橡膠混凝土抗沖磨性能

亢景付，范 昆

(天津大學(xué)建筑工程學(xué)院濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點實驗室，天津 300072）

我國大部分河流為多泥沙河流，尤以黃河為甚．含沙水流對水工建筑物過流面混凝土的沖磨破壞是水電工程建設(shè)和運行中的一直存在的技術(shù)難題．據(jù)調(diào)查[1]，我國70%左右的大壩泄水建筑物中存在不同程度的沖磨破壞問題，嚴(yán)重者建筑物過流面表層大面積剝蝕破壞．隨著西部大開發(fā)和西電東送發(fā)展戰(zhàn)略的實施，我國已興建和正在興建一批大型高水頭電站，如小灣、龍灘、拉西瓦、糯扎渡等，其泄水建筑物的泄流流速高達(dá)40～50,m/s，對抗沖磨材料的抗裂性、抗沖磨能力均提出了更高的要求．

泄水建筑物過流面沖磨破壞的主要原因是含沙水流的磨損作用、沖擊作用和空蝕作用．如何提高混凝土的抗沖磨能力，國內(nèi)外均有大量研究報道[2-4]，普遍公認(rèn)的看法是，混凝土的抗沖磨性能與抗壓強度密切相關(guān)，主要決定于組成材料的抗沖磨性能，應(yīng)盡量選用高強耐磨骨料，提高骨料在混凝土中的比例；盡量提高水泥石的強度，設(shè)法改善增強水泥石與砂石骨料的黏結(jié)強度．我國水電工程中應(yīng)用比較普遍的硅粉混凝土、真空脫水混凝土和環(huán)氧樹脂砂漿護面等基本上都是基于這種指導(dǎo)思想．近年來，國內(nèi)外有些學(xué)者在研究過程中發(fā)現(xiàn)[5-8]，混凝土的抗沖磨性能和抗壓強度之間并不存在對應(yīng)關(guān)系，但與混凝土的軸心抗拉強度密切相關(guān)，混凝土的抗拉強度越高，其抗沖磨性能越好；抗沖磨性能還與混凝土的韌性密切相關(guān)，韌性越大，混凝土的抗沖磨能力越強，因而出現(xiàn)了鋼纖維混凝土、鋼纖維硅粉混凝土、聚丙烯纖維混凝土等[9-11]．

橡膠混凝土是近年來備受關(guān)注的一種新型混凝土，已有研究表明[12-15]，在混凝土中摻入適量廢舊輪胎橡膠粉，雖然會導(dǎo)致力學(xué)強度的降低，但混凝土的韌性會得到顯著改善，破壞形式由脆性斷裂變?yōu)轫g性破壞，彎曲變形量和極限拉伸值明顯增大．

本文在研究過程中發(fā)現(xiàn)，在抗壓強度相同的情況下，橡膠混凝土的抗拉強度和極限拉伸值均大于基準(zhǔn)混凝土，并且增加幅度隨著橡膠粉用量的增加而增大，當(dāng)橡膠粉體積分?jǐn)?shù)為 12.0%時，抗拉強度提高約20%，極限拉伸值增加約 45%[16]．雖然橡膠混凝土技術(shù)性能研究的文獻(xiàn)已有很多，但關(guān)于橡膠混凝土抗沖磨性能方面的研究卻很少．為此，本文采用《水工混凝土試驗規(guī)程》(DL/T 5150—2001)推薦的試驗方法，對橡膠混凝土的抗沖磨性能進行了探討．

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料

試驗所用水泥為河南孟電集團水泥有限公司P.O-42.5普通硅酸鹽水泥；粗骨料為石灰?guī)r碎石；最大粒徑為 31.5,mm；砂為細(xì)度模數(shù) 2.5的河砂；橡膠粉為廢舊輪胎經(jīng)機械破碎、研磨、除塵、清洗得到的16目(粒徑約為1,mm)橡膠細(xì)顆粒；減水劑為鄭州建科混凝土外加劑有限公司 JKH-3型低引氣高效減水劑．

1.2 混凝土配合比

基準(zhǔn)混凝土的配合比示于表 1．橡膠混凝土的配合比以基準(zhǔn)混凝土為基礎(chǔ)，保持水泥、水和粗骨料用量不變，選擇橡膠粉體積分?jǐn)?shù)分別為 5%、7.5%、10%和15%，采用橡膠粉等體積取代砂的方法確定橡膠粉用量．按照混凝土的坍落度相同(5～7,cm)的原則調(diào)整外加劑用量．橡膠混凝土的橡膠粉、砂和減水劑用量示于表2．

