橡膠改性混凝土抗高速水流沖擊性能研究

宿遷學院 建筑工程學院,江蘇 宿遷223800

高速水流沖擊是影響水利工程大壩中的混凝土工程的重要因素，也是混凝土表面出現磨蝕破壞的主要原因和常見病害之一[1]。對于如圖1所示的雙擋壩而言，高速水流沖刷作用對低壩表面的影響尤其明顯，在雙擋壩構成的流體系統中，由于壩基的不同高度差和距離差造成高速水流對低壩施加巨大的沖刷能量，使得低壩容易出現沖蝕破壞[2]。沖蝕破壞對于水利工程不僅要進行耗資巨大的修補工程，也直接危害大壩的安全運行[3]。因此在雙擋壩的過流位置采用抗沖刷性能好的混凝土材料具有重要的工程意義。在國內水利大壩工程中，主要采用硅粉、粉煤灰和鋼纖維等材料作為外摻料來設計抗沖耐磨的混凝土材料。然而，研究表明硅粉和鋼纖維對于水泥砂漿的用水量比較敏感，摻量過多會導致水泥用量明顯增加。導致混凝土干縮變形大，同時也增加了混凝土材料造價[4,5]。

目前，隨著現代汽車工業的快速發展，汽車廢橡膠輪胎的保有量也在迅速增加。廢橡膠材料在自然條件下很難降解，對環境造成很大的負擔。廢舊橡膠材料的處理和回收，已成為一個日益嚴峻的全球性環境和資源問題。合理地對廢棄橡膠進行回收利用對環境保護和資源節約具有重要意義[6,7]。近些年，在水泥砂漿中摻入一定比例的橡膠材料，制備橡膠改性混凝土得到了越來越廣泛的應用。改性橡膠混凝土一方面提高了混凝土材料的基本工作性能，另一方面擴大了廢棄橡膠的應用領域，使廢橡膠從黑色廢棄物和環境污染源成為了土木建筑與水利工程材料領域的一種新型綠色資源[8]。改性橡膠混凝土的工作性能介于普通的剛性混凝土和瀝青柔性混凝土之間，被證明具有良好的強度、韌性、彈性、防滲性、耐久性能、降噪隔聲、抗沖擊性能和減震性能等優點[9]。

前人對水工混凝土材料的抗沖擊性能開展了大量的研究工作[10-15]，但對于橡膠改性混凝土在高速水利沖擊下的性能變化規律的研究還比較罕見。因此，本文采用不同流速的水流沖擊試驗對橡膠改性混凝土試樣的抗壓強度、彈性模量和抗沖擊性能進行了研究，旨在為大壩混凝土材料的設計與施工提供相應的借鑒和參考。

圖1 雙擋壩示意圖Fig.1 Schematic diagram of high and low dams

圖2 橡膠水工混凝土表面Fig.2 Surface of the rubber concrete

1 試驗材料與過程

1.1 原材料

改性橡膠混凝土試樣的基本配合比如表1 所示，橡膠改性混凝土試樣主要由粗細骨料、水泥、橡膠、減水劑和水拌和而成。試驗采用級配礫石和連續級配河砂作為水泥砂漿的粗、細骨料，粗骨料最大粒徑25.6 mm，經過對粗骨料的破碎和篩分處理，得到了粒徑范圍為0～5 mm 的細骨料和5～25 mm 的粗骨料。水泥砂漿的凝膠材料選用P.C42.5 復合硅酸鹽水泥，水泥顆粒的比表面積為330 m2/kg，養護28 d 后測到的抗壓強度為46.9 MPa，抗彎強度7.9 MPa。橡膠改性混凝土不同物料的基本配合比如下表所示，其中橡膠粒摻量為3%。經過混凝土的配制和養護，得到了橡膠改性混凝土試件，其表面的實拍圖片如圖2 所示。在混凝土表面圖片中，褐色顆粒為橡膠粒成分。

