橡膠混凝土抗沖磨性能試驗研究

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(1.河南省水利科學(xué)研究院 河南省水利工程安全技術(shù)重點實驗室，鄭州　450003；2.鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，鄭州　450003)

1　研究背景

含沙水流對泄水建筑物過流面混凝土的沖磨破壞是一種常見病害，如何有效防治一直是工程技術(shù)人員關(guān)注的重點問題。目前，為提高混凝土的抗沖磨性能常采用以下方法：提高混凝土組成材料本身的性能，如選擇耐磨性能良好的骨料配制的鐵砂混凝土和鑄石混凝土；在混凝土中摻加一些活性摻合料及外加劑來改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如摻合硅粉[1-2]和HF粉煤灰[3]；在混凝土中摻入纖維材料，抑制混凝土中裂縫的擴展，如摻鋼纖維[4]和聚丙烯纖維[5]；通過化學(xué)途徑將高分子材料摻入混凝土中或者在混凝土表面涂上一層耐磨性能好的化學(xué)涂層，如環(huán)氧樹脂砂漿[6]和聚脲彈性體[7]；改進混凝土的施工工藝，使混凝土表面比較密實平整，如采用真空施工工藝和滑塊模板施工工藝。即使如此，混凝土的沖磨破壞問題仍沒有得到完全解決。特別是近年來隨著水電事業(yè)的發(fā)展，我國正在興建一批大型高水頭大壩，泄水流速高達50 m/s以上，這對抗沖磨混凝土又提出了更高的要求。

橡膠混凝土是將橡膠顆粒作為組成材料，按照一定的原則摻入混凝土而制成的一種新型混凝土材料，最早由美國俄勒岡州立大學(xué)Eldin教授于1993年開始研究。與普通混凝土相比，橡膠混凝土具有韌性高、抗裂性和耐久性好的優(yōu)點[8-11]，目前已在道橋領(lǐng)域作為罩面抗磨材料進行了研究和應(yīng)用，取得了理想的效果。初步的研究表明，橡膠顆粒在混凝土中作為細(xì)小的料群起著類似“彈性中心”的作用，能夠吸收和減小體系中的應(yīng)力，約束微觀裂紋發(fā)展，使得橡膠混凝土具有較高的抗沖磨性能[12-13]。但橡膠混凝土在高速水流的作用下，是否仍具有較好的抗沖磨性能，需要進行深入研究?；诖?，本文對橡膠混凝土的抗水沖磨性能開展研究，為應(yīng)對水工混凝土的沖磨破壞問題提供一種新材料和新方法。

2　試驗方法

2.1　試驗原材料

水泥選用河南孟電集團水泥有限公司生產(chǎn)的復(fù)合硅酸鹽水泥P.C42.5；細(xì)骨料選用河砂，細(xì)度模數(shù)為2.65，表觀密度為2 500 kg/m3；粗骨料選用碎石，粒徑為5～20 mm，表觀密度為2 732 kg/m3；橡膠顆粒采用60目(約0.25 mm)、1～3 mm和3～6 mm 3種粒徑，表觀密度為1 119 kg/m3；拌合用水為井水。

2.2　混凝土配合比

基準(zhǔn)混凝土的強度等級分為C40和C50，在此基礎(chǔ)上保持水泥、水、石子的用量不變，橡膠顆粒按等體積取代部分砂，配制成橡膠混凝土，橡膠顆粒摻量有5%，10%，15%，20%，25%，30%(砂總體積的百分比)，具體配合比見表1和表2。

表1　C40基準(zhǔn)混凝土和橡膠混凝土配合比

注：C40-JZ表示C40基準(zhǔn)混凝土；C40-RC表示以C40為基準(zhǔn)的橡膠混凝土

表2　C50基準(zhǔn)混凝土和橡膠混凝土配合比

注：C50-JZ表示C50基準(zhǔn)混凝土；C50-RC表示以C50為基準(zhǔn)的橡膠混凝土

2.3　試驗標(biāo)準(zhǔn)和試驗方法

試件制作、養(yǎng)護和性能試驗依據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》(DL/T 5150—2001)中的方法。每組6個150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件和3個直徑300 mm、高100 mm的圓盤試件，分別用于測定混凝土的抗壓強度、劈拉強度和抗沖磨強度。

