橡膠對(duì)超高性能混凝土抗沖磨性能的研究

吳海燕，時(shí)文友，李雙喜

（1.新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院檢測試驗(yàn)研究中心，新疆 昌吉 831100；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

1 引言

高速水流中攜帶的推移質(zhì)泥沙顆粒對(duì)水工建筑物混凝土過流面造成撞擊、切削、磨損等嚴(yán)重破壞，給水工建筑物的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅，從而大大縮短了水工混凝土的使用年限。

目前，工程上常采用以“硬碰硬”的方式解決抗沖磨的問題，即制備高強(qiáng)高性能混凝土來增強(qiáng)過流面抵抗推移質(zhì)泥沙顆粒沖磨破壞的能力。超高性能混凝土是一種具有高強(qiáng)、高密實(shí)度、高耐久性的新型混凝土，在配制時(shí)剔除了粗骨料，加入鋼纖維，具有超高的強(qiáng)度和良好的韌性，抗沖磨效果優(yōu)良。水砂槍法研究了超高性能混凝土的抗沖磨性能，研究發(fā)現(xiàn)C150 的超高性能混凝土的抗沖磨性能是C80 混凝土的1.50 倍。研究發(fā)現(xiàn)，不同纖維混摻時(shí)制備的抗沖磨UHPC在工作性能良好的同時(shí)，具有較高的抗沖磨/沖擊性能。

雖然超高性能混凝土有較為優(yōu)異的抗沖磨性，但還是基于“硬碰硬”的方式來提高混凝土抗沖磨性，當(dāng)遇到高速水流和大顆粒泥沙長時(shí)間持續(xù)地撞擊時(shí)，超高性能混凝土的抗沖磨能力有待進(jìn)一步的驗(yàn)證。目前，有學(xué)者將橡膠摻入到混凝土中，研究了混凝土的抗沖磨性，研究發(fā)現(xiàn)將橡膠顆粒摻入混凝土中會(huì)降低混凝土的抗壓強(qiáng)度，但同時(shí)在較大程度上提高了混凝土的抗沖磨強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度。

鑒于上述研究成果，在超高性能混凝土中摻入一定的橡膠，采用“以柔克剛”的方式能否提高混凝土的抗沖磨性能，目前還未有學(xué)者進(jìn)行研究。

課題以橡膠顆粒為研究對(duì)象，在超高性能混凝土摻入不同粒徑的橡膠顆粒，進(jìn)行力學(xué)性能和抗沖磨試驗(yàn)，研究橡膠顆粒對(duì)超高性能混凝土抗沖磨性能的影響，并通過抗沖擊試驗(yàn)和回彈試驗(yàn)，揭示橡膠對(duì)UHPC的抗沖磨性能影響機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 材料

水泥：新疆天山水泥股份有限公司生產(chǎn)的合格52.5R普通水泥，其物理性能見表1。

表1 52.5.R普通硅酸鹽水泥性質(zhì)表

粉煤灰：采用新疆五彩灣火力發(fā)電廠生產(chǎn)的F類Ⅱ級(jí)粉煤灰，品質(zhì)指標(biāo)見表2。硅灰：采用新疆貝特力新材料科技有限公司生產(chǎn)的微硅粉，其品質(zhì)指標(biāo)見表3。骨料：石英砂，細(xì)度模數(shù)為3.03，中砂，表觀密度為2 632 kg/m3。

表2 粉煤灰品質(zhì)指標(biāo)表

表3 硅粉的品質(zhì)指標(biāo)表

橡膠：都江堰市華益橡膠有限公司盛超的橡膠，粒徑分別為8 目（2～4 mm），16 目（1～2 mm），40 目（0.20～0.40 mm），密度為1 119 kg/m3。

鋼纖維：玉田縣致泰鋼纖維制造有限公司生產(chǎn)的波浪形鋼纖維，其性能指標(biāo)見表4。

表4 鋼纖維物理性能指標(biāo)表

減水劑：采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的PCA?-300 P粉體聚羧酸高性能減水劑，減水率為30%。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)通過將不同粒徑的橡膠摻入超高性能混凝土中研究橡膠對(duì)超高性能混凝土抗沖磨性能的影響。橡膠超高性能混凝土配合比見表5。

表5 橡膠超高性能混凝土配合比表（kg/m3）

1.3 試件的制備

根據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》制備尺寸為Φ300 mm×100 mm的抗沖磨試件，采用水下鋼球法進(jìn)行抗沖磨試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗沖磨性能分析

摻入橡膠后混凝土的抗沖磨性能有一定的提高，當(dāng)橡膠粒徑由40目增大到8目時(shí)，混凝土的抗沖磨性能也逐漸增大；隨著橡膠摻量逐漸增加，混凝土的抗沖磨強(qiáng)度先增加后減小。橡膠的摻量為10%時(shí)，混凝土抗沖磨強(qiáng)度最高提升了85.30%，但當(dāng)橡膠摻量為15%時(shí)，混凝土抗沖磨強(qiáng)度最大下降了29.20%，由此可知，橡膠摻量不宜超過10%。

通過Design Exper軟件以橡膠粒徑為橫坐標(biāo)，橡膠摻量為縱坐標(biāo)制作橡膠超高性能混凝土抗沖磨強(qiáng)度響應(yīng)曲面圖，見圖1。根據(jù)圖1可發(fā)現(xiàn)，隨著橡膠摻量的增加，混凝土的抗沖磨強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，橡膠最佳摻量在9.50%～10.30%；隨著橡膠粒徑的增加，混凝土抗沖磨強(qiáng)度逐漸增加，且呈線性增長趨勢。

