橡膠復合混凝土抗沖磨性能試驗研究

李文濤

（新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，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，研究其對混凝土力學性能及抗沖磨性能的影響，并結合SEM 觀察其微觀結構，分析橡膠對混凝土抗沖磨性能的增強機理。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

水泥：P.O 42.5R和P.O 52.5R普通硅酸鹽水泥；細集料：天然砂，細度模數2.60，表觀密度2.65 g/cm3，石英砂，細度模數3.03，表觀密度2.63 g/cm3；粗骨料：卵石，5-20 mm連續級配，表觀密度2.67 g/cm3；采用F 類Ⅱ級粉煤灰；硅灰：采用微硅粉；鋼纖維：波浪形鋼纖維性能指標見表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結果見表2，清水洗去橡膠表面雜質備用。

表2 廢舊橡膠EDX分析結果表

1.2 試驗方法

根據《超高性能混凝土基本性能與試驗方法》《水工混凝土試驗規程》，進行混凝土抗壓強度試驗和抗沖磨試驗，抗沖磨試驗采用水下鋼球法。計算式為：

式（1）中：Ra為抗沖磨強度，（h·m2）/kg；T為試驗累計時間，h；A為試件受沖磨面積，m2；m1、m2為沖磨前后質量，kg。

1.3 試驗配合比

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%，試驗配合比見表3。

表3 試驗配合比表 單位：kg/m3

2 試驗結果與分析

2.1 混凝土力學性能

摻入15%橡膠后，普通混凝土抗壓強度降低了24.50%，UHPC 降低了26.90%（見圖1）。橡膠會降低骨料骨架效應，使混凝土內部存在較多孔洞結構。壓應力作用下不規則孔洞結構出現應力集中更易產生裂紋，在荷載持續作用下，這些裂紋逐漸擴展并貫通相鄰的孔洞，致使結構失去承載能力破壞。

圖1 混凝土的抗壓強度圖

相對于UHPC，加橡膠后普通混凝土抗壓強度降低較小。普通混凝土粗骨料會阻礙裂紋擴展，減小橡膠顆粒對骨架效應的影響；橡膠破壞UHPC 致密結構體系，使UHPC 存在較多不規則孔洞。裂紋擴展貫穿破壞過程中，UHPC中呈三維亂向空間分布鋼纖維組成特殊空間網絡體系，通過與基體間的粘結力和摩擦力，將部分應力傳遞至裂紋兩側，阻止裂紋擴展，減小橡膠顆粒對抗壓強度的損失。

2.2 混凝土抗沖磨性能

許多水利工程往往建設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則的碎石，它們在漫長的河床中不斷滾動摩擦逐漸呈現為大小不一的卵石形狀，這些破碎的巖石在經過水工建筑物時還有未磨損成卵形并存在尖角，當水流攜帶這些未磨平棱角的沙石經過混凝土表層時，輕者會磨蝕混凝土表層，重者對表層混凝土造成沖擊破壞，進而使混凝土結構中的鋼筋裸露并破壞，形成較大的沖刷坑。

抗沖磨強度試驗表明，普通混凝土抗沖磨強度9.99（h·m2）kg-1，UHPC抗沖磨強度40.80（h·m2）kg-1，相較于普通混凝土其抗沖磨強度提高了308.40%，表現出優異的抗沖磨性能。加入橡膠后，普通混凝土和UHPC的抗沖磨強度分別提高了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泥沙時，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，在卸載后能夠恢復原形，使得泥沙的沖擊荷載作用時，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混凝土基體的損傷，同時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，表現出優異的抗沖磨性能。對于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混凝土基體的損傷。加入橡膠顆粒后，其增強機理與普通混凝土相似，但相對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構，橡膠脫落留下凹坑，表現出較低提升效果。

2.3 微觀結構及機理分析

圖2（a）知，橡膠與普通混凝土的界面結合區存在明顯的空隙，并未緊密結合，推移質泥沙作用在橡膠上時進一步減弱與基體的黏結強度，表現為橡膠未經磨損破壞而脫落留下凹坑，導致表層混凝土出現局部缺陷。圖2（b）知，橡膠與UHPC黏結緊密，并無明顯的界面過渡區，這是由于UHPC 中加入活性硅粉、粉煤灰等發揮火山灰效應，生成更多且致密C-S-H，一方面能夠優化C-S-H 結構以達到更好的抗沖磨效果，另一方面水化產物能與橡膠顆粒黏結緊密，在沖磨作用下不易發生脫落破壞，從而達到提高抗沖磨性能目的。

圖2 混凝土的SEM圖

3 結論

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