抗沖磨試驗采用水下鋼球法，試驗儀器的葉輪轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，相對應(yīng)的混凝土表面的水流速度約為1.8 m/s。試驗前，試件在水中浸泡48 h。試驗時取出試件擦干表面水分稱量，然后將試件放入儀器中，在鋼筒內(nèi)放入70個大小不等的研磨鋼球于試件表面，并加水至水面高出試件表面165 mm。由葉輪帶動水流，水流帶動鋼球沖磨試件表面72 h，最后取出試件，清洗干凈，擦去表面水分，稱量，計算試件的抗沖磨強度及磨損率。

抗沖磨強度按式(1)計算，即

(1)

式中：fa為抗沖磨強度，即單位面積上被磨損單位質(zhì)量所需的時間(h/(kg/m2))；T為試驗累計時間(h)；A為試件受沖磨面積(m2)；ΔM為經(jīng)T時段沖磨后試件損失的累計質(zhì)量(kg)。

磨損率按式(2)計算，即

(2)

式中：L為磨損率(%)；M0為試驗前試件質(zhì)量(kg)；MT為試驗后試件質(zhì)量(kg)。

3　橡膠顆粒對抗沖磨強度的影響

C40基準(zhǔn)混凝土(橡膠顆粒摻量為0，下同)28 d抗壓強度達到45 MPa，劈拉強度達到4.4 MPa(見圖1)。橡膠顆粒摻入混凝土后，抗壓強度和劈拉強度隨著摻量的增加近似直線下降，當(dāng)橡膠摻量為30%時，抗壓強度和劈拉強度分別只有24 MPa和2.7 MPa；橡膠顆粒粒徑越小，混凝土的抗壓強度和劈拉強度也越小。

圖1　各橡膠顆粒粒徑的橡膠混凝土抗壓強度及 劈拉強度隨橡膠摻量變化

圖2　橡膠混凝土抗沖磨強度隨橡膠摻量的變化

與抗壓強度相反，橡膠混凝土的抗沖磨強度隨橡膠摻量的增加而提高(見圖2)：基準(zhǔn)混凝土的抗沖磨強度只有4.26 h/(kg/m2)，除了摻加60目橡膠顆粒的混凝土抗沖磨強度沒有明顯變化外，摻加1～3 mm和3～6 mm橡膠顆粒的混凝土，抗沖磨強度隨著橡膠顆粒摻量的增加而大幅提高，橡膠顆粒摻量30%時，抗沖磨強度分別達到了45.02 h/(kg/m2)和39.28 h/(kg/m2)，分別是基準(zhǔn)混凝土的10.57倍和9.22倍。值得注意的是，橡膠顆粒摻量為25%～30%時，混凝土的抗沖磨強度趨于穩(wěn)定，說明橡膠顆粒對混凝土抗沖磨強度的提高存在最大摻量。

可見，橡膠混凝土的抗沖磨強度與抗壓強度之間并不存在正相關(guān)關(guān)系，因此橡膠混凝土的抗沖磨機理和普通混凝土以及其他抗沖磨混凝土材料的抗沖磨機理應(yīng)有所不同。

就普通混凝土而言(見圖3)，由于水泥石的強度比骨料低，在混凝土沖磨過程中會首先被沖磨掉，進而骨料逐漸凸出，然后，凸出的骨料因其所受到的沖磨力大于周邊凹處的水泥石而被逐漸磨平，如此反復(fù)。

圖3　基準(zhǔn)(普通)混凝土沖磨后狀態(tài)

