橡胶集料对混凝土抗冲磨性能的增强机理研究★

刘 春 丽

(河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450003)

0 引言

水工建筑物挡水蓄能、防汛兴利的同时，混凝土表面时常受到高速水流中夹杂着砂石等悬移质或推移质的冲磨和空蚀破坏[1,2]。因此，如何提高混凝土抗冲磨强度是水利工程建设中需要迫切解决的关键问题[3]。

冲磨破坏分为悬移质破坏和推移质破坏。含悬移质泥沙的高速水流对混凝土材料的冲磨破坏是以一层一层冲磨软弱部分的方式进行的。因此，混凝土表面较软弱的水泥砂浆层首先被冲磨掉，裸露粗骨料，进而冲磨粗骨料。随着时间的不断积累，粗骨料的棱角多被磨圆或被磨平，粗骨料周围的水泥浆被严重淘刷，使得混凝土表面极其不平整[4]。推移质对水工建筑物表面冲磨破坏作用主要是在高速水流的作用下，推移质对水工建筑物表面混凝土的冲击或者摩擦。推移质对混凝土的破坏，主要是以大角度的冲击破坏为主，推移质(例如石子)粒径越大，冲角、速度越大，形状越不规则，冲磨时间越长，对水工建筑物的破坏作用就会越大[5]。

从冲磨破坏原因可见，提高混凝土阻裂作用(如掺入钢纤维、聚丙烯纤维等)[6-9]，增强混凝土的强度和密实性(如掺入硅粉、粉煤灰和细矿渣粉等)[10-13]，可提高混凝土抗冲磨性抗冲磨强度。但混凝土的高强度，必然带来施工难度，且为改善混凝土材料性能和施工性能，随着掺合料和外加剂的增多，混凝土配合比设计越来越复杂，性能越来越难掌控，成本也越来越高。近年来橡胶集料混凝土作为一种新型高性能混凝土备受国内外学者关注。文献[14]将16目橡胶粉分别以5%,7.5%,10%,15%的比例按等量代砂的方法掺入混凝土中，采用圆环法研究了橡胶混凝土的抗冲磨性能。结果显示：橡胶粉的掺入可以提高混凝土的抗冲磨性能1倍～2倍以上，且橡胶粉掺量越大，抗冲磨性能提高越大。文献[15]采用水下钢球法，研究了不同水灰比的橡胶混凝土抗冲磨强度，发现橡胶混凝土抗冲磨性能随水灰比的减小而提高。目前，橡胶集料混凝土的抗冲磨性能研究还处于起步阶段，理论和技术尚缺乏系统性和全面性，对推广应用不利。

本文通过以C30强度等级的普通混凝土为对比组，并保持其他材料用量不变，仅将3 mm～5 mm粒径橡胶颗粒以等体积取代方式部分替代细骨料(砂)，采用水下钢球法(SL 352—2006水工混凝土试验规程)，研究不同掺量的橡胶集料对混凝土抗冲磨强度的影响规律，以及内在作用机理。

1 试验内容

1.1 原材料

水：为城市自来水；

水泥：采用P.O42.5普通硅酸盐水泥；

粗骨料：石灰岩碎石，5 mm～20 mm和20 mm～40 mm粒径，两者比例为4∶6；

细骨料：河砂，细度模数2.70，最大粒径5 mm，表观密度2 703 kg/m3；

橡胶集料：粒径3 mm～5 mm，表观密度1 208 kg/m3。

1.2 配合比

试验分别以C30强度等级的普通混凝土为对比组，橡胶颗粒分别以10%，20%，30%和40%(砂质量百分比)的比例等体积取代砂掺入普通混凝土中，配合比见表1。

表1 混凝土的配合比表 kg/m3

1.3 试验方法

试验按照SL 352—2006水工混凝土试验规程中的规定进行。

混凝土单轴抗压强度和弹性模量试验试件为φ150 mm×300 mm，单轴抗压强度按式(1)计算：

(1)

其中，fc为混凝土单轴抗压强度，MPa；A为混凝土试件的受压面积，mm2；P为破坏荷载，N。

弹性模量按式(2)计算：

(2)

其中，Ec为抗压弹性模量，MPa；P2为40%的极限破坏荷载，N；P1为应力为0.5 MPa时的荷载，N；Δl为应力从0.5 MPa增加到0.4fc时的试件变形值，mm;L为测量变形的标距，mm。