1.3 試驗儀器和試驗方法

根據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》DL/T 5150—2001，用于評價和比較混凝土抗沖磨性能的試驗方法有 3種：①圓環(huán)法，適用于比較各種混凝土(或砂漿)在含砂水流沖刷下的抗沖磨性能；②水下鋼球法，用于測定混凝土表面受水下高速流動介質(zhì)磨損的相對抗力，評價混凝土表面的相對抗磨性能；③風(fēng)砂槍法，適用于研究和評定混凝土及其他材料抵抗高速含砂水流沖刷作用的性能．3種試驗方法各有優(yōu)缺點，但均可用于研究混凝土的抗沖磨性能．

表1 基準(zhǔn)混凝土配合比Tab.1 Mix of control concrete

表2 橡膠混凝土的橡膠粉、砂和減水劑用量Tab.2 Dosage of rubber particles，sand and water reducer in rubberized concrete

本文采用的是圓環(huán)法，沖刷試驗機的外形和結(jié)構(gòu)組成如圖 1所示．電動機轉(zhuǎn)速為 1,430,r/min，葉輪圓周轉(zhuǎn)速為 14.3,m/s；抗沖磨試件為外徑322,mm、內(nèi)徑202,mm、高度60,mm的圓環(huán)；試件的外觀形貌示于圖2．磨損劑為0.50～0.85,mm標(biāo)準(zhǔn)石英砂與水的混合物，每次加入量為砂150,g、水1,000,mL．試件沖磨30,min后停機，取出試件，用水沖洗干凈，擦去表面水分并稱量．然后更換磨損劑，重復(fù)沖磨 3次后按式(1)和式(2)計算混凝土的抗沖磨強度和質(zhì)量磨損率．

圖1 沖刷試驗機外形和結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Appearance and structure of abrasion test machine

圖2 圓環(huán)形試件的外觀形貌Fig.2 Appearance of ring-shape specimen

式中：fa為混凝土的抗沖磨強度，即單位面積上被磨損單位質(zhì)量所需的時間，h/(g/cm2)-1；L為質(zhì)量磨損率，即經(jīng)過 t時間磨損后，磨損掉的質(zhì)量與試件初始質(zhì)量的百分比；t為試驗累計時間，h；ΔM 為經(jīng)過t時間磨損后，試件的累計磨損量，g；M0為試件的初始質(zhì)量；A為試件受沖磨面積，A=380,cm2．

試件成型時，同時成型了 100,mm×100,mm×100,mm立方體試件，用于測定混凝土的抗壓強度．試件成型后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室進行養(yǎng)護，28,d后進行試驗．

2 試驗結(jié)果及分析

橡膠混凝土28 d的抗壓強度和抗沖磨強度試驗結(jié)果如圖3所示，圖4是試件沖磨試驗前后的表觀形態(tài)變化情況，由于沖磨前各組試件的外觀形態(tài)基本相同，這里只給出1個試件結(jié)果作為代表．

從圖3的試驗結(jié)果可以看出，采用橡膠粉等體積代砂方法配制的橡膠混凝土，其立方體抗壓強度隨著橡膠粉體積分?jǐn)?shù)的增加而降低，這與已有研究成果是吻合的．但混凝土的抗沖磨強度卻隨著橡膠粉體積分?jǐn)?shù)的增加而逐漸增大，質(zhì)量磨損率逐漸減?。鶞?zhǔn)混凝土的抗沖磨強度為6.95,h/(g/cm2)-1，當(dāng)橡膠粉體積分?jǐn)?shù)為15.0%時，抗沖磨強度增加到15.0,h/(g/cm2)-1，后者是前者的2.16倍．

沖磨試驗前后試件的外觀形貌變化也證實了橡膠粉對混凝土抗沖磨性能的改善作用．從圖 4可以看出，基準(zhǔn)混凝土(C-0)試件沖磨后，雖然沖磨表面也很光滑，但已有許多石子暴露出來；而 4組橡膠混凝土試件不僅表面光滑平整，而且未見有石子露出．這表明，橡膠粉的加入使混凝土的磨損量減小，對提高混凝土的抗沖磨能力起到了積極作用．

圖3 橡膠混凝土的抗壓強度、抗沖磨強度和質(zhì)量磨損率與橡膠粉體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.3 Relations between compressive strength，abrasion Fig.3 resistance strength，quality lost rate and volume Fig.3 fraction of tire rubber

