橡膠對(duì)超高性能混凝土力學(xué)性能的影響研究

時(shí)文友，李雙喜，孟遠(yuǎn)遠(yuǎn)，陳鴻飛，陸 瑤

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

新疆地區(qū)河流中的推移質(zhì)泥沙含量較高，且水流流速快，對(duì)水工建筑物的過(guò)流面混凝土造成嚴(yán)重撞擊、切割及磨蝕，大大縮短了水工混凝土的使用年限。

目前，新疆地區(qū)的工程常采用“硬碰硬”的方式解決抗沖磨問(wèn)題，即制備高強(qiáng)高性能混凝土來(lái)增強(qiáng)過(guò)流面抵抗推移質(zhì)泥沙顆粒沖磨破壞的能力。 由于高強(qiáng)混凝土脆性大，因此其沖磨性能在大顆粒推移質(zhì)泥沙顆粒的撞擊下有所降低。 超高性能混凝土（UHPC）是一種具有高強(qiáng)、高密實(shí)度、高耐久性的新型混凝土，在配制時(shí)剔除了粗骨料，加入鋼纖維，具有超高的強(qiáng)度和良好的韌性，抗沖磨效果優(yōu)良。 涂天馳［1］采用水砂槍法研究了超高性能混凝土的抗沖磨性能，發(fā)現(xiàn)C150 超高性能混凝土的抗沖磨性能是C80 混凝土的1.5 倍。還有一些學(xué)者［2-5］研究了水膠比、膠凝材料組成、骨料級(jí)配、纖維種類及摻量對(duì)混凝土抗沖擊性、抗凍性、抗沖磨性能的影響，結(jié)果表明，降低水膠比、調(diào)整膠凝材料組成配比、完善骨料級(jí)配等均能提高混凝土的性能。

雖然超高性能混凝土有較為優(yōu)異的抗沖磨性，但還是基于“硬碰硬”的方式來(lái)提高混凝土抗沖磨性，當(dāng)遇到高速水流和大顆粒泥沙長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)的撞擊時(shí)，超高性能混凝土的抗沖磨能力有待進(jìn)一步驗(yàn)證。 目前還沒(méi)有關(guān)于在超高性能混凝土中加入橡膠，采用“以柔克剛”的方式提高混凝土抗沖磨性能的研究。 馮凌云等［6］在C25 混凝土中摻入不同粒徑和不同摻量的橡膠開(kāi)展研究，結(jié)果表明橡膠摻量增大會(huì)使混凝土抗壓強(qiáng)度減小，但其韌性有所增大。 周金枝等［7］研究指出，橡膠提高了混凝土的極限拉伸值和抗拉強(qiáng)度。

筆者在超高性能混凝土中摻入不同粒徑的橡膠顆粒，通過(guò)力學(xué)性能試驗(yàn)研究橡膠顆粒對(duì)超高性能混凝土力學(xué)性能的影響，并通過(guò)微觀孔結(jié)構(gòu)觀測(cè)，揭示橡膠對(duì)UHPC 力學(xué)性能的影響機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 材料

水泥采用新疆天山水泥股份有限公司生產(chǎn)的合格52.5R 普通硅酸鹽水泥，其物理性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 52.5R 普通硅酸鹽水泥性能參數(shù)

粉煤粉采用新疆五彩灣火力發(fā)電廠生產(chǎn)的F 類Ⅱ級(jí)粉煤灰，品質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 粉煤灰品質(zhì)指標(biāo)

硅灰采用新疆貝特力新材料科技有限公司生產(chǎn)的微硅粉，其品質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 硅灰的品質(zhì)指標(biāo)

骨料：石英砂，細(xì)度模數(shù)為3.03；中砂，表觀密度為

2 632 kg／m3。

橡膠采用都江堰市華益橡膠有限公司生產(chǎn)的橡膠，粒徑分別為8 目（2 ～4 mm）、16 目（1 ～2 mm）、40目（0.2～0.4 mm），密度為1 119 kg／m3。

鋼纖維采用玉田縣致泰鋼纖維制造有限公司生產(chǎn)的波浪形鋼纖維，其性能指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 鋼纖維物理性能指標(biāo)

減水劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的PCA ?-300P 粉體聚羧酸高性能減水劑，減水率為30%。

