废旧轮胎在水利工程中的应用综述

　　摘要：综述了废旧轮胎在水利工程抗冲磨防护、止水、消能防冲、浮式防波堤、岸坡防护等方面的研究成果和应用案例。但国内水利工程中应用废旧轮胎的案例还是较少，因此，有必要借鉴西方发达国家经验，通过立法推动废旧轮胎在工程上的应用、制定废旧轮胎工程应用规范、加强宣传教育和技术培训等途径，促进废旧轮胎在我国水利工程中的应用。

　　关键词：废旧轮胎;水利工程;抗冲磨;消能防冲;浮式防波堤;岸坡防护;

　　Abstract：This paper introduces the research results and application cases of scrap tires in water conservancy projects, such as anti-abrasion protection, water stop, energy dissipation and scour prevention, floating breakwater, bank slope protection, etc. However, there are few cases of using scrap tires in domestic water conservancy projects. Therefore, we should learn from the experience of western developed countries, promote the application of scrap tires in water conservancy projects through legislation, formulate engineering application specifications of scrap tires, strengthen publicity, education and technical training, and so on.

　　Keyword：scrap tires; water conservancy projects; anti-abrasion; energy dissipation and scour prevention; floating breakwater; bank slope protection;

　　1 概述

　　我国汽车保有量随着经济的快速发展而急剧攀升，2012年我国就已超过美国成为世界汽车轮胎第一生产国和消费国[1]。随之而来的是废旧轮胎产出量与日俱增，我国废旧轮胎产出量现已居全球首位。根据中国橡胶工业协会发布的数据显示，我国废旧轮胎产出量，从2014年的1 145万t发展到2019年的1 480万t左右，年均复合增长率约为5.3%;根据商务部发布的数据，2018年我国废轮胎回收量为512万t, 仅占当年废轮胎产生量(约1 450万t)35.3%的比重，还有近2/3的废轮胎未得到有效利用。废旧轮胎不适合掩埋处理，常采用露天堆放方式存储。大量废旧轮胎长期堆积，不仅浪费土地资源形成“黑色污染”,而且对周边的环境卫生及公共安全造成严重威胁。因此，治理废旧轮胎造成的“黑色污染”刻不容缓。中央要求推进绿色发展，推进资源全面节约和循环利用以降低能耗、物耗，这为废旧轮胎治理指明了方向：加快推进对废旧轮胎的循环与资源化利用，从源头上减少资源的消耗和废弃物的排放。

　　废旧轮胎是可以再利用的资源。废旧轮胎资源化利用主要有翻新再利用、再生胶、制胶粉、热裂解等方式[1]。传统的轮胎翻新、机械加工等二次加工通常能耗较大，成本较高，还存在二次污染问题，而直接将废旧轮胎加工作为土建材料应用到工程建设中，不仅可以消纳、处理大量的废旧轮胎，减轻废旧轮胎造成的环境问题，还可降低工程造价。国内讨论废旧轮胎资源化利用的文献少有提及将废旧轮胎应用于工程上，而国外早就开展废旧轮胎在土木工程上的应用研究，并已取得可观的成果。据美国环保署介绍，美国废旧轮胎主要进入轮胎衍生燃料、地面橡胶和土木工程应用3个市场[2],可见把废旧轮胎应用到土木工程上已成为美国废旧轮胎的主要处理方式之一。工程上利用废旧轮胎主要有原形直接利用和原形改制利用两种方式，均可在耗费能源和人工较少的情况下使废旧轮胎物尽其用。原形直接利用是指按废旧轮胎现有形态直接废物利用，如用于码头防撞、堤坝风浪冲刷防护、公路交通路标、漂浮灯塔、游乐用具等，但使用量很少。原形改制利用是指通过裁剪、冲切等方式对废旧轮胎加以改造利用，是废旧轮胎在土木工程中应用的主要方式。国外废旧轮胎在土木工程中的应用主要集中在道路工程领域。我国是水利大国，将废旧轮胎应用于水利工程大有可为，而且废旧轮胎在水利工程上的应用也早已有之。本文将主要介绍废旧轮胎在水利工程中的应用情况和研究成果以及尚待解决的问题，以期促进废旧轮胎在水利工程中的应用。

