玄武巖纖維橡膠混凝土的抗沖磨性能

中圖分類(lèi)號(hào)： TU528.572 最近更新：2024-11-22 DOI： 10.11835/j.issn.2096-6717.2022.060

摘要

為提高混凝土的抗沖磨性能，研究粒狀、針狀、粉狀橡膠對(duì)混凝土抗沖磨性能的影響，在粒狀橡膠混凝土基礎(chǔ)上摻入玄武巖纖維，研究纖維橡膠復(fù)合時(shí)混凝土的抗沖磨性能，結(jié)合SEM觀察微觀形貌，并分析其抗沖磨增強(qiáng)機(jī)理，運(yùn)用分形維數(shù)表征混凝土磨損過(guò)程的形貌變化情況，并討論分形維數(shù)與磨損程度的關(guān)系。結(jié)果表明：摻入15%的粒狀、針狀與粉狀橡膠時(shí)，混凝土的抗沖磨強(qiáng)度分別提高了140.24%、157.96%、83.88%；當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.1%時(shí)，粒狀橡膠混凝土抗沖磨強(qiáng)度提高了11.63%，纖維和橡膠能在不同層面上發(fā)揮作用，共同增強(qiáng)抗沖磨性能；混凝土磨損程度可用分形維數(shù)表征，隨著時(shí)間的增加，混凝土磨損越嚴(yán)重，分形維數(shù)越大，得到了分形維數(shù)與質(zhì)量損失率和體積損失率的關(guān)系，并建立了曲線(xiàn)方程。

關(guān)鍵詞

玄武巖纖維; 橡膠混凝土; 抗沖磨性能; 分形維數(shù)

含砂、石水流會(huì)對(duì)混凝土過(guò)流面造成沖磨破壞，進(jìn)而縮短水工建筑物的服役壽命，因此，提高混凝土的抗沖磨性能具有重要意義。已有研究表明，通過(guò)減小水膠比[1]、摻納米二氧化硅、硅粉等途徑[2-3]，能夠優(yōu)化水泥石的結(jié)構(gòu)，提高水泥石與骨料的黏結(jié)強(qiáng)度，或者使用較高硬度且耐磨的骨料[4-6]，以此延緩沖磨破壞的進(jìn)程。近年來(lái)，研究中發(fā)現(xiàn)廢舊輪胎具有極佳的韌性和耐磨性，將其破碎摻入混凝土中能有效提高混凝土抗沖磨性能[7-9]。另外，將纖維摻入混凝土中也可以提高抗沖磨性能，如鋼纖維、PVA、玄武巖纖維混凝土等[10-11]，這些研究中主要關(guān)注橡膠粒徑與摻量、纖維摻量的影響，而對(duì)不同形狀橡膠對(duì)抗沖磨性能影響的研究卻鮮有報(bào)道，對(duì)于纖維橡膠復(fù)合時(shí)混凝土的抗沖磨性能也鮮有報(bào)道。

目前，對(duì)混凝土磨損過(guò)程中形貌變化關(guān)注較少?；炷磷鳛橐环N非均質(zhì)材料，在磨損過(guò)程中，其表面會(huì)呈現(xiàn)出凹凸不平的形貌，這種復(fù)雜表面很難用經(jīng)典幾何參數(shù)進(jìn)行表征，近年來(lái)快速發(fā)展的分形理論為復(fù)雜表面磨損過(guò)程的表征提供了新思路。已有學(xué)者將分形理論用于表征硫酸侵蝕混凝土的表面形貌[12]，以及對(duì)混凝土表面粗糙度進(jìn)行評(píng)價(jià)等方面[13]，而是否可用分形維數(shù)對(duì)混凝土磨損過(guò)程的形貌進(jìn)行表征需要進(jìn)一步研究。