1.2 試驗(yàn)方案

粉煤灰是一種主要成分為活性SiO2或Al2O3的呈玻璃態(tài)球狀的微顆粒，因此粉煤灰具有潤(rùn)滑、填充孔隙、促進(jìn)水化反應(yīng)的作用；硅灰的成分主要為細(xì)小的滾珠狀活性SiO2，可以促進(jìn)混凝土的水化反應(yīng)。 但不同的粉煤灰、硅灰摻量對(duì)混凝土的影響不同。 本次按照正交試驗(yàn)方法，篩選出膠凝材料和鋼纖維的最佳摻量組合，正交因素水平見(jiàn)表5，正交方案A1～A9試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。 通過(guò)極差與方差分析（見(jiàn)表7、表8），得到本次試驗(yàn)最佳摻量組合：硅灰摻量15%、粉煤灰摻量5%、鋼纖維摻量1%。 根據(jù)確定的最佳摻量組合，分別摻入粒徑為8 目、16 目和40 目的橡膠，得到橡膠超高性能混凝土試驗(yàn)方案B1～B10（見(jiàn)表9，其中B1為未摻入橡膠的基準(zhǔn)組）。

表5 超高性能混凝土正交因素水平

表7 超高性能混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度極差分析結(jié)果

表8 超高性能混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度方差分析結(jié)果

表9 橡膠超高性能混凝土試驗(yàn)方案

1.3 試件制備與試驗(yàn)方法

依據(jù)《超高性能混凝土基本性能與試驗(yàn)方法》（T／CCPA7—2018）制備尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，每組6 個(gè)試件。 混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 50081—2019）中的試驗(yàn)方法采用YE-200A 液壓機(jī)進(jìn)行，擴(kuò)展度、坍落度試驗(yàn)依據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》（GB／T 50080—2016）進(jìn)行。

根據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（DL／T 5150—2017）制備尺寸為300 mm（直徑）×100 mm（高）的抗沖磨試件，采用水下鋼球法進(jìn)行抗沖磨試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 混凝土力學(xué)試驗(yàn)及結(jié)果分析

根據(jù)表9 配制橡膠超高性能混凝土，開(kāi)展力學(xué)性能試驗(yàn)。 由圖1 可知，隨著混凝土中橡膠摻量的增大，其抗壓強(qiáng)度降低。 當(dāng)橡膠摻量從0%增加到10%時(shí)，立方體試件的抗壓強(qiáng)度下降了16.5%～35.6%；摻量從10%增加到12.5%，立方體試件的抗壓強(qiáng)度下降了24.9%～38.1%；摻量從12.5%增加到15.0%，立方體試件抗壓強(qiáng)度下降了30.9%～44.5%。 綜上所述，橡膠摻量對(duì)超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度的影響十分明顯，立方體試件抗壓強(qiáng)度并沒(méi)有隨著橡膠粒徑的減小而降低，其中16 目橡膠對(duì)超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度影響最大，40 目次之，8 目影響最小。 產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是：橡膠填充了水泥石中部分孔隙，改善了界面，但是其本身抗壓強(qiáng)度不高，受壓能力不如細(xì)骨料，在應(yīng)力傳遞過(guò)程中切斷了傳遞路徑，從而使得應(yīng)力無(wú)法傳遞，造成了抗壓強(qiáng)度降低。

圖1 橡膠對(duì)超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

2.2 微觀結(jié)構(gòu)分析

采用掃描電鏡（SEM）觀測(cè)超高性能混凝土試件界面過(guò)渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)。 基準(zhǔn)組界面過(guò)渡區(qū)SEM 圖像見(jiàn)圖2，可知粉煤灰、硅灰與硅酸鹽水泥反應(yīng)產(chǎn)生絮狀C-S-H 和大量柱狀鈣礬石。 過(guò)渡界面薄弱是混凝

圖2 基準(zhǔn)組界面過(guò)渡區(qū)SEM 圖像

土抗壓強(qiáng)度不佳的主要原因之一［7］，當(dāng)橡膠加入混凝土后因橡膠極具彈性而提高了混凝土的韌性，但同時(shí)也大大降低了混凝土的強(qiáng)度。 圖3 中可見(jiàn)大量絮狀C-S-H和尚未完全水化的球狀粉煤灰顆粒，同時(shí)還能夠清晰地看到水泥石與橡膠的過(guò)渡界面。

圖3 摻入8 目橡膠組界面過(guò)渡區(qū)SEM 圖像

與圖2 相比，圖3 中過(guò)渡界面更加寬，從而導(dǎo)致了橡膠與水泥石的膠結(jié)能力弱于石英砂與水泥石的，當(dāng)混凝土受力時(shí)會(huì)沿著過(guò)渡界面產(chǎn)生裂縫，從而最終導(dǎo)致混凝土受力破壞。 圖3 中只能看到少量的鈣礬石，且在過(guò)渡界面區(qū)并未發(fā)現(xiàn)水化產(chǎn)物。