　　2 废旧轮胎在水利工程直接利用的可行性

　　2.1 轮胎的结构组成和性质

　　轮胎由硫化橡胶制成，包括加强的纺织网线、高强度钢带或纤维筋带及用于加强胎边的高强度钢丝，胎的侧边由不易变形覆盖橡胶的钢丝片或编织物组成。轮胎具有如下性质[3]:① 强度高，轮胎由橡胶和加筋材料制成，强度较高；② 抗腐蚀性强，硫化橡胶抗腐蚀性强，在一般酸性环境中(pH=4～5)可以忽略腐蚀作用；③ 耐火性差，橡胶是比较容易着火的材料，在直接利用废旧轮胎时要注意避免火灾；④ 具有很好的弹性和韧性；⑤ 具有高摩擦性；⑥ 质量轻，可用作轻质填料。在耐久性上，废轮胎性质稳定，可在自然环境中长久存在，原形胎可超过100 a以上不发生腐烂分解。

　　2.2 废旧轮胎应用于水利工程的环境评价

　　废旧轮胎应用于水利工程的主要环境问题是轮胎中的有害物质是否会浸出污染环境。文献[3]给出20世纪90年代发表的一些轮胎碎片的浸出试验结果(见表1),可知废旧轮胎应用于水利工程对环境的影响较小。废轮胎经TCLP测试，轮胎块不属于有害废弃物，使用于土木工程不会对土体产生污染。

表1 轮胎浸出试验结果

　　3 废旧轮胎在水利工程中的应用

　　3.1 废旧轮胎用于抗冲磨防护

　　冲击磨损破坏是水工泄水建筑物的常见问题，调查发现近70%大型水电工程在运行过程中存在冲磨破坏现象[4],此类破坏会导致水工建筑物过流面表层材料剥落、配筋外露，影响泄水建筑物的正常运行，如不进行防护，建筑物将会遭到破坏，甚至导致工程失事。因此，对于抗冲磨材料的研究一直是水工泄水建筑物抗冲磨研究的重点，而冲磨破坏修复则是水工建筑物加固工程中频次最高的工作内容之一。

　　工程上常用抗冲磨混凝土为硅粉混凝土、纤维混凝土和HF混凝土等，特点均是“以硬碰硬”,不能有效解决泄水建筑物的抗冲磨问题[5,6]。因此有学者提出“以柔克刚”的思路来解决高速水流携带推移质对水工泄水建筑物的冲击及磨损：通过在泄水建筑物过流面设置柔性保护层吸收推移质沙石的冲击能量，达到抗冲磨破损的目的。废旧轮胎具有高弹性、良好的耐磨性和耐屈挠性等特性，是合适的柔性保护层。在高速水流带动下的石块对建筑物的撞击破坏力极强，而废旧轮胎受到撞击时会产生变形，使得接触面积增大，可达到分散应力以保护建筑物的效果。据王文学[7]介绍，早在1988年就已对金沟河电站冲沙闸后底板采用废旧轮胎作抗冲磨保护层试验，发现废旧轮胎比其它护面材料防护效果更好，维修方便，且造价低，使用时间长，是一种经济实用的抗冲耐磨材料。据崔智[8]介绍，新疆阿克苏河协合拉引水枢纽汛期洪峰流量大且携带大量推移质，对泄洪闸底板和闸下陡坡磨损严重，采用各种方法进行维修，效果均不理想；最后采用废旧轮胎作为防冲抗磨材料，取得良好效果。

　　虽然废旧轮胎应用于水工泄水建筑物抗冲磨防护已有多个成功案例，证明废旧轮胎是良好的抗冲磨材料，但还应认识到正确的设计对保证抗冲磨效果很关键。李学红[9]介绍了尼雅河八一八渠首应用废旧轮胎进行抗冲磨设计的教训和经验：2006年5月主体工程完工，7月尼雅河发生洪水，洪水携带大量推移质，造成已建好的抗磨轮胎条全部被冲毁；根据现场破坏情况分析，发现原设计存在轮胎条宽度偏大，胎面不平，顺水流方向搭接长度偏小等缺陷，改进设计加固后运行效果良好。

　　闸门止水多用橡胶带，容易受到水力冲击、泥沙摩擦、树枝杂物擦刮、冰冻等而造成损坏漏水。废旧轮胎比现有的橡胶止水带更耐磨持久，且价格低廉，可替代橡胶止水。据赵春林[10]介绍：汾河灌区的3处拦河闸一直采用橡胶带止水，但使用不到1 a就会出现漏水现象，屡修屡坏；后来采用废旧轮胎(尼龙胎)去两边取中间制作止水带；在汛期水沙冲击、杂物乱刮情况下，废旧轮胎止水带没有损坏，效果远超正品橡胶止水。

