橡膠集料對混凝土抗沖磨性能的增強機理研究★

劉 春 麗

(河南省水利勘測設計研究有限公司，河南 鄭州 450003)

0 引言

水工建筑物擋水蓄能、防汛興利的同時，混凝土表面時常受到高速水流中夾雜著砂石等懸移質或推移質的沖磨和空蝕破壞[1,2]。因此，如何提高混凝土抗沖磨強度是水利工程建設中需要迫切解決的關鍵問題[3]。

沖磨破壞分為懸移質破壞和推移質破壞。含懸移質泥沙的高速水流對混凝土材料的沖磨破壞是以一層一層沖磨軟弱部分的方式進行的。因此，混凝土表面較軟弱的水泥砂漿層首先被沖磨掉，裸露粗骨料，進而沖磨粗骨料。隨著時間的不斷積累，粗骨料的棱角多被磨圓或被磨平，粗骨料周圍的水泥漿被嚴重淘刷，使得混凝土表面極其不平整[4]。推移質對水工建筑物表面沖磨破壞作用主要是在高速水流的作用下，推移質對水工建筑物表面混凝土的沖擊或者摩擦。推移質對混凝土的破壞，主要是以大角度的沖擊破壞為主，推移質(例如石子)粒徑越大，沖角、速度越大，形狀越不規則，沖磨時間越長，對水工建筑物的破壞作用就會越大[5]。

從沖磨破壞原因可見，提高混凝土阻裂作用(如摻入鋼纖維、聚丙烯纖維等)[6-9]，增強混凝土的強度和密實性(如摻入硅粉、粉煤灰和細礦渣粉等)[10-13]，可提高混凝土抗沖磨性抗沖磨強度。但混凝土的高強度，必然帶來施工難度，且為改善混凝土材料性能和施工性能，隨著摻合料和外加劑的增多，混凝土配合比設計越來越復雜，性能越來越難掌控，成本也越來越高。近年來橡膠集料混凝土作為一種新型高性能混凝土備受國內外學者關注。文獻[14]將16目橡膠粉分別以5%,7.5%,10%,15%的比例按等量代砂的方法摻入混凝土中，采用圓環法研究了橡膠混凝土的抗沖磨性能。結果顯示：橡膠粉的摻入可以提高混凝土的抗沖磨性能1倍～2倍以上，且橡膠粉摻量越大，抗沖磨性能提高越大。文獻[15]采用水下鋼球法，研究了不同水灰比的橡膠混凝土抗沖磨強度，發現橡膠混凝土抗沖磨性能隨水灰比的減小而提高。目前，橡膠集料混凝土的抗沖磨性能研究還處于起步階段，理論和技術尚缺乏系統性和全面性，對推廣應用不利。

本文通過以C30強度等級的普通混凝土為對比組，并保持其他材料用量不變，僅將3 mm～5 mm粒徑橡膠顆粒以等體積取代方式部分替代細骨料(砂)，采用水下鋼球法(SL 352—2006水工混凝土試驗規程)，研究不同摻量的橡膠集料對混凝土抗沖磨強度的影響規律，以及內在作用機理。

1 試驗內容

1.1 原材料

水：為城市自來水；

水泥：采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥；

粗骨料：石灰巖碎石，5 mm～20 mm和20 mm～40 mm粒徑，兩者比例為4∶6；

細骨料：河砂，細度模數2.70，最大粒徑5 mm，表觀密度2 703 kg/m3；

橡膠集料：粒徑3 mm～5 mm，表觀密度1 208 kg/m3。

1.2 配合比

試驗分別以C30強度等級的普通混凝土為對比組，橡膠顆粒分別以10%，20%，30%和40%(砂質量百分比)的比例等體積取代砂摻入普通混凝土中，配合比見表1。

表1 混凝土的配合比表 kg/m3

1.3 試驗方法

試驗按照SL 352—2006水工混凝土試驗規程中的規定進行。

混凝土單軸抗壓強度和彈性模量試驗試件為φ150 mm×300 mm，單軸抗壓強度按式(1)計算：

(1)

其中，fc為混凝土單軸抗壓強度，MPa；A為混凝土試件的受壓面積，mm2；P為破壞荷載，N。

彈性模量按式(2)計算：

(2)

其中，Ec為抗壓彈性模量，MPa；P2為40%的極限破壞荷載，N；P1為應力為0.5 MPa時的荷載，N；Δl為應力從0.5 MPa增加到0.4fc時的試件變形值，mm;L為測量變形的標距，mm。