2.3 孔結(jié)構(gòu)分析

采用低溫氮吸附法測(cè)量超高性能混凝土的孔結(jié)構(gòu)。 由混凝土孔徑分布情況（見(jiàn)圖4，其中V為孔體積、D為孔徑）可知，基準(zhǔn)組混凝土孔徑在0 ～60 nm 之間均有分布，主要分布在6.5 nm左右，但是摻入8 目橡膠后超高性能混凝土的孔徑大量分布在10 ～50 nm 之間，且孔徑為25 nm 的介孔數(shù)量最多，摻8 目橡膠組孔徑為10～50 nm 的介孔數(shù)量遠(yuǎn)大于基準(zhǔn)組的，這說(shuō)明橡膠的加入使得混凝土中微孔被堵住，從而導(dǎo)致混凝土中微孔數(shù)量減少，介孔數(shù)量增多。

圖4 混凝土孔徑分布情況

2.4 水化進(jìn)程分析

將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 后的混凝土試件粉碎、研磨后進(jìn)行X 射線衍射（簡(jiǎn)稱XRD）試驗(yàn)，由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，橡膠加入混凝土后對(duì)混凝土的水化反應(yīng)影響并不大。 基準(zhǔn)組與摻8 目橡膠組均出現(xiàn)了Ca（OH）2的衍射峰，且兩組中Ca（OH）2衍射峰的高度相差無(wú)幾，因此橡膠并不影響混凝土的水化進(jìn)程。

通過(guò)對(duì)橡膠超高性能混凝土的過(guò)渡界面、介孔以及水化進(jìn)程的分析發(fā)現(xiàn)：橡膠使混凝土的過(guò)渡界面變得更加脆弱，這是導(dǎo)致橡膠超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度降低的主要原因，且隨著橡膠粒徑的減小，橡膠比表面積增大，混凝土的薄弱面增多，從而導(dǎo)致橡膠粒徑與混凝土抗壓強(qiáng)度成反比。 同時(shí)橡膠還使混凝土孔徑為10～50 nm 的介孔數(shù)量增多，但橡膠并不影響混凝土的水化進(jìn)程。

2.5 橡膠超高性能混凝土抗沖磨性能

橡膠超高性能混凝土抗沖磨168 h 的抗沖磨強(qiáng)度見(jiàn)表10。 當(dāng)橡膠的摻量為10%時(shí)，超高性能混凝土抗沖磨性能有所提高，最高提升85.3%，摻入12.5%的40目橡膠后，其抗沖磨強(qiáng)度不升反降，降低了6.1%；當(dāng)摻量達(dá)到15%時(shí)，摻入40 目和16 目橡膠的混凝土的抗沖磨性能均有所下降，分別下降了29.2%和9.1%，僅僅只有摻入8 目橡膠后混凝土抗沖磨性能提升了11.5%。 因此，隨著橡膠摻量的增大，混凝土的抗沖磨強(qiáng)度先增大后減小，隨著橡膠粒徑的增大，混凝土的抗沖磨強(qiáng)度逐漸增大。

表10 橡膠超高性能混凝土抗沖磨168 h 的抗沖磨強(qiáng)度

3 結(jié) 論

（1）隨著橡膠摻量的增大，混凝土抗壓強(qiáng)度降低。當(dāng)橡膠摻量從0%增加到10%時(shí)，立方體試件的抗壓強(qiáng)度下降 了16.5% ～35.6%；摻 量 從10% 增 加到12.5%，立方體試件的抗壓強(qiáng)度下降了24.9%～38.1%；摻量從12.5%增加到15.0%，立方體試件抗壓強(qiáng)度下降了30.9%～44.5%。

（2）橡膠摻量介于10%～15%之間時(shí)，其粒徑對(duì)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的影響順序?yàn)椋?6 目＞40 目＞8 目。

（3）橡膠對(duì)UHPC 力學(xué)性能的影響主要體現(xiàn)在削弱了水化產(chǎn)物與骨料之間的膠結(jié)能力，使得混凝土的薄弱面增多，導(dǎo)致混凝土的抗壓強(qiáng)度降低。 由XRD 分析結(jié)果可知，橡膠的摻入不會(huì)影響混凝土的水化反應(yīng)。

（4）隨著橡膠摻量的增大，混凝土的抗沖磨強(qiáng)度先增大后減小，隨著橡膠粒徑的減小，混凝土的抗沖磨強(qiáng)度降低。