　　3.2 废旧轮胎用于闸下消能防冲

　　通过对全国病险水闸的调查发现，3 764座大中型水闸中就有42.3%的水闸闸下游消能防冲设施严重损坏[11],可见闸下冲刷破坏普遍存在。闸下冲刷破坏的原因很多，其中海漫未能充分发挥其进一步消能、调整流速分布以减小或防止下游的冲刷作用，是重要原因之一。为实现增加糙率降低近底流速的目的，牟献友等[12]提出用废旧轮胎制作海漫表面的加糙体。室内水工模型试验表明，废旧轮胎加糙可降低50%的近底流速。1998—2000年，牟献友等[12]对内蒙古河套灌区3个设计流量分别为38 m3/s、26 m3/s、15 m3/s的水闸做了利用废旧轮胎加糙海漫的原型试验，轮胎直径取1/3设计水深；试验表明，轮胎加糙海漫的消能减冲效果明显，表现为3个水闸的冲坑深度从海漫加糙前的3.3 m、4.5 m、4.4 m分别回淤到1.1 m、1.2 m、0.7 m, 平均减少75.7%,冲坑面积平均减少19.3%。

　　废旧轮胎的消能效果与水流冲击力使轮胎产生振动有关，在轮胎反复振动过程中，阻尼作用消耗部分水流能量。废旧轮胎既有之凹痕、孔洞也有助于消减水流之能量。因此，在不改变水闸工程原有其它消能设施的情况下，只在海漫段布设废旧轮胎，就可以有效降低近底流速，减轻闸下冲刷，且取材方便、造价低廉。

　　3.3 废旧轮胎用于浮式防波堤

　　防波堤是常见的港口、海岸工程结构，主要用于防御外海传来的波浪。与固定式防波堤相比，浮式防波堤具有移动性、临时机动性、可重复使用、不受水深和地质条件限制、不影响水流和泥沙的运动条件等优点，且结构简单、造价低。浮式防波堤通常由消波浮体和锚泊系统组成的防浪设施组成。其消波原理是利用浮体在水中上下浮动和左右摆动来干扰波浪的水质点运动，从而阻止波浪传播或使波浪破碎，以达到消减波能的目的。

　　20世纪60年代末美国就已开始废旧轮胎用于浮式防波堤的研究[13]:1968年美国陆军工程水道实验站在Vicksburg做了Wave-Maze型废旧轮胎浮式防波堤现场试验；1978年Giles等人做了全相似的Goodyear型废旧轮胎浮式防波堤试验研究；1982年Harms等人做了全相似的Wave-Guard型废旧轮胎浮式防波堤试验研究，并陆续应用到实际工程中。国内对于废旧轮胎浮式防波堤的研究起步较晚：2002年吴维登等[14]做了钢管—轮胎浮式防波堤室内模型试验，探究其影响消浪效果的几个影响因素，提出一种新的钢管轮胎浮式结构，可使波高传递系数最低达0.22;2010年张余等[13]研究了废旧轮胎浮式防波堤结构衰减波能量的机理，认为其结构消浪性能的主要影响参数是浮堤的相对宽度，透射系数随着相对宽度的增加而减小，而锚链刚度和锚链拖地长度对透射系数的影响不明显；2016年金涛等[15]通过物理模型试验研究半潜式废旧轮胎结构在规则波作用下的消浪特性，分析了透射系数随宽度、吃水、水平净间距等因素的变化规律；2018年祁隆等[16]通过物理模型试验对多层废旧轮胎半潜式防波堤的消浪性能及其影响因素进行研究，发现多层废旧轮胎半潜式防波堤的消浪性能主要受模型层数、相对潜水深度、波高和周期的影响。目前国内对废旧轮胎浮式防波堤的研究还是以室内试验研究为主，少见工程应用实例介绍。只搜索到2002年我国在连云港港口旗台山海域建成首条废旧轮胎浮式防波堤的报道。据报道[17],防波堤全长1 km, 通过锚链把作为消波浮体的两排直径90 cm的废旧轮胎与10 t钢筋混凝土块锚定物连接起来；具有造价低、可移动拆装、不影响水体交换等优点。

　　3.4 废旧轮胎用于岸坡防护

　　废旧轮胎用于边坡防护早已有之。美国加利福尼亚州自1973年以来一直利用废旧轮胎加固土质路堤边坡[18]。我国虽然起步较晚，现在大面积护坡复绿中也开始使用废旧轮胎。通常将废旧轮胎沿着坡面逐一铺设，再将各单体废旧轮胎用诸如钢绞线等防腐性好的材料绑紧连接起来，形成覆盖于坡面的整体柔性结构，然后根据需要在轮胎空隙处填入碎石或砂土，压实后在表面铺一层种植土种草绿化。这种护坡方案具有变废为宝、节约投资、增强边坡表层抗冲刷能力、改善边坡自然生态系统等效果。