抗冲磨试验方法采用的是水下钢球法，混凝土试件为φ300 mm×100 mm。抗冲磨强度按式(3)计算：

(3)

其中，Ra为混凝土试件的抗冲磨强度，h/(kg/m2)；T为试验累计时间，h；A为混凝土试件的受冲磨面积，m2；ΔM为经T时段冲磨后，试件损失的累计质量，kg。

2 试验结果

单轴抗压强度、弹性模量和抗冲磨强度试验结果见表2。

表2 混凝土性能指标

2.1 坍落度

如图1所示，混凝土拌合物的坍落度随着橡胶集料掺量的增加而增大，改善了混凝土的工作性能，有利于施工。相比普通混凝土(橡胶集料掺量0%)，橡胶集料掺量10%～40%坍落度增加了28.9%～100%。橡胶集料属有机材料，表面呈憎水性，在水泥砂浆中起到“滚珠”作用，增大了混凝土拌合物的流动性，但如果橡胶集料掺量过大时拌合物易发生离析。

坍落度与橡胶集料掺量的关系拟合为式(4)：

y=38.00+0.95x

(4)

其中，y为坍落度，mm；x为橡胶集料掺量，%;R2=0.98。

2.2 抗压强度和弹性模量

如图2,图3所示，混凝土抗压强度和弹性模量随着橡胶集料掺量的增加而降低。与普通混凝土相比，橡胶集料掺量10%～40%时，抗压强度减小了11%～47%，弹性模量减小了18%～39%。橡胶集料与砂相比，由于材性相差很大，与水泥基体的粘结强度较弱，致使混凝土抗压强度降低；而橡胶集料的弹性较大，在混凝土受压时提供了较大的变形空间，因此弹性模量较小。

抗压强度与橡胶集料掺量的关系拟合为式(5)：

y=30.6-0.36x

(5)

其中，y为抗压强度，MPa；x为橡胶集料掺量，%；R2=0.99。

弹性模量与橡胶集料掺量的关系拟合为式(6)：

y=2.70-0.02x

(6)

其中，y为弹性模量，104MPa；x为橡胶集料掺量，%;R2=0.96。

2.3 抗冲磨强度

如图4所示，混凝土抗冲磨强度随着橡胶集料掺量的增加而提高，提高幅度有减小的趋势。与普通混凝土相比，橡胶集料掺量10%～40%时，抗冲磨强度增大了1.95倍～8.37倍。橡胶集料混凝土抗冲磨强度与抗压强度的关系与其他高抗冲磨混凝土(强度高，抗冲磨强度高)截然不同，强度虽低，但抗冲磨强度高，且上升空间很大，即可以通过减小水灰比，提高基准混凝土(橡胶集料取代前)的强度而进一步提升抗冲磨强度。

抗冲磨强度与橡胶集料掺量的关系拟合为式(7)：

y=3.21+1.16x-0.01x2

(7)

其中，y为抗冲磨强度，h/(kg/m2)；x为橡胶集料掺量，%；R2=0.99。

3 橡胶混凝土抗冲磨机理

水下钢球法是利用高速旋转的水流带动钢球，模拟推移质介质对混凝土表面造成破坏。冲磨开始后，强度相对较低的表层水泥石很快被冲磨掉，裸露出强度相对较高的粗骨料分担冲磨力。冲磨继续，粗骨料周围的水泥石慢慢被冲磨成凹坑(如图5a)所示)，这时粗骨料承受大部分冲磨力，由于粗骨料一般比较坚硬，冲磨时间较长，粗骨料逐渐磨平，最终因水泥石包裹面积慢慢减小而在水流冲击下脱落。粗骨料脱落后，水泥石再次承担全部的冲磨力，如此反复，混凝土被一层层冲磨掉。橡胶集料较均匀地分布在水泥石中(如图5b)所示)，因弹性较大，能大量吸收钢球的冲击能量，较好地保护水泥石，延长了冲磨破坏时间，从而提高了混凝土的抗冲磨强度，且冲磨后较平整，与凹凸不平的普通混凝土表面相比，能很大程度上减小钢球的冲击力。

4 结语

1)随着橡胶集料的增加，混凝土拌合物坍落度增大，和易性较好。2)随着橡胶集料的增加，混凝土抗压强度和弹性模量减小，而抗冲磨强度大幅提高。3)橡胶集料在水泥石表面形成一层弹性保护层，能吸收钢球的冲击能量，减小钢球的冲击力，在很大程度上延长了冲磨破坏时间，从而提高了混凝土抗冲磨强度。