表1 橡膠改性混凝土的配比Table 1 Proportioning of modified rubber concrete

1.2 試驗方法

由筆者自行開發的高速水流侵蝕測試設備進行水流沖蝕試驗。該設備采用高壓水龍頭作為壓力水源，水龍頭噴射水柱作用于混凝土表面。在水流噴射時，利用調壓閥控制水流流速。在正式實驗前，用一系列不同的噴射速度和影響時間對試驗條件進行了測試。結果表明：在低于30 m/s 噴射速度下，混凝土試件的表面形態基本保持不變，侵蝕磨損程度很低；在高速水流沖擊的情況下，觀察到混凝土表面有明顯的磨損，但是也沒有發生嚴重損傷現象。結果還表明，高速水流沖蝕磨損主要發生在沖擊第1 h 內，在第2 h 內逐漸保持穩定不變。因此，在本實驗中確定實際沖擊流速為30 m/s～35 m/s、每個混凝土試件受水流沖擊的作用時間為1 h 作為試驗的時長條件。

制備的改性橡膠混凝土的試樣尺寸為0.15 m×0.15 m×0.2 m。實驗前，將試樣放入水中浸泡48 h至完全飽和，然后用抹布擦拭干試樣表面的水，選定樣品尺寸為0.15 m×0.2 m 的矩形面為受水流沖擊的表面，連續沖刷1 h 后，將試樣取出，并進行觀察和拍照，以便后期的比較分析。在水流沖擊實驗結束后與稱重前，樣品表面也會被擦拭干凈，以保證試驗的準確性。在試驗后計算試驗的參數，如質量損失、沖蝕速率、抗沖蝕強度等。其中橡膠混凝土的侵蝕率計算:

其中N為水流侵蝕率，在數值上為單位時間內混凝土的單位面積質量損失；Mo是水流沖擊前的試樣質量，Mt是被水流沖擊th 后的試樣質量；t是水流沖擊的時間；St是受水流沖擊的試樣表面積。

試驗中采用四種不同的混凝土齡期和五種高速沖刷水流，養護齡期分別是14、28、60 d 和90 d，沖刷水流流速分別為0、30、31.5、33 和35 m/s。綜合考慮了25 種試驗條件，每種條件下進行5 組實驗，以5 組試驗結果平均值作為最終結果。

2 試驗結果

2.1 沖蝕形態變化

橡膠改性混凝土在不同養護齡期和沖擊流速的試驗條件下進行了一系列高速水流沖擊試驗。在沖擊過程中，控制試驗所用水流的流速保持穩定，額定的最大速度可達40 m/s，滿足實驗要求。通過對比水流沖擊前后的混凝土表面實拍照片，定性地探討了混凝土的沖蝕破壞程度。試驗結果如圖3 所示，不同養護齡期下的橡膠改性混凝土試樣在流速35 m/s 的水流沖擊下表現出不同的表面形態變化。從圖3 可以看出，高速水流沖擊作用對橡膠混凝土的影響與表面磨損程度存在顯著關系。在流速為35 m/s 水流連續沖擊2 h 后，不同養護齡期的混凝土試樣均未受到嚴重破壞，但是觀察到有一定程度的表面膠結材料剝落的現象。且隨著養護齡期增長，混凝土表面的剝落程度有所下降，表明養護齡期的增加可以提高橡膠改性混凝土的抗水流沖蝕的性能。

圖3 高速水流沖擊1 h 下試樣的表面特征Fig.3 Surface characteristics of samples under 1 hour water stream impact

表2 不同樣品的試驗參數Tab 2 Test parameters of different samples

2.2 流速與沖蝕速率的關系

表2 為不同條件下的橡膠改性混凝土沖蝕參數平均值。可以從表中數據發現：在一定流速下，隨著橡膠改性混凝土養護齡期的延長，混凝土在高速水流沖擊過程中的平均質量損失和侵蝕速率均有所降低，并在養護齡期達到60 d 后趨于穩定。試驗結果表明：隨混凝土養護齡期的增加，橡膠改性混凝土受高速水流沖擊作用的影響程度逐漸減小。對于經過相同時間齡期養護后的混凝土試件，其平均的質量損失和沖蝕率與流速保持正相關的關系。根據圖4 的回歸分析，可以看出水流沖擊流速v與沖蝕速率N之間的關系是非線性的，如下公式：

其中c為常數，v為流速，p為冪指數。經回歸分析估算不同養護齡期下，流速v與沖蝕速率N之間的冪函數關系如圖7（a）～（d）重的擬合公式所示。

圖4 沖蝕速率與流速的關系Fig.4 Relation between erosion rate and flow rate

基于數據的擬合可以估算的不同材料的速度冪指數p，對于沖蝕速率與流速的關系，前人進行了大量研究。金屬的冪指數在2.25～2.55 之間，陶瓷的指數在3 之間，聚合物的指數在5 以上，普通混凝土的指數在3.5～4 之間[13]。由本文的實驗結果可以得出橡膠改性混凝土在無顆粒清水高速沖擊下流速指數為3.33～3.93。