筆者研究粒狀橡膠、針狀橡膠、粉狀橡膠的抗沖磨性能，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)摻玄武巖纖維分析對(duì)橡膠混凝土抗沖磨性能的影響；通過(guò)三維數(shù)據(jù)采集并重建數(shù)字模型，計(jì)算磨損過(guò)程的體積變化情況以及分形維數(shù)，并分析了不同橡膠纖維增強(qiáng)混凝土抗沖磨性能的機(jī)理，計(jì)算了混凝土的體積損失率、質(zhì)量損失率及分形維數(shù)，建立了分形維數(shù)與體積損失率和質(zhì)量損失率的關(guān)系式。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

水泥：新疆天山水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥。細(xì)集料：天然砂，細(xì)度模數(shù)2.6，表觀密度為2.65 g/cm3；粗骨料：卵石，5～20 mm連續(xù)級(jí)配，表觀密度為2.67 g/cm3。外加劑：聚羧酸高效減水劑。玄武巖纖維：短切玄武巖纖維，長(zhǎng)度12 mm，性能參數(shù)見(jiàn)表1。

橡膠：試驗(yàn)橡膠見(jiàn)圖1，粒狀橡膠，粒徑2～4 mm;針狀橡膠，長(zhǎng)度為10～25 mm，寬度為1～2 mm；粉狀橡膠，粒徑0.6～1.2 mm，密度為1.15 g/m3；主要通過(guò)機(jī)器的剪切力和摩擦力使橡膠呈粒狀、針狀和粉狀，所用橡膠均經(jīng)過(guò)清水清洗，以去除表面雜質(zhì)。

1.2 混凝土配合比

試驗(yàn)所用水膠比為0.35，粒狀、針狀、粉狀橡膠分別等體積取代15%的細(xì)骨料，減水劑摻量為0.15%，試驗(yàn)配合比見(jiàn)表2。

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL/T 352—2020），進(jìn)行混凝土立方體抗壓、劈裂抗拉試驗(yàn)和抗沖磨試驗(yàn)，抗沖磨試驗(yàn)采用水下鋼球法?？箾_磨強(qiáng)度計(jì)算式為

Ra=TAm2?m1

（1）

式中：Ra為抗沖磨強(qiáng)度，（h·m2）/kg；T為試驗(yàn)累計(jì)時(shí)間，h；A為試件受沖磨面積，m2；m1、m2分別為沖磨前、沖磨后的質(zhì)量，kg。

參照《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（CECS 13：2009），使用自制落錘抗沖擊裝置，底座采用剛性水平板，裝置示意圖見(jiàn)圖2。

試件為直徑為150 mm、高為65 mm的圓餅形試件，沖擊球直徑為63 mm，沖擊錘重4.45 kg，沖擊錘在450 mm高度自由落下，沖擊放置在試件頂面的鋼球，沖擊錘每次沖擊完成提升至預(yù)設(shè)的凹槽內(nèi)，保證試件中心、沖擊球、沖擊錘在同一豎直線(xiàn)上，每完成一次沖擊即為一個(gè)循環(huán)。當(dāng)試件表面出現(xiàn)第一條裂縫時(shí)即為初裂沖擊次數(shù)N1，當(dāng)觀察到裂紋貫穿時(shí)即為終裂沖擊次數(shù)N2。

混凝土沖擊功計(jì)算式為

W=mghn （2）

式中：W為沖擊功，J；m為沖擊錘質(zhì)量，kg；g為重力加速度，取9.81 m/s2；h為沖擊錘下落高度；n為沖擊次數(shù)。

試件均在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至28 d，使用SUPRA 55VP型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察橡膠、纖維在混凝土中的微觀結(jié)構(gòu)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