對橡膠混凝土來說，混凝土表面的水泥石被沖磨掉以后，裸露出來的不僅有混凝土的骨料，還有橡膠顆粒(見圖4)。由于橡膠顆粒的韌性要比砂子和石子大很多，對沖磨能量有很強的吸收作用，在一定程度上延緩了水泥石的破壞。隨著沖磨程度的發(fā)展，橡膠顆粒周圍的水泥石被沖磨掉后，橡膠顆粒脫落，水泥石會被再沖掉一層，新的橡膠顆粒又會裸露出來，對水泥石再次形成保護作用。這樣往復(fù)循環(huán)，橡膠混凝土的抗沖磨性能顯著提高，而且表面比較平整(見圖5)。也正是因為這個原因，在相同時間內(nèi)，橡膠混凝土被沖磨掉的質(zhì)量比基準(zhǔn)混凝土小，磨損率小，且隨著橡膠摻量的增加而降低，在30%摻量時趨于穩(wěn)定(見圖6)。

圖4　不同粒徑橡膠混凝土沖磨后表面形態(tài)

圖5　摻加15%、1～3 mm橡膠顆粒的混凝土 沖磨后表面形態(tài)

圖6　橡膠混凝土磨損率隨橡膠摻量的變化

橡膠顆粒的摻量越大，被沖磨的混凝土表層橡膠顆粒也越多，對沖磨能量的吸收作用就越強；但同時，橡膠顆粒的摻量越大，橡膠混凝土的強度也越低，水泥石對橡膠顆粒的黏結(jié)固結(jié)作用就越小，橡膠顆粒會很容易被沖磨掉而降低其對水泥石的保護作用。因此，橡膠顆粒對混凝土抗沖磨強度的提高存在最大摻量。

當(dāng)摻加的橡膠顆粒較小時，橡膠混凝土強度也較小，使得水泥石對橡膠顆粒的黏結(jié)固結(jié)作用小，橡膠顆粒很容易被沖磨掉而失去其對水泥石的保護作用。因此，摻加60目橡膠顆粒的混凝土抗沖磨強度沒有明顯提高(見圖7)。

圖7　摻加15%、60目橡膠顆粒的混凝土沖磨后 表面形態(tài)

4　改性方法對抗沖磨強度的影響

橡膠顆粒改性處理方式采用水洗、NaOH溶液處理、KH570處理、NaOH溶液和KH570復(fù)合處理這4個步驟，具體處理方式如下。

(1)水洗：將橡膠顆粒用清水沖洗干凈(一般沖洗5遍)，晾干后備用。

(2)NaOH溶液處理：將橡膠顆粒浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的NaOH溶液里，充分?jǐn)嚢韬箪o置24 h，然后用清水將橡膠顆粒清洗干凈，沖洗到橡膠表面基本上沒有NaOH殘留(一般沖洗至pH=7)，晾干后備用。

(3)KH570處理：先將橡膠顆粒按步驟(1)水洗，晾干，然后取橡膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的KH570溶劑，用適量的無水乙醇稀釋后，拌合橡膠顆粒，使橡膠顆粒充分浸濕，晾干后備用。

(4)NaOH溶液和KH570復(fù)合處理：按上述步驟(2)，先用NaOH溶液處理，晾干后，再按照上述步驟(3)用KH570處理，晾干后備用。

橡膠顆粒經(jīng)過改性處理之后，改性橡膠混凝土的抗壓強度和劈拉強度與普通橡膠混凝土(JRC，下同)相比有不同程度的提高(見圖8)，其中KH570改性處理的和NaOH溶液與KH570復(fù)合改性處理的結(jié)果相對較好。對于摻加3～6 mm橡膠顆粒的橡膠混凝土來說，抗壓強度分別提高了8.4%和7.4%，劈拉強度分別提高了6.7%和5.5%；對于摻加1～3 mm橡膠顆粒的橡膠混凝土來說，抗壓強度分別提高了3.8%和6.0%，劈拉強度分別提高了0.8%和5.0%；對于摻加60目橡膠顆粒的橡膠混凝土來說，抗壓強度分別提高了0.8%和0.8%，劈拉強度分別提高了1.6%和1.0%。大橡膠顆粒的改性效果要優(yōu)于小橡膠顆粒。