圖1 橡膠超高性能混凝土抗沖磨強(qiáng)度響應(yīng)曲面分析圖

式（1）中：Y為混凝土抗沖磨強(qiáng)度，h/（kg/m2）；X1為橡膠摻量，%；X2為橡膠粒徑，目。

2.2 機(jī)理分析

超高性能混凝土具有高強(qiáng)度、高韌性、低彈性等特點(diǎn)，當(dāng)摻入橡膠后，會(huì)優(yōu)化超高性能混凝土的彈性。但是混凝土的彈性是否影響著混凝土的抗沖磨性能，目前還未有相關(guān)研究結(jié)果，也無研究方法。為了間接表征橡膠的摻入提高其抗沖磨性能的機(jī)理，課題進(jìn)行抗沖擊試驗(yàn)和回彈試驗(yàn)，來反應(yīng)抗沖磨性能提高的機(jī)理。

抗沖擊試驗(yàn)依據(jù)《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》采用落錘法進(jìn)行抗沖擊試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果得知，摻入10%的三種粒徑的橡膠后，混凝土的抗沖擊強(qiáng)度均有所提高，最高提升了7.30%；摻入12.50%的橡膠后，混凝土的抗沖擊強(qiáng)度提升幅度有所波動(dòng)。當(dāng)摻入12.50%的40 目橡膠后，混凝土的抗沖擊強(qiáng)度與未摻橡膠組混凝土相差24.40%，且摻入橡膠為16目和8目，橡膠摻量為10%和12.50%的混凝土的抗沖擊強(qiáng)度變化不大；當(dāng)橡膠摻量增長到15%時(shí)，三種粒徑的橡膠均使混凝土的抗沖擊強(qiáng)度有不同程度的降低。綜上所述，隨著橡膠摻量的增加，混凝土的抗沖擊強(qiáng)度先增加后減??；橡膠粒徑與混凝土抗沖擊強(qiáng)度成正比，隨著橡膠粒徑的增大，混凝土的抗沖擊強(qiáng)度逐漸增大。

回彈試驗(yàn)反應(yīng)了摻入橡膠超高性能混凝土的吸能性能?；貜椩囼?yàn)是將質(zhì)量為471g 的鋼球與尺寸為Φ300 mm×100 mm的試件保持垂直高度差為840 mm，利用錄像機(jī)記錄鋼球的第一次回彈高度并觀察記錄鋼球在垂直刻度尺上的數(shù)值。每組試驗(yàn)進(jìn)行多次并取平均值為試驗(yàn)結(jié)果，通過能量公式計(jì)算出混凝土吸能數(shù)值。吸收能量按照以下公式計(jì)算：

E=mgh（2）

式（2）中：E為混凝土的吸能；m為鋼球質(zhì)量0.47 kg；g為重力加速度，g取9.80 m/s2；h為初始高度與回彈高度的高度差，初始高度為840 mm。

隨著橡膠摻量的不斷增加，混凝土的吸能效果也不斷增強(qiáng)，且橡膠粒徑與混凝土吸能效果成正比，即橡膠粒徑越大，橡膠超高性能混凝土的吸能效果越好。當(dāng)未摻入橡膠時(shí)，混凝土吸收能量為2.11 J，當(dāng)橡膠摻量為15%，橡膠粒徑分別為40、16和8目時(shí)，混凝土吸收的能量最佳分別為2.53、2.60和2.69 J，較未摻橡膠混凝土分別增長了19.90%、23.20%、27.50%。橡膠具有易彎曲、壓縮、高彈性等特點(diǎn)，因此當(dāng)橡膠摻入混凝土中作為骨料使用時(shí)混凝土的彈性得到增強(qiáng)，從而吸收了比未摻橡膠混凝土更多的能量，這也是摻橡膠超高性能混凝土抗沖磨性能提升的原因所在。

3 結(jié)論

橡膠粒徑與混凝土的抗沖磨強(qiáng)度成正比，即橡膠粒徑越大，混凝土的抗沖磨性能越強(qiáng)，但橡膠摻量的增加使混凝土抗沖磨強(qiáng)度先增加后減小。通過Design Expert 模擬分析可知橡膠的最佳摻量在9.50%～10.30%。利用SPSS 擬合得出橡膠粒徑及其摻量與混凝土抗沖磨強(qiáng)度的關(guān)系方程為：

Y=41.346-0.606X21+9.543X1-0.598X2。

隨著橡膠摻量的增加，混凝土的抗沖擊強(qiáng)度先增加后減??；橡膠粒徑與混凝土抗沖擊強(qiáng)度成正比，即隨著橡膠粒徑的增大，混凝土的抗沖擊強(qiáng)度逐漸增大。摻入橡膠后最高可提升混凝土7.30%的抗沖擊性能。

隨著橡膠摻量的不斷增加，混凝土的吸能效果也不斷增強(qiáng)，且橡膠粒徑與混凝土吸能效果成正比，即橡膠粒徑越大，橡膠超高性能混凝土的吸能效果越好。當(dāng)摻入15%的8 目橡膠時(shí)，混凝土吸收的能量為2.69J，較為摻入橡膠的混凝土提高了27.50%。