2.3 橡膠改性混凝土與普通混凝土的沖蝕對比

由于橡膠顆粒的摻入，普通混凝土的漿料含量比橡膠改性混凝土高6%左右。4 種不同流速下混凝土的侵蝕磨損如圖8 所示。從圖5 可以看出，摻入橡膠顆粒后，混凝土表面更加光滑致密，橡膠改性混凝土試件表面的侵蝕磨損明顯降低，其平均侵蝕磨損參數如表5 所示。

圖5 普通混凝土與改性橡膠混凝土的沖蝕情況對比Fig.5 The result of erosion state of common concrete and modified rubber concrete

表3 RC 與GC 養護14 d 后的沖蝕結果Table 3 Results of RC and GC after 14 days of curing

2.4 水流沖擊對材料力學性能的影響

表4 列出了經水沖擊試驗的橡膠改性混凝土和普通混凝土試件的力學參數，并給出了未經高速水流沖擊試驗的橡膠改性混凝土試件的力學參數。從表中可以看出，混凝土試件軸向抗壓強度值和彈性模量值在經過不同流速水流的沖擊作用后，并沒有表現出顯著的差異。在養護28 d 的齡期后，橡膠改性混凝土的材料力學性能參數與水流的速度之間也沒有明顯的數學關系。因此，可以證明橡膠改性混凝土的力學性能幾乎不受水流沖擊的影響。

表4 混凝土試件沖刷后的力學參數Table 4 Mechanical parameters of concrete specimens after erosion

3 混凝土抗沖擊性能改良的機理研究

提高混凝土抗高速水流沖擊性能的關鍵是提高水泥砂漿的密度和砂漿界面過渡區的結構[17,18]。為研究橡膠對水泥砂漿的影響，利用掃描電鏡觀察了水泥砂漿的微觀結構。據圖6 的SEM 掃描結果，在沒有橡膠顆粒的混凝土試樣的微觀結構中，水化硅酸鈣(C-S-H)的排列次序較為松散，水泥水化物表面存在大量的針狀鈣礬石晶體(AFt)。由于鈣礬石晶體大量存在，混凝土的內部結構中出現了一些強度薄弱區域。橡膠顆粒摻入混凝土后，不僅可以起到充填骨料間孔隙的作用，而且還可以改善水泥基材料水化后膠結顆粒分布的各向異性程度。在橡膠改性混凝土試樣中，水泥水化物的排列較為整齊，質地緊密，且無明顯的針狀AFt。橡膠顆粒的體積小，比表面積大，具有較高的表面能。在水泥漿體的硬化過程中，水泥顆粒間的孔隙被大量橡膠和水化產物覆蓋。隨著水化過程的推移，橡膠顆粒使硬化水泥粘貼更緊湊，從而對混凝土在養護完成的抗沖擊性能有明顯的增強（圖7）。

圖6 普通水泥砂漿的SEM 照片Fig.6 SEM photo of normal cement paste

圖7 摻雜橡膠的水泥砂漿SEM 圖像Fig.7 SEM photo of cement paste with rubber particles

4 結論

本文主要研究了在水利工程大壩中，橡膠改性混凝土材料在高速水流沖擊作用下的抗沖擊性能，討論了力學性能與質量損失受水流沖擊速度、養護齡期和混凝土類型的影響規律。得到如下結論：

（1）養護一定時間后的橡膠改性混凝土試樣，高速水流的沖擊對混凝土試樣沒有嚴重破壞，但是在一定程度上剝落了混凝土表面的膠結材料，隨著養護齡期增長，沖蝕破壞的程度也有下降趨勢；

（2）在一定流速的水流沖擊下，橡膠混凝土的平均質量損失和侵蝕率隨著養護齡期的增加有所減少，并在養護60 d 后趨于穩定。水流流速v與混凝土沖蝕速率N之間存在冪函數關系。相對于普通混凝土，橡膠改性混凝土在高速水流沖擊后的表面更加光滑致密，侵蝕磨損明顯降低，其平均抗沖蝕性能參數也有明顯下降；

（3）對養護28 d 齡期后的橡膠改性混凝土而言，其力學性能幾乎不受水流沖擊的影響，材料力學參數與沖擊流速之間沒有明顯的相關關系。