圖8　不同改性處理后橡膠混凝土的抗壓強度和 劈拉強度

水洗橡膠顆?？梢园驯砻娴奶己谝约捌渌母街锴逑吹簦瑥亩_到提高橡膠顆粒與水泥石的粘結(jié)強度，但提高能力有限；NaOH溶液處理能夠溶解橡膠顆粒表面的硬脂酸鋅，從而改善橡膠顆粒與水泥基體的黏結(jié)性能[14]；KH570是一種具有親無機物和親有機物2種基團的硅烷偶聯(lián)劑，能夠增強橡膠顆粒與水泥砂的界面粘結(jié)強度[15]；NaOH溶液和KH570復(fù)合改性結(jié)合了NaOH溶液處理和KH570處理的優(yōu)點，改善了橡膠顆粒與水泥石的黏結(jié)性能。

圖9　抗沖磨強度隨不同改性劑處理的變化

水洗、NaOH溶液、KH570、NaOH溶液與KH570復(fù)合處理橡膠顆粒后，與未改性處理相比，橡膠混凝土的抗沖磨強度均有不同程度的提高(見圖9)。摻加3～6 mm橡膠顆粒的混凝土分別提高了5%，41%，36%，52%；摻加1～3 mm橡膠顆粒的混凝土分別提高了4%，11%，45%，60%；摻加60目橡膠顆粒的混凝土抗沖磨強度略有提高，效果不明顯。同種改性劑對大橡膠顆粒的改性效果最好，小橡膠顆粒的次之。從提高幅度來看，改性處理對抗沖磨強度的提高要遠(yuǎn)高于對抗壓強度的提高。

橡膠顆粒經(jīng)過改性處理之后，能改善橡膠顆粒與水泥石的黏結(jié)性能，使橡膠顆粒不易被高速水流沖磨掉，這樣就會對水泥石和骨料形成更長時間的保護作用，使得橡膠混凝土抗沖磨性能提高。

表3　C40橡膠混凝土(摻加3～6 mm橡膠顆粒)與C50基準(zhǔn)混凝土性能與價格對比

5　抗沖磨橡膠混凝土的優(yōu)選

由于60目的橡膠顆粒無論是改性處理還是不改性處理，以及摻量多少，均不能明顯提高混凝土抗沖磨性能，故在優(yōu)選時舍去60目橡膠顆粒，只對摻加1～3 mm和3～6 mm橡膠顆粒的橡膠混凝土進行優(yōu)選。

優(yōu)選出來的抗沖磨橡膠混凝土至少應(yīng)該具有3個特點：①拌合物具有良好的工作性能；②較高的抗沖磨性能；③經(jīng)濟合理。

5.1　從拌合物工作性能方面比較

摻加1～3 mm和3～6 mm橡膠顆粒的混凝土隨摻量的增加，坍落度也逐漸增加(見圖10)，但混凝土的黏聚性和保水性隨著摻量的增加而降低，故為了保證混凝土拌合物的和易性，橡膠的摻量不能過大。

圖10　混凝土坍落度與橡膠顆粒摻量的關(guān)系

5.2　抗沖磨性能方面

摻加3～6 mm橡膠顆粒的橡膠混凝土抗壓強度較低，但抗沖磨強度要比C50基準(zhǔn)混凝土大(見表3)：摻量10%時，抗沖磨強度是C50基準(zhǔn)混凝土的1.48倍；橡膠摻量增大，抗沖磨強度增大，摻量30%時，抗沖磨強度是C50基準(zhǔn)混凝土的4.5倍。因此，采用橡膠混凝土作為抗沖磨混凝土材料具有低強度、高抗沖磨強度的特性。

5.3　經(jīng)濟合理

如表3所示C50基準(zhǔn)混凝土材料和C40橡膠混凝土材料單位用量中，水泥(按0.3元/kg計)和橡膠顆粒(按2.6元/kg計)的價格較高，其他材料價格遠(yuǎn)小于水泥和橡膠顆粒，在計算不同配合比價格差時只計算水泥和橡膠顆粒的價格差，忽略其他材料的價格差。

