉降及承载力下降。这种权衡凸显了需要优化橡胶掺量以平衡阻尼收益与充足的强度刚度。
4.4.6 承载能力的增强
Haq等人证明，将石灰稳定与废橡胶轮胎粉结合可显著提升黏性土的工程性能。含约3%石灰与12.5%橡胶粉的最佳混合料使抗剪强度提升44%、承载能力提高近89%。改善归因于石灰诱导的火山灰反应增强了土壤黏结，而橡胶颗粒填充空隙并有助于改善荷载传递。因此，加州承载比（California Bearing Ratio, CBR）从2.48%增至8.5%，使路面厚度减少约50%并降低近40%的施工成本。这些结果表明，橡胶夹杂在与化学稳定技术结合使用时可能比作为独立增强元件更有效。
4.4.7 环境与实践考量
除力学性能外，环境考量在评估橡胶–土壤复合材料时也起重要作用。多项研究表明，在去除钢丝且橡胶颗粒嵌入土壤基质中时，适当加工的轮胎颗粒带来的环境风险极小。较大橡胶颗粒甚至可通过降低暴露于化学降解的表面面积来减少金属浸出潜力。然而，环境安全性强烈依赖于轮胎材料的加工与制备。钢组分必须在使用前去除，特别是当橡胶置于土工合成材料附近时，暴露钢丝可能刺穿土工织物并损害系统完整性。从设计角度看，橡胶–土壤复合材料的整体性能受多个交互参数支配，包括土壤级配、橡胶粒径、橡胶掺量及施加的荷载条件。实现稳定混合物需要土壤颗粒间充分的颗粒接触以维持承载骨架，同时允许橡胶颗粒贡献增强与能量耗散。
4.4.8 批判性综合
总体而言，文献表明轮胎衍生材料在岩土应用中的效用最大时，其作用应由土壤系统所需功能来定义，而非仅由强度提升衡量。在土–橡胶混合物中，性能受维持有效矿物土壤骨架能力的支配，同时允许橡胶颗粒贡献摩擦抗力、排水、轻质行为或振动阻尼。这使得岩土应用与混凝土有根本区别，因为其响应由颗粒相互作用与堆积控制，而非胶凝基体连续性。在土壤中，橡胶颗粒可改善抗剪阻力、阻尼能力与排水行为，但其有效性强烈依赖于橡胶掺量、粒径、土壤级配及密实状态。大多数研究的有益增强效应通常在相对较低橡胶掺量（通常低于约7–10%）下实现，此时土壤骨架仍处于承载阶段。在更高橡胶掺量下，混合物行为转为由橡胶颗粒的可变形性主导，导致结构稳定性下降。研究结果表明，轮胎衍生材料最适合于轻质行为、排水、振动阻尼或受控变形提供直接设计价值的岩土应用。其使用应受应用特定