圖3為試驗(yàn)得到的混凝土力學(xué)性能。由圖3可知，普通混凝土的抗壓和劈拉強(qiáng)度分別為62.4、3.83 MPa，分別摻入粒狀、針狀、粉狀橡膠后，其抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度降低明顯，這是由于橡膠具有彈性，荷載承受能力較弱，會(huì)減小骨料的骨架作用，在持續(xù)應(yīng)力作用下，降低了試件的荷載承受能力。橡膠摻量相同時(shí)，不同橡膠形狀對(duì)力學(xué)性能影響存在差異，其中摻粒狀橡膠的混凝土抗壓和劈拉強(qiáng)度損失最少，為25.5%、16.45%。由于橡膠具有憎水性，與水泥石的黏結(jié)強(qiáng)度較弱，存在薄弱界面[14]，粒狀橡膠的數(shù)量少于粉狀橡膠，而針狀橡膠由于形狀特殊，會(huì)引入連續(xù)的薄弱界面，所以表現(xiàn)為摻粒狀橡膠的混凝土強(qiáng)度較高。在粒狀橡膠混凝土中摻玄武巖纖維，可以看出纖維能夠減小因摻橡膠引起的強(qiáng)度損失，當(dāng)纖維摻量為0.1%時(shí)，粒狀橡膠混凝土的抗壓和劈拉強(qiáng)度提高最大，分別為8.3%、7.19%。這是由于適量的纖維在混凝土中相互搭接，形成類(lèi)似于鋼筋作用的微網(wǎng)狀空間體系，在受力后能約束混凝土產(chǎn)生裂紋，處于裂紋間的纖維能夠起到搭接作用，緩解裂紋尖端的應(yīng)力集中，抑制裂紋擴(kuò)展[15]，以此增強(qiáng)橡膠混凝土的強(qiáng)度。

2.2 抗沖擊及抗沖磨性能

高速水流往往會(huì)攜帶大顆粒的推移質(zhì)泥沙對(duì)水工建筑物混凝土造成沖擊、磨損破壞，而以水下鋼球法評(píng)價(jià)混凝土的抗沖磨強(qiáng)度時(shí)，無(wú)法真實(shí)模擬大顆粒推移質(zhì)泥沙對(duì)混凝土的沖擊作用，所以結(jié)合水下鋼球法和落錘沖擊法綜合分析混凝土的抗沖磨性能。圖4為混凝土抗沖磨強(qiáng)度及終裂沖擊功。由圖4可知，普通混凝土的抗沖磨強(qiáng)度為9.99 （h·m2）/kg，終裂沖擊功為864 J，分別摻入粒狀、針狀與粉狀橡膠時(shí)，其抗沖磨強(qiáng)度提高了140.24%、157.96%、83.88%，終裂沖擊功提高了263.6%、300%、43.2%，由此可知，粒狀和針狀橡膠對(duì)混凝土的抗沖磨和抗沖擊性能提升顯著。在粒狀橡膠混凝土中摻玄武巖纖維，當(dāng)纖維摻量為0.1%時(shí)，其抗沖磨強(qiáng)度提高了11.63%，終裂沖擊功提高了78.1%，玄武巖纖維可以增強(qiáng)橡膠混凝土的抗沖磨及抗沖擊性能。對(duì)比7組試件的抗沖磨與抗沖擊性能，其相關(guān)性較好，以粒狀橡膠混凝土為例，即抗沖磨強(qiáng)度較高的混凝土抗沖擊性能也較高。