圖 5是橡膠混凝土較基準(zhǔn)混凝土抗沖磨強度增加的相對倍數(shù)，可以看出，抗沖磨強度與橡膠粉體積分?jǐn)?shù)之間存在良好的對應(yīng)關(guān)系，橡膠粉體積分?jǐn)?shù)越大，混凝土的抗沖磨強度越高，并且從圖 5中還可看出，繼續(xù)增加橡膠粉體積分?jǐn)?shù)，抗沖磨強度還有可能進一步提高．

圖4 沖磨試驗前后試件外觀形態(tài)變化Fig.4 Appearance changes of the specimen before and after abrasion

文獻(xiàn)[17]曾采用水下鋼球法對基準(zhǔn)混凝土、硅粉混凝土和橡膠混凝土進行抗沖磨性能對比試驗，基準(zhǔn)混凝土的水灰比為 0.4，砂率為 0.35，單位用水量160,kg/m3；橡膠混凝土以基準(zhǔn)混凝土為基礎(chǔ)，按外摻法摻入8目橡膠粉，硅粉混凝土也以基準(zhǔn)混凝土為基礎(chǔ)，摻入含 7%水泥(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的硅粉．從抗壓強度的數(shù)值上看，硅粉混凝土的強度最高，基準(zhǔn)混凝土次之，橡膠混凝土最小，并且隨著橡膠粉摻量的增加逐漸減?。欢鴱目箾_磨強度看，基準(zhǔn)混凝土最低，硅粉混凝土高于基準(zhǔn)混凝土，橡膠混凝土又高于硅粉混凝土，并且隨著橡膠粉摻量的增加而增大．與基準(zhǔn)混凝土相比，當(dāng) 8目橡膠粉的摻量為水泥質(zhì)量的 18%時，試件的抗沖磨強度竟提高了 4倍以上，這是已有研究中，任何一種方法都未曾達(dá)到的增強效果．并且，如果繼續(xù)加大橡膠粉用量，混凝土的抗沖磨強度可能會更高．

圖5 橡膠混凝土較基準(zhǔn)混凝土抗沖磨強度增加的相對倍數(shù)Fig.5 Comparison of abrasion resistance between rubberized concrete and control concrete

雖然本文所用的試驗方法與文獻(xiàn)[17]不同(分別為圓環(huán)法和水下鋼球法)，但試驗結(jié)果具有很好的一致性．都證明橡膠混凝土確實具有很好的抗沖磨性能，并且2個試驗都未找到具有最大抗沖磨強度時的最佳橡膠粉用量，有待進一步深入探討．

3 機理分析

混凝土的沖磨破壞是含砂水流的磨損、沖擊和空蝕作用的結(jié)果，在含砂水流沖磨混凝土表面的初期，由于水泥石的強度比骨料低，沖磨破壞力首先將表面的水泥石磨蝕掉，使水泥石部位逐漸磨蝕成凹坑，骨料逐漸凸出．此后，凸出骨料所受的磨蝕力大于凹處的水泥石．凸出骨料除了承受著含沙水流的磨損作用外，還承受高速含砂水流的沖擊作用和空蝕作用，后2種作用使水泥石對骨料的黏結(jié)逐漸受到破壞，發(fā)展到一定程度時，凸出骨料被沖掉，形成沖磨破壞；對于橡膠混凝土而言，當(dāng)初期沖磨結(jié)束后，凸出骨料中不僅有砂粒和石子，還有橡膠粉顆粒．由于橡膠粉顆粒的彈模要比石子和砂粒小幾百倍，對含砂水流的沖擊有很強的能量吸收作用，這種吸收作用使水泥石黏結(jié)破壞的歷程得以顯著延長，因而表現(xiàn)出較高的抗沖磨強度．

本文研究結(jié)果說明了以下2個問題：①從理論上講，混凝土抗沖磨能力的大小并不是簡單地取決于組成材料(砂、石和水泥石)本身的抗沖磨性能和組成材料之間相互結(jié)合的牢固性，而是與混凝土的韌性密切相關(guān)，組成材料對含砂水流沖擊作用的能量吸收起到了更大的作用；②本文的研究結(jié)果對配制高抗沖磨混凝土提出了一條技術(shù)途徑，比如，在硅粉混凝土中摻入適量橡膠粉，既可保證水泥石對骨料和橡膠粉顆粒的黏結(jié)強度，又可發(fā)揮橡膠粉顆粒的能量吸收作用和對混凝土的增韌作用，使之具有更好的抗沖磨性能，這對我國西部大開發(fā)的高水頭電站建設(shè)具有重要理論意義和實用價值．

