橡膠集料對(duì)混凝土抗沖磨性能的增強(qiáng)機(jī)理研究★

劉 春 麗

(河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)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(shí)，混凝土表面時(shí)常受到高速水流中夾雜著砂石等懸移質(zhì)或推移質(zhì)的沖磨和空蝕破壞[1,2]。因此，如何提高混凝土抗沖磨強(qiáng)度是水利工程建設(shè)中需要迫切解決的關(guān)鍵問(wèn)題[3]。

沖磨破壞分為懸移質(zhì)破壞和推移質(zhì)破壞。含懸移質(zhì)泥沙的高速水流對(duì)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(jìn)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(jìn)而沖磨粗骨料。隨著時(shí)間的不斷積累，粗骨料的棱角多被磨圓或被磨平，粗骨料周?chē)乃酀{被嚴(yán)重淘刷，使得混凝土表面極其不平整[4]。推移質(zhì)對(duì)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(zhì)對(duì)水工建筑物表面混凝土的沖擊或者摩擦。推移質(zhì)對(duì)混凝土的破壞，主要是以大角度的沖擊破壞為主，推移質(zhì)(例如石子)粒徑越大，沖角、速度越大，形狀越不規(guī)則，沖磨時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)水工建筑物的破壞作用就會(huì)越大[5]。

從沖磨破壞原因可見(jiàn)，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(qiáng)混凝土的強(qiáng)度和密實(shí)性(如摻入硅粉、粉煤灰和細(xì)礦渣粉等)[10-13]，可提高混凝土抗沖磨性抗沖磨強(qiáng)度。但混凝土的高強(qiáng)度，必然帶來(lái)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(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜，性能越來(lái)越難掌控，成本也越來(lái)越高。近年來(lái)橡膠集料混凝土作為一種新型高性能混凝土備受?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。文獻(xiàn)[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(huán)法研究了橡膠混凝土的抗沖磨性能。結(jié)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(xiàn)[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(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)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(shù)尚缺乏系統(tǒng)性和全面性，對(duì)推廣應(yīng)用不利。

本文通過(guò)以C30強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土為對(duì)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(xì)骨料(砂)，采用水下鋼球法(SL 352—2006水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程)，研究不同摻量的橡膠集料對(duì)混凝土抗沖磨強(qiáng)度的影響規(guī)律，以及內(nèi)在作用機(jī)理。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 原材料

水：為城市自來(lái)水；

水泥：采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥；

粗骨料：石灰?guī)r碎石，5 mm～20 mm和20 mm～40 mm粒徑，兩者比例為4∶6；

細(xì)骨料：河砂，細(xì)度模數(shù)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(yàn)分別以C30強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土為對(duì)比組，橡膠顆粒分別以10%，20%，30%和40%(砂質(zhì)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(jiàn)表1。

表1 混凝土的配合比表 kg/m3

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)按照SL 352—2006水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程中的規(guī)定進(jìn)行。

混凝土單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量試驗(yàn)試件為φ150 mm×300 mm，單軸抗壓強(qiáng)度按式(1)計(jì)算：

(1)

其中，fc為混凝土單軸抗壓強(qiáng)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(jì)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(yīng)力為0.5 MPa時(shí)的荷載，N；Δl為應(yīng)力從0.5 MPa增加到0.4fc時(shí)的試件變形值，mm;L為測(cè)量變形的標(biāo)距，mm。

抗沖磨試驗(yàn)方法采用的是水下鋼球法，混凝土試件為φ300 mm×100 mm?？箾_磨強(qiáng)度按式(3)計(jì)算：

(3)

其中，Ra為混凝土試件的抗沖磨強(qiáng)度，h/(kg/m2)；T為試驗(yàn)累計(jì)時(shí)間，h；A為混凝土試件的受沖磨面積，m2；ΔM為經(jīng)T時(shí)段沖磨后，試件損失的累計(jì)質(zhì)量，kg。

2 試驗(yàn)結(jié)果

單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和抗沖磨強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 混凝土性能指標(biāo)

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(jī)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(dòng)性，但如果橡膠集料摻量過(guò)大時(shí)拌合物易發(fā)生離析。

坍落度與橡膠集料摻量的關(guān)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(qiáng)度和彈性模量

如圖2,圖3所示，混凝土抗壓強(qiáng)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(shí)，抗壓強(qiáng)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(jié)強(qiáng)度較弱，致使混凝土抗壓強(qiáng)度降低；而橡膠集料的彈性較大，在混凝土受壓時(shí)提供了較大的變形空間，因此彈性模量較小。

抗壓強(qiáng)度與橡膠集料摻量的關(guān)系擬合為式(5)：

y=30.6-0.36x

(5)

其中，y為抗壓強(qiáng)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(guān)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(qiáng)度

如圖4所示，混凝土抗沖磨強(qiáng)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(shì)。與普通混凝土相比，橡膠集料摻量10%～40%時(shí)，抗沖磨強(qiáng)度增大了1.95倍～8.37倍。橡膠集料混凝土抗沖磨強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系與其他高抗沖磨混凝土(強(qiáng)度高，抗沖磨強(qiáng)度高)截然不同，強(qiáng)度雖低，但抗沖磨強(qiáng)度高，且上升空間很大，即可以通過(guò)減小水灰比，提高基準(zhǔn)混凝土(橡膠集料取代前)的強(qiáng)度而進(jìn)一步提升抗沖磨強(qiáng)度。

抗沖磨強(qiáng)度與橡膠集料摻量的關(guān)系擬合為式(7)：

y=3.21+1.16x-0.01x2

(7)

其中，y為抗沖磨強(qiáng)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(jī)理

水下鋼球法是利用高速旋轉(zhuǎn)的水流帶動(dòng)鋼球，模擬推移質(zhì)介質(zhì)對(duì)混凝土表面造成破壞。沖磨開(kāi)始后，強(qiáng)度相對(duì)較低的表層水泥石很快被沖磨掉，裸露出強(qiáng)度相對(duì)較高的粗骨料分擔(dān)沖磨力。沖磨繼續(xù)，粗骨料周?chē)乃嗍粵_磨成凹坑(如圖5a)所示)，這時(shí)粗骨料承受大部分沖磨力，由于粗骨料一般比較堅(jiān)硬，沖磨時(shí)間較長(zhǎng)，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(dān)全部的沖磨力，如此反復(fù)，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(hù)水泥石，延長(zhǎng)了沖磨破壞時(shí)間，從而提高了混凝土的抗沖磨強(qiáng)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(jié)語(yǔ)

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(qiáng)度和彈性模量減小，而抗沖磨強(qiáng)度大幅提高。3)橡膠集料在水泥石表面形成一層彈性保護(hù)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(zhǎng)了沖磨破壞時(shí)間，從而提高了混凝土抗沖磨強(qiáng)度。