　　陈丕虎等[19]2008年4—5月在金堤河历年波浪冲刷坍塌最严重的堤段进行废旧轮胎植草护坡试验，护坡经受了2008年秋季洪水考验，坡面完好无损，但护坡下部深水区植被淹死。试验表明废旧轮胎应用于河岸堤防护坡是可行的，但应根据受淹情况选择合适的草种。刘大鹏[20]介绍了废旧轮胎护岸在长春市莲花山受损河道的近自然生态修复实践中的应用情况，轮胎、木桩和块石起到安全防护作用，而之间的空隙则为动植物提供生存空间。

　　吴颖等[21]针对北方寒冷地区混凝土衬砌防渗渠道冻胀破坏严重情况，研究利用废旧轮胎作为渠道柔性防冻胀破坏保护层，数值模拟结果表明废旧轮胎柔性防护结构抗冻胀效果良好。利用废旧轮胎作为渠道柔性防冻胀保护层还具有生态性好、节约工程投资等优点。

　　3.5 废旧轮胎在水利工程的其他应用

　　3.5.1 废旧轮胎整胎利用于堤坝建设

　　上世纪90年代美国开始将废旧轮胎与钢筋混凝土结合，用于加固防洪堤坝，效果显着。美国苏卡尔建筑有限公司设计的以塞满土的整胎堆叠形成的胎面挡土墙，预期寿命100 a, 可用于堤坝和道路建设[22]。废旧轮胎挡土墙的构造性质与重力式挡土墙相近，可参考重力式挡土墙进行稳定计算。

　　2000年在我国台湾云林金湖港利用废旧轮胎组合单元以钢筋及尼龙绳结合并灌入混凝土兴建3座固定式防波堤，林至聪等[22]从防波堤的废旧轮胎组合单元材料特性、施工程序、稳定性分析及经济分析做了多方面的探讨，证实了废旧轮胎应用于传统固定式防波堤的可行性。经济分析发现废旧轮胎修建的固定式防波堤比一般固定式防波堤约节省1/4投资；对已建3座实验堤工程的监测发现除中央堤心部分稍有沉陷外，堤身整体稳定，满足其功能要求，且对环境无不良影响[23]。

　　3.5.2 废旧轮胎碎片用作轻质填料

　　废旧轮胎碎片具有质轻、耐用、弹性和透水性好等特点，因此可作为轻质填料使用。轮胎碎片与砂土混合使用，可有效减少路基不均匀沉降。研究表明：含40%碎屑的橡胶砂混合料用作路堤的轻质填料，具有明显的技术、经济和环境效益。在美国已广泛应用于道路工程建设中[18]。美国休斯敦市的研究表明，轮胎碎屑混合料作沥青混凝土路面基层，可节省22%材料费[18]。轮胎碎片与不同土体混合作为轻质土工材料，能够很好地改善土体强度、弹性性能、压缩性能。轮胎碎片的掺入在剪切面之间发挥了其本身固有的特性，增加了混合体的抗剪强度。因此，废旧轮胎碎片混合砂土完全可用作非防渗段水工挡土墙的轻质填料。

　　3.5.3 废旧轮胎条带用作土工加筋材料

　　废旧轮胎条带可作为土工加筋材料，其原理与土工合成材料加筋类似。废旧轮胎条带加筋在国际上已有较多的应用实例，但目前国内还是以室内试验研究为主，少见工程应用实例报道。李晓亮等[24]通过调整砂土不同密实度，对轮胎条带和土工格栅拉拔特性试验进行对比研究，发现轮胎条带的剪应力峰值约为土工格栅的2.5～3.2倍；达到剪应力峰值所需要的位移约为土工格栅的5倍。研究成果验证了废旧轮胎条带作为土工加筋材料的可行性。李丽华等[25]在对废旧轮胎和相应填土材料进行物理力学指标测试分析的基础上，对轮胎条带加固岸堤的效果以及加筋参数的影响进行了分析，发现：轮胎条带加筋后，岸堤位移峰值明显减小，且加筋层数越多，位移减小越明显；轮胎条带加筋对于减少岸堤肩部、临空面底部拉应力有较明显的作用，且随着加筋层数的增加，对拉应力的抑制作用减弱；在轮胎条间距不变的前提下，顶层轮胎条距离岸堤顶部越远，岸堤最大位移量越大，但是对岸堤最大拉应力值有较好的抑制作用。