2.3 抗沖擊及抗沖磨機(jī)理分析

混凝土沖磨破壞過(guò)程中，主要表現(xiàn)為小角度的切削和大角度的沖擊導(dǎo)致混凝土表面脆性斷裂[16]。圖5為橡膠混凝土抗沖磨機(jī)制模型。在表層砂漿被沖磨后逐漸漏出骨料與橡膠，當(dāng)運(yùn)動(dòng)的砂石對(duì)混凝土進(jìn)行切削、沖擊等作用時(shí)，裸露的橡膠由于本身具有優(yōu)良的彈性和耐磨性，在砂石的切削作用下阻礙了切削作用對(duì)水泥石和骨料的破壞，同時(shí)橡膠通過(guò)自身形變吸收回彈釋放部分沖擊動(dòng)能，降低作用于混凝土的整體沖擊動(dòng)能，延緩水泥石內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，從而表現(xiàn)出優(yōu)異的抗沖磨性能如圖5（a）所示。當(dāng)橡膠摻量相同時(shí)，粒狀和針狀橡膠混凝土表現(xiàn)出較好的抗沖磨性能，而粉狀橡膠提升最小，這是由于橡膠與基體結(jié)合面存在薄弱界面，橡膠裸露時(shí)，每一個(gè)粉狀橡膠與水泥石的黏結(jié)面積較小，同時(shí)數(shù)量眾多，薄弱界面也更多，砂石通過(guò)不同的角度沖磨混凝土表層，容易脫落，表現(xiàn)出較低的抗沖磨性能；針狀橡膠由于自身寬度和粒狀橡膠接近，其吸能能力優(yōu)于粉狀橡膠，另外針狀橡膠具有一定長(zhǎng)度，在混凝土中呈亂向分布，當(dāng)混凝土磨損到一定程度時(shí)，部分與磨損面平行分布的針狀橡膠會(huì)因沖磨作用而脫落，與磨損面呈一定角度分布的針狀橡膠隨著磨損程度加深，裸露部分能夠覆蓋在混凝土表面，減小了砂漿骨料的實(shí)際磨損面積，剩余部分黏結(jié)在混凝中不易脫落，如圖5（b）所示，故表現(xiàn)出較好的抗沖磨性能。

粒狀橡膠混凝土中摻入玄武巖纖維時(shí)，摻量較少對(duì)混凝土性能提高并不明顯，過(guò)多會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚分散不均勻等現(xiàn)象，導(dǎo)致性能降低。纖維與水泥基體間應(yīng)力傳遞主要依靠纖維與水泥石的化學(xué)膠接力和物理摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)增韌阻裂作用，因此，纖維與水泥石間的界面結(jié)合度是纖維在混凝土中應(yīng)力傳遞的關(guān)鍵[17]。因纖維摻量為0.1%時(shí)橡膠混凝土綜合性能最佳，故作為SEM對(duì)象，結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖6（a）、（b）、（c）可知，橡膠與基體結(jié)合面存在界面區(qū)，而適當(dāng)摻量的纖維在橡膠混凝土中分散較好，玄武巖纖維為天然巖石纖維，主要成分為硅酸鹽，與水化產(chǎn)物成分接近，在水化過(guò)程中，與水泥石黏結(jié)情況較好[18]，可以看出纖維與水泥石之間無(wú)明顯界面區(qū)，因此，保障了混凝土受力時(shí)纖維在其中的應(yīng)力傳遞作用。此外可以發(fā)現(xiàn)，纖維呈三維亂向分布，能在混凝土內(nèi)部構(gòu)成空間網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)整體受力傳遞性能。在沖磨作用下，部分分布于裂紋間的纖維則通過(guò)與基體間的黏結(jié)力和摩擦力可將部分沖擊荷載傳遞至裂紋兩側(cè)的基體上，同時(shí)消耗部分動(dòng)能用于自身材料的拉拔變形破壞，進(jìn)而阻止裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，如圖6（d）所示，此外，纖維還能牽制部分碎塊從基體中脫落，橡膠能通過(guò)自身壓縮吸收回彈并釋放部分動(dòng)能，減弱作用于基體的動(dòng)能，如圖5（c），此時(shí)纖維能夠與橡膠共同發(fā)揮作用以增強(qiáng)混凝土的抗沖磨性能。