抗沖磨試驗方法采用的是水下鋼球法，混凝土試件為φ300 mm×100 mm。抗沖磨強度按式(3)計算：

(3)

其中，Ra為混凝土試件的抗沖磨強度，h/(kg/m2)；T為試驗累計時間，h；A為混凝土試件的受沖磨面積，m2；ΔM為經T時段沖磨后，試件損失的累計質量，kg。

2 試驗結果

單軸抗壓強度、彈性模量和抗沖磨強度試驗結果見表2。

表2 混凝土性能指標

2.1 坍落度

如圖1所示，混凝土拌合物的坍落度隨著橡膠集料摻量的增加而增大，改善了混凝土的工作性能，有利于施工。相比普通混凝土(橡膠集料摻量0%)，橡膠集料摻量10%～40%坍落度增加了28.9%～100%。橡膠集料屬有機材料，表面呈憎水性，在水泥砂漿中起到“滾珠”作用，增大了混凝土拌合物的流動性，但如果橡膠集料摻量過大時拌合物易發生離析。

坍落度與橡膠集料摻量的關系擬合為式(4)：

y=38.00+0.95x

(4)

其中，y為坍落度，mm；x為橡膠集料摻量，%;R2=0.98。

2.2 抗壓強度和彈性模量

如圖2,圖3所示，混凝土抗壓強度和彈性模量隨著橡膠集料摻量的增加而降低。與普通混凝土相比，橡膠集料摻量10%～40%時，抗壓強度減小了11%～47%，彈性模量減小了18%～39%。橡膠集料與砂相比，由于材性相差很大，與水泥基體的粘結強度較弱，致使混凝土抗壓強度降低；而橡膠集料的彈性較大，在混凝土受壓時提供了較大的變形空間，因此彈性模量較小。

抗壓強度與橡膠集料摻量的關系擬合為式(5)：

y=30.6-0.36x

(5)

其中，y為抗壓強度，MPa；x為橡膠集料摻量，%；R2=0.99。

彈性模量與橡膠集料摻量的關系擬合為式(6)：

y=2.70-0.02x

(6)

其中，y為彈性模量，104MPa；x為橡膠集料摻量，%;R2=0.96。

2.3 抗沖磨強度

如圖4所示，混凝土抗沖磨強度隨著橡膠集料摻量的增加而提高，提高幅度有減小的趨勢。與普通混凝土相比，橡膠集料摻量10%～40%時，抗沖磨強度增大了1.95倍～8.37倍。橡膠集料混凝土抗沖磨強度與抗壓強度的關系與其他高抗沖磨混凝土(強度高，抗沖磨強度高)截然不同，強度雖低，但抗沖磨強度高，且上升空間很大，即可以通過減小水灰比，提高基準混凝土(橡膠集料取代前)的強度而進一步提升抗沖磨強度。

抗沖磨強度與橡膠集料摻量的關系擬合為式(7)：

y=3.21+1.16x-0.01x2

(7)

其中，y為抗沖磨強度，h/(kg/m2)；x為橡膠集料摻量，%；R2=0.99。

3 橡膠混凝土抗沖磨機理

水下鋼球法是利用高速旋轉的水流帶動鋼球，模擬推移質介質對混凝土表面造成破壞。沖磨開始后，強度相對較低的表層水泥石很快被沖磨掉，裸露出強度相對較高的粗骨料分擔沖磨力。沖磨繼續，粗骨料周圍的水泥石慢慢被沖磨成凹坑(如圖5a)所示)，這時粗骨料承受大部分沖磨力，由于粗骨料一般比較堅硬，沖磨時間較長，粗骨料逐漸磨平，最終因水泥石包裹面積慢慢減小而在水流沖擊下脫落。粗骨料脫落后，水泥石再次承擔全部的沖磨力，如此反復，混凝土被一層層沖磨掉。橡膠集料較均勻地分布在水泥石中(如圖5b)所示)，因彈性較大，能大量吸收鋼球的沖擊能量，較好地保護水泥石，延長了沖磨破壞時間，從而提高了混凝土的抗沖磨強度，且沖磨后較平整，與凹凸不平的普通混凝土表面相比，能很大程度上減小鋼球的沖擊力。

4 結語

1)隨著橡膠集料的增加，混凝土拌合物坍落度增大，和易性較好。2)隨著橡膠集料的增加，混凝土抗壓強度和彈性模量減小，而抗沖磨強度大幅提高。3)橡膠集料在水泥石表面形成一層彈性保護層，能吸收鋼球的沖擊能量，減小鋼球的沖擊力，在很大程度上延長了沖磨破壞時間，從而提高了混凝土抗沖磨強度。