4 結(jié) 論

(1)在混凝土中摻入適量橡膠粉，雖然會導(dǎo)致抗壓強度的降低，但可改善混凝土的抗沖磨性能，使抗沖磨強度提高，質(zhì)量磨損率降低．

(2)采用橡膠粉等體積代砂方法配制橡膠混凝土，混凝土的抗沖磨強度隨著橡膠粉體積分?jǐn)?shù)的增加而增大，當(dāng)橡膠粉體積分?jǐn)?shù)為 15.0%時，抗沖磨強度為基準(zhǔn)混凝土的2.16倍．

［1］ 李金玉. 水工混凝土耐久性的研究與應(yīng)用[M]. 北京：中國電力出版社，2004.Li Jinyu.Research and Application of Durability in Hydraulic Engineering Concrete[M]. Beijing：China Electric Power Press，2004(in Chinese).

［2］ Liu Yuwen，Yen Tsong，Hsu Tsao-Hua. Abrasion erosion of concrete by water-borne sand[J].Cement and Concrete Research，2006，36(10)：1814-1820.

［3］ Liu Yuwen. Improving the abrasion resistance of hydraulic-concrete containing surface crack by adding silica fume[J].Construction and Building Materials，2007，21(5)：972-977.

［4］ Jiang C H，McCarthy T J，Chen D，et al. Study on the bond and anti-abrasion performance of repair materials for hydraulic concrete[J].Functional Manufacturing Technologies and Ceeusro，2010，426：403-408.

［5］ Horszczaruk E. The model of abrasive wear of concrete in hydraulic structures[J].Wear，2004，256(7)：787-796.

［6］ Atis Cengiz Duran. Abrasion-porosity-strength model for fly ash concrete[J].Journal of Materials in Civil Engineering，2003，15(4)：408-410.

［7］ Horszczaruk E K. Hydro-abrasive erosion of high performance fiber-reinforced concrete[J].Wear，2009，267(1)：110-115.

［8］ Denisov D E，Zhidkov A B，Garabadzhiu A A，et al.Abrasion resistance of refractory concretes and linings[J].Refractories and Industrial Ceramics，2007，48(1)：4-8.

［9］ 楊松玲. 用聚丙烯纖維增強三峽抗沖磨砼的試驗研究[J]. 混凝土與水泥制品，2000(增)：58-60.

Yang Songling. Experiment on using polypropylene fiber to improve abrasion resistance of concrete of Three Gorges [J].China Concerete and Cement Products，2000(Suppl)：58-60(in Chinese).

［10］ Vicky C V，Short N R，Kettle R J. Microstructural investigations into the abrasion resistance of fiberreinforced concrete floors[J].Journal of Materials in Civil Engineering，2008，20(2)：157-168.

［11］ Huang Xibin，Yuan Yinzhong. Mechanism and prediction of material abrasion in high-velocity sediment-laden flow[J].Journal of Hydrodynamics，2006，18(6)：760-764.

［12］ Sukontasukkul Piti，Chaikaew Chalermpho. Properties of concrete pedestrian block mixed with crumb rubber[J].Construction and Building Materials，2006，20(7)：450-457.

［13］ 亢景付，張振利，韓春翠. 等強條件下橡膠粉對碾壓混凝土強度與變形性能的影響[J]. 復(fù)合材料學(xué)報，2009，26(2)：155-159.

Kang Jingfu，Zhang Zhenli，Han Chuncui. Strength and deformation behaviors of roller-compacted rubberized concrete[J].Acta Materiae Compositae Sinica，2009，26(2)：155-159(in Chinese).

［14］ Zheng L，Huo X S，Yuan Y. Experimental investigation on dynamic properties of rubberized concrete[J].Construction and Building Materials，2008，22(5)：939-947.

［15］ Khaloo Ali R，Dehestani M，Rahmatabadi P. Mechanical properties of concrete containing a high volume of tire-rubber particles[J].Waste Management，2008，28(12)：2472-2482.

［16］ Kang Jingfu，Han Chuncui，Zhang Zhenli. Strength and shrinkage behaviors of roller-compacted concrete with rubber additives[J].Materials and Structures，2009，42(8)：1117-1124.

［17］ 李光宇，姚汝芳，馬少軍，膠粉混凝土抗沖耐磨性能試驗研究[J]. 水利水電科技進展，2008，28(增)：58-61.

Li Guangyu，Yao Rufang，Ma Shaojun. Experiment on abrasion resistance of powered rubber concrete[J].Advances in Science and Technology of Water Resources，2008，28(Suppl)：58-61(in Chinese).