橡膠復(fù)合混凝土抗沖磨性能試驗(yàn)研究

李文濤

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

提高混凝土抗沖磨性能是水工建筑物重點(diǎn)問題。廢舊橡膠用于提高抗沖磨性能，為水工抗沖磨混凝土的配置提供了新思路。選擇C60混凝土和UHPC分別摻入橡膠顆粒，研究其對(duì)混凝土力學(xué)性能及抗沖磨性能的影響，并結(jié)合SEM 觀察其微觀結(jié)構(gòu)，分析橡膠對(duì)混凝土抗沖磨性能的增強(qiáng)機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

水泥：P.O 42.5R和P.O 52.5R普通硅酸鹽水泥；細(xì)集料：天然砂，細(xì)度模數(shù)2.60，表觀密度2.65 g/cm3，石英砂，細(xì)度模數(shù)3.03，表觀密度2.63 g/cm3；粗骨料：卵石，5-20 mm連續(xù)級(jí)配，表觀密度2.67 g/cm3；采用F 類Ⅱ級(jí)粉煤灰；硅灰：采用微硅粉；鋼纖維：波浪形鋼纖維性能指標(biāo)見表1；采用PCA?-300P粉體聚羧酸高性能減水劑，減水率30%；橡膠：所用橡膠粒徑2-4 mm，密度1.15 g/m3，EDX結(jié)果見表2，清水洗去橡膠表面雜質(zhì)備用。

表2 廢舊橡膠EDX分析結(jié)果表

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)《超高性能混凝土基本性能與試驗(yàn)方法》《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》，進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和抗沖磨試驗(yàn)，抗沖磨試驗(yàn)采用水下鋼球法。計(jì)算式為：

式（1）中：Ra為抗沖磨強(qiáng)度，（h·m2）/kg；T為試驗(yàn)累計(jì)時(shí)間，h；A為試件受沖磨面積，m2；m1、m2為沖磨前后質(zhì)量，kg。

1.3 試驗(yàn)配合比

普通混凝土水膠比0.35，使用P.O 42.5R普通硅酸鹽水泥，超高性能混凝土水膠比0.20，使用P.O 52.5R普通硅酸鹽水泥，橡膠等體積取代15%細(xì)骨料，普通混凝土減水劑摻量0.15%，超高性能混凝土減水劑摻量1.20%，試驗(yàn)配合比見表3。

表3 試驗(yàn)配合比表 單位：kg/m3

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 混凝土力學(xué)性能

摻入15%橡膠后，普通混凝土抗壓強(qiáng)度降低了24.50%，UHPC 降低了26.90%（見圖1）。橡膠會(huì)降低骨料骨架效應(yīng)，使混凝土內(nèi)部存在較多孔洞結(jié)構(gòu)。壓應(yīng)力作用下不規(guī)則孔洞結(jié)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)力集中更易產(chǎn)生裂紋，在荷載持續(xù)作用下，這些裂紋逐漸擴(kuò)展并貫通相鄰的孔洞，致使結(jié)構(gòu)失去承載能力破壞。

圖1 混凝土的抗壓強(qiáng)度圖

相對(duì)于UHPC，加橡膠后普通混凝土抗壓強(qiáng)度降低較小。普通混凝土粗骨料會(huì)阻礙裂紋擴(kuò)展，減小橡膠顆粒對(duì)骨架效應(yīng)的影響；橡膠破壞UHPC 致密結(jié)構(gòu)體系，使UHPC 存在較多不規(guī)則孔洞。裂紋擴(kuò)展貫穿破壞過程中，UHPC中呈三維亂向空間分布鋼纖維組成特殊空間網(wǎng)絡(luò)體系，通過與基體間的粘結(jié)力和摩擦力，將部分應(yīng)力傳遞至裂紋兩側(cè)，阻止裂紋擴(kuò)展，減小橡膠顆粒對(duì)抗壓強(qiáng)度的損失。