　　4 借鉴发达国家经验，促进废旧轮胎在工程中的应用

　　当前，对废旧材料的处理与再利用已成了研究热点。轮胎具有强度高、抗腐蚀性强、弹性和韧性好、摩擦性高、质量轻、耐久性好等性质，而且对环境的影响小，因此，可把废旧轮胎应用到土木工程上。我国是水利大国，开展废旧轮胎在水利工程中的应用与研究，既能解决大量废旧轮胎堆积存在的环保问题，又能节约水利工程投资。但国内废旧轮胎应用到水利工程中的案例还是较少。可见，要促进我国废旧轮胎在水利工程中的应用，还有不少尚待解决的问题，西方发达国家的以下做法值得我国借鉴。

　　1) 通过立法推动废旧轮胎在公共工程上的应用。从20世纪90年代开始，以美国为首的西方国家以立法形式，鼓励或强制在道路建设中使用废旧轮胎胶粉。如美国国会于1991年通过的《陆上综合运输经济法案(ISTEA)》就明文规定，从1994年起凡用联邦拨款采购热拌沥青混合料的，其中5%的拨款必须用来采购废旧轮胎胶粉改性沥青，以后每年递增5%,到1997年增加到20%。该法案出台后，从根本上推进了胶粉在美国公路建设中的应用。到20世纪末，全美国铺设的胶粉改性沥青路面已超过11 000 km[26]。此外，美国加州政府制定了“废旧轮胎回收管理五年计划”,优先目标是为橡胶沥青混凝土、土木工程应用中的轮胎衍生材料、地面橡胶产品以及轮胎衍生产品的开发等提供良好的市场基础设施，这对于废旧轮胎处置很重要[2]。

　　2) 制定废旧轮胎工程应用规范或在已有规范中补充废旧轮胎应用的相关内容。在总结20多年来诸多学者开辟废旧轮胎利用新途径的重要成果基础上，美国于1998年批准实施了《废旧轮胎在土木工程中的应用标准》(ASTM D6270-98)。该批准的实施，对于废旧轮胎在美国土木工程中的应用起到重要推动作用。此后，根据废旧轮胎在工程中的应用情况及最新研究进展，不断对该标准进行改进更新，2012年发布D6270-08版，2018年发布D6270-17版，2020年9月发布最新版本D6270-20。我国工程界一直存在依赖规范的习惯，废旧轮胎在水利工程中的应用案例很少与规范中缺乏相应的规定有很大关系，大部分设计人员因为规范中没有规定而不敢使用。考虑到我国技术规范的权威性，应及时在规范修编时补充废旧轮胎工程应用的内容或专门针对废旧轮胎在工程中的应用编制新的技术规范，这样才有利于废旧轮胎推广应用到工程上。

　　3) 加强宣传教育和技术培训。在美国，废旧轮胎之所以在土木工程中得到广泛应用，除了立法的推动和标准的实施，还有遍及全国的一系列教育和技术培训班使得废旧轮胎在土木工程中的应用技术引起更多的工程师及公用设施方面的官员的注意[27]。我国主管单位及行业相关人员大多对废旧轮胎性质及其应用方式均不熟悉，以至于废旧轮胎无法在工程中得到推广应用，因此有必要加强废旧轮胎应用到工程建设中的宣传教育和技术培训。

　　5 结语

　　坚持节约资源和保护环境是我国的基本国策。我国废旧轮胎存量巨大，已成为一个严重的环境问题，这一问题已引起国家的高度重视。早在2006年，《国家中长期科学和技术发展规划纲要》已将综合治污与废弃物循环利用列为重点领域优先主题。废旧轮胎的资源化利用也已列入国家战略性新兴产业发展规划，属于“重要资源循环利用重点工程”。同时，有关部门也制定了废旧轮胎回收利用的重大实施方案，但对废旧轮胎的资源化利用还是主要集中在废旧轮胎再生胶和胶粉上，忽视了废旧轮胎在工程建设中的资源化利用。废旧轮胎的回收利用不应仅为汽车行业和环保部门所关注，还应该引起其他领域和行业的重视。轮胎具有强度高、抗腐蚀性强、弹性和韧性好、摩擦性高、质量轻、耐久性好等性质，是一种优良的土建材料，因此，废旧轮胎可广泛应用到工程建设上。传统的废旧轮胎资源化利用技术能耗较大，成本较高，往往还存在二次污染问题，而直接将废旧轮胎加工作为土建材料应用到工程建设中，不仅可以消纳、处理大量的废旧轮胎，减轻废旧轮胎造成的环境问题，还可降低工程造价、节约资源，具有很好的环境、技术和经济效益。将废旧轮胎在工程建设中资源化利用也是贯彻“绿水青山就是金山银山”的绿色发展理念，对推动节能减排和生态文明建设，实现绿色低碳循环的健康发展具有重要意义。

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