C40橡膠混凝土的橡膠顆粒摻量為10%時，1 m3混凝土的價格比C50基準(zhǔn)混凝土增加36.24元，但抗沖磨強度提高了47.9%，隨著橡膠摻量的增加，價格也在增加，抗沖磨強度提高的幅度也越大，平均每提高1倍，1 m3混凝土的價格增加52元。C40橡膠混凝土雖然單位價格比C50基準(zhǔn)混凝土高，但抗沖磨強度的提高延長了混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，節(jié)省了后期維修加固費用，綜合考慮C40橡膠混凝土要比C50基準(zhǔn)混凝土具有更高的性價比。

綜上認(rèn)為，抗沖磨橡膠混凝土最優(yōu)的橡膠顆粒摻量應(yīng)在10%～15%之間，此時拌合物和易性好，抗沖磨性能高，綜合成本低。

6　抗沖磨橡膠混凝土原型試驗

6.1　橡膠混凝土種類

為了在實際工程中驗證橡膠混凝土的抗沖磨性能，在河南一大(2)型水庫泄洪洞出口進行了原型試驗。泄洪洞最大泄流量1 956.77 m3/s，在設(shè)計(校核)水位下，洞內(nèi)水流流速均>30 m/s，最高水流流速達到36.5 m/s。

應(yīng)工程管理單位要求，原型試驗所用混凝土為本文的C50改性橡膠混凝土，摻加1～3 mm和3～6 mm橡膠顆粒，摻量為10%，4種改性方法，共8種改性橡膠混凝土，具體見表4所示。

表4　原型試驗橡膠混凝土種類

注：“Z”表示摻加1～3 mm橡膠顆粒;“D”表示摻加3～6 mm橡膠顆粒;“NaOH”、“KH570”和“NaOH+KH570”分別表示NaOH溶液處理、KH570處理、NaOH溶液和KH570復(fù)合處理

6.2　試驗段結(jié)構(gòu)

圖11　澆筑的混凝土 形狀尺寸

在泄洪洞出口處順?biāo)鞣较蜷L8 m、橫水流方向?qū)?.4 m區(qū)域內(nèi)，做8種抗沖磨橡膠混凝土試驗，編號為:①D;②Z;③D-NaOH;④ Z-NaOH;⑤D-KH570;⑥Z-KH570;⑦D-NaOH+KH570;⑧Z-NaOH+KH570。每種橡膠混凝土試件高為60 cm、寬80 cm、長8 m的長條形狀(見圖11)，并在末端按1∶1.5設(shè)置一個斜坡。

6.3　試驗結(jié)果

試驗安排泄洪洞開閘放水(見圖12(a))，持續(xù)1.5 h，采用電波流速儀測試泄洪洞出口處的流速達到了17.6 m/s(見圖12(b))。泄洪之后，泄洪洞內(nèi)普通抗沖磨混凝土局部表層有剝離，而泄洪洞口抗沖磨橡膠混凝土均沒有發(fā)生沖磨破壞跡象(見圖13)。本次試驗由于水流速度較小，沖磨時間較短，還不能充分反映所配制橡膠混凝土的抗沖磨性能，因此還需要接受更為嚴(yán)格的考驗，為抗沖磨橡膠混凝土的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

圖12　水流形態(tài)及水流流速測試值

圖13　水流沖磨之后橡膠混凝土表面

7　結(jié)　論

(1)橡膠混凝土抗壓強度隨著橡膠摻量的增加而降低，而抗沖磨強度卻隨著橡膠摻量的增加而大幅提高，但存在一個最大摻量。

(2)摻加橡膠顆粒較大的混凝土比摻加橡膠顆粒較小的混凝土抗沖磨強度高，60目(約0.25 mm)橡膠顆粒對混凝土抗沖磨強度幾乎沒有提高作用。

(3)橡膠混凝土具有強度低、抗沖磨性能高的特點，施工性能好，性價比較高，而且節(jié)省了水泥用量，利用了廢舊輪胎橡膠，環(huán)保意義重大。在選擇最優(yōu)橡膠顆粒摻量時，要考慮工程對混凝土施工性能、強度以及造價的要求，以性價比最高的橡膠摻量為最優(yōu)摻量，本文建議抗沖磨橡膠混凝土的最優(yōu)橡膠顆粒摻量在10%～15%之間。