2.2 混凝土抗沖磨性能

許多水利工程往往建設(shè)在河流出山口或河流中上游等位置，在這些河床中存在許多不規(guī)則的碎石，它們?cè)诼L(zhǎng)的河床中不斷滾動(dòng)摩擦逐漸呈現(xiàn)為大小不一的卵石形狀，這些破碎的巖石在經(jīng)過水工建筑物時(shí)還有未磨損成卵形并存在尖角，當(dāng)水流攜帶這些未磨平棱角的沙石經(jīng)過混凝土表層時(shí)，輕者會(huì)磨蝕混凝土表層，重者對(duì)表層混凝土造成沖擊破壞，進(jìn)而使混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋裸露并破壞，形成較大的沖刷坑。

抗沖磨強(qiáng)度試驗(yàn)表明，普通混凝土抗沖磨強(qiáng)度9.99（h·m2）kg-1，UHPC抗沖磨強(qiáng)度40.80（h·m2）kg-1，相較于普通混凝土其抗沖磨強(qiáng)度提高了308.40%，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗沖磨性能。加入橡膠后，普通混凝土和UHPC的抗沖磨強(qiáng)度分別提高了140.20%、11.50%，普通混凝土抗沖磨性能提升更為顯著。

混凝土在抵抗大顆粒推移質(zhì)泥沙時(shí)，小角度切削和大角度沖擊造成混凝土表層逐漸斷裂脫落。在這個(gè)過程中，普通混凝土較易破壞，在其中摻入橡膠后，由于橡膠具有彈性，在卸載后能夠恢復(fù)原形，使得泥沙的沖擊荷載作用時(shí)，部分分布于混凝土表層的橡膠能夠通過自身壓縮形變回彈釋放部分沖擊荷載以減弱對(duì)混凝土基體的損傷，同時(shí)分布于混凝土中的橡膠顆粒能夠形成以自身為形變中心吸收傳遞的沖擊荷載，增強(qiáng)整體上混凝土的彈性性能，此外橡膠極佳耐磨性，表層橡膠顆粒有效減小切削作用，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗沖磨性能。對(duì)于UHPC，由于使用硬度較高的石英砂能夠較好的抗沖磨作用，在沖磨作用下，鋼纖維逐漸裸露，亂向分布的鋼纖維能夠有效的分布于混凝土表層抵抗切削和沖擊作用以此延緩對(duì)混凝土基體的損傷。加入橡膠顆粒后，其增強(qiáng)機(jī)理與普通混凝土相似，但相對(duì)于本身抗沖磨性能極佳的UHPC，橡膠顆粒破壞了其整體致密結(jié)構(gòu)，橡膠脫落留下凹坑，表現(xiàn)出較低提升效果。

2.3 微觀結(jié)構(gòu)及機(jī)理分析

圖2（a）知，橡膠與普通混凝土的界面結(jié)合區(qū)存在明顯的空隙，并未緊密結(jié)合，推移質(zhì)泥沙作用在橡膠上時(shí)進(jìn)一步減弱與基體的黏結(jié)強(qiáng)度，表現(xiàn)為橡膠未經(jīng)磨損破壞而脫落留下凹坑，導(dǎo)致表層混凝土出現(xiàn)局部缺陷。圖2（b）知，橡膠與UHPC黏結(jié)緊密，并無明顯的界面過渡區(qū)，這是由于UHPC 中加入活性硅粉、粉煤灰等發(fā)揮火山灰效應(yīng)，生成更多且致密C-S-H，一方面能夠優(yōu)化C-S-H 結(jié)構(gòu)以達(dá)到更好的抗沖磨效果，另一方面水化產(chǎn)物能與橡膠顆粒黏結(jié)緊密，在沖磨作用下不易發(fā)生脫落破壞，從而達(dá)到提高抗沖磨性能目的。

圖2 混凝土的SEM圖

3 結(jié)論

普通混凝土和UHPC中摻入15%橡膠顆粒，混凝土抗壓強(qiáng)度分別降低了24.50%、26.90%。其抗沖磨強(qiáng)度分別提高了140.20%、11.50%，橡膠顆粒能更好地抵抗大顆粒推移質(zhì)泥沙的沖磨作用。