2.4 磨損面形貌特征分析

2.4.1 三維形貌測(cè)量

試驗(yàn)采用簡(jiǎn)化的三維形貌掃描測(cè)量系統(tǒng)[19]，以此確定混凝土沖磨過(guò)程的形貌變化情況，見(jiàn)圖7。

通過(guò)以試件為中心建立笛卡爾坐標(biāo)系（X、Y、Z），使Z軸與試件垂直，使用深度計(jì)取代位移傳感器，所使用的深度計(jì)垂直方向測(cè)量范圍為120 mm，精度為0.01 mm，此深度計(jì)可以在Y軸支架上移動(dòng)，通過(guò)移動(dòng)支架X軸和Y軸上的深度計(jì)來(lái)測(cè)量混凝土表面的磨損變化。鑒于試驗(yàn)精度和測(cè)量工作量，本次試驗(yàn)在X、Y方向每隔5 mm取一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上計(jì)算了試件的磨損體積和分形維數(shù)，并繪制三維形貌特征。

2.4.2 磨損面分形維數(shù)

試驗(yàn)采用較直接且可靠的立方體覆蓋法計(jì)算混凝土沖磨表面分形維數(shù)[20]，示意圖見(jiàn)圖8。立方體覆蓋法計(jì)算沖磨表面分形維數(shù)的原理為：在磨損面的投影面平面XOY上取邊長(zhǎng)為δ的正方形網(wǎng)格，每個(gè)正方形網(wǎng)格的4個(gè)角點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)磨損面上的4個(gè)高度值，分別為h（i，j），h（i+1，j），h（i，j+1），h（i+1，j+1）（其中i≥1，j≤n-1，n為每條邊的測(cè)量點(diǎn)數(shù)），然后用邊長(zhǎng)為δ的立方體對(duì)沖磨面進(jìn)行覆蓋，計(jì)算覆蓋沖磨面所需δ×δ的立方體個(gè)數(shù)Ni，j，其計(jì)算式為

Ni，j=int{δ-1[max（h（i，j），h（i，j+1），h（i+1，j），h（i+1，j+1））-min（h（i，j），h（i，j+1），h（i+1，j），h（i+1，j+1））]+1}"""""" （3）

式中：int為取整函數(shù)，覆蓋整個(gè)沖磨面所需立方體總個(gè)數(shù)N（δ）為

N（δ）=∑i，j=1n?1Ni，j

（4）

取不同的δ值對(duì)沖磨面進(jìn)行覆蓋，并計(jì)算所需總立方體個(gè)數(shù)N（δ）。若沖磨表面具有分形性質(zhì)，按照分形理論，立方體總個(gè)數(shù)N（δ）與取值尺度δ之間存在關(guān)系式為：N（δ）～δ-D，其中D為沖磨面的分形維數(shù)。當(dāng)觀測(cè)尺度取值δ大于一定值時(shí)，其不會(huì)表現(xiàn)分形性質(zhì)，所以δ取值越小，越能很好地覆蓋并接近真實(shí)的沖磨平面。

2.4.3 磨損體積

通過(guò)采集的三維數(shù)據(jù)，計(jì)算不同時(shí)間段內(nèi)混凝土磨損的體積，計(jì)算式為[22]

V=?s[Z0?Z（X，Y）]ds=?sΔzds=∑n=1NΔz（Xn，Yn）ΔSn

（5）

式中：Δ

Z為每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的磨損深度；Δ

Sn為水平表面的面積微元；N為整個(gè)沖磨面的測(cè)量總點(diǎn)數(shù)，計(jì)算結(jié)果列于表3。

2.4.4 分形維數(shù)結(jié)果及分析

根據(jù)磨損面分形維數(shù)計(jì)算方法計(jì)算相關(guān)參數(shù)。表4為普通混凝土磨損48 h的計(jì)算結(jié)果，圖9為該試件在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中δ與N（δ）的線(xiàn)性回歸公式，其中，斜率為所求的分形維數(shù)D，采用該方法可求得試驗(yàn)所有試件不同時(shí)間內(nèi)的分形維數(shù)D，試驗(yàn)的分形維數(shù)計(jì)算結(jié)果列于表5。將測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字模型構(gòu)造，如圖10。

混凝土作為一種非均質(zhì)材料，磨損面往往會(huì)呈現(xiàn)出差異性，導(dǎo)致各組混凝土的分形維數(shù)計(jì)算結(jié)果不同。由表5可知，混凝土磨損過(guò)程中分形維數(shù)在不斷增大，分形維數(shù)與時(shí)間呈正相關(guān)，隨著時(shí)間的增加而增大，分形維數(shù)沒(méi)有趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，而抗沖磨強(qiáng)度用于表征混凝土的抗沖磨性能，其性能最終是由一個(gè)具體數(shù)值表示，所以并不能將變化中的分形維數(shù)用于表征與抗沖磨強(qiáng)度間的關(guān)系。其原因是，隨著磨損過(guò)程的進(jìn)行，原本光滑的混凝土表層開(kāi)始變得凹凸不平，磨損時(shí)間越長(zhǎng)，試件的磨損面積越大，粗糙表面越多，磨損深度越深，導(dǎo)致混凝土的分形維數(shù)也在逐漸增大，圖10為普通混凝土磨損48、96、144 h表面的變化情況，由逐漸變大的分形維數(shù)可知，分形維數(shù)越大，混凝土磨損越嚴(yán)重。

混凝土磨損過(guò)程中，試件的質(zhì)量損失或者體積損失都會(huì)引起混凝土形貌的改變，分形維數(shù)作為一種表面形貌變化情況的表征參數(shù)，將其與質(zhì)量損失率、體積損失率進(jìn)行曲線(xiàn)擬合并得到關(guān)系式，見(jiàn)圖11，由圖11可知，分形維數(shù)與質(zhì)量損失率、體積損失率存在較好的相關(guān)性，隨著分形維數(shù)的增大，混凝土的質(zhì)量損失率、體積損失率都在逐漸增大，說(shuō)明分形維數(shù)可用于表征混凝土的磨損情況。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得出試驗(yàn)條件下分形維數(shù)D與摻橡膠、纖維的混凝土質(zhì)量損失率M、體積損失率V的關(guān)系式，見(jiàn)式（6）、式（7）。

V=224.8ln（D）-163.9， R2=0.875 3"" （6）

M=202.49ln（D）-147.76， R2=0.848 4""""" （7）

當(dāng)實(shí)際工程中判斷混凝土磨損情況時(shí)，由于無(wú)法確定混凝土的質(zhì)量損失或者體積損失時(shí)，可通過(guò)分形維數(shù)按式（6）、式（7）推斷出質(zhì)量損失率和體積損失率，快速判斷出混凝土的磨損情況。

3 結(jié)論

1）橡膠形貌對(duì)抗沖磨性能影響較大，在普通混凝土中摻15%橡膠，粒狀橡膠與針狀橡膠表現(xiàn)出較好的抗沖磨性能，提升率達(dá)到140.24%、157.96%，而粉狀橡膠相對(duì)提升較小，為83.88%，說(shuō)明對(duì)于抗沖磨混凝土，摻粒狀橡膠或者針狀橡膠較為合適；適量的玄武巖纖維能再次提高橡膠混凝土的抗沖磨性能，當(dāng)纖維摻量為0.1%時(shí)，橡膠混凝土的抗沖磨強(qiáng)度提高了11.63%，橡膠和纖維能夠共同發(fā)揮作用，在不同層面上提高抗沖磨性能。

2）分形維數(shù)可以表征混凝土磨損過(guò)程表面變化情況，發(fā)現(xiàn)分形維數(shù)與磨損時(shí)間呈正相關(guān)，隨著磨損過(guò)程的進(jìn)行，混凝土磨損面粗糙程度加重，分形維數(shù)逐漸增大，分形維數(shù)越大，混凝土磨損越嚴(yán)重；分形維數(shù)與體積損失率和質(zhì)量損失率存在較好的相關(guān)性，并建立了曲線(xiàn)方程，可以通過(guò)分形維數(shù)推斷混凝土的質(zhì)量損失率或體積損失率。

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