橡胶改性混凝土抗高速水流冲击性能研究

宿迁学院 建筑工程学院,江苏 宿迁223800

高速水流冲击是影响水利工程大坝中的混凝土工程的重要因素，也是混凝土表面出现磨蚀破坏的主要原因和常见病害之一[1]。对于如图1所示的双挡坝而言，高速水流冲刷作用对低坝表面的影响尤其明显，在双挡坝构成的流体系统中，由于坝基的不同高度差和距离差造成高速水流对低坝施加巨大的冲刷能量，使得低坝容易出现冲蚀破坏[2]。冲蚀破坏对于水利工程不仅要进行耗资巨大的修补工程，也直接危害大坝的安全运行[3]。因此在双挡坝的过流位置采用抗冲刷性能好的混凝土材料具有重要的工程意义。在国内水利大坝工程中，主要采用硅粉、粉煤灰和钢纤维等材料作为外掺料来设计抗冲耐磨的混凝土材料。然而，研究表明硅粉和钢纤维对于水泥砂浆的用水量比较敏感，掺量过多会导致水泥用量明显增加。导致混凝土干缩变形大，同时也增加了混凝土材料造价[4,5]。

目前，随着现代汽车工业的快速发展，汽车废橡胶轮胎的保有量也在迅速增加。废橡胶材料在自然条件下很难降解，对环境造成很大的负担。废旧橡胶材料的处理和回收，已成为一个日益严峻的全球性环境和资源问题。合理地对废弃橡胶进行回收利用对环境保护和资源节约具有重要意义[6,7]。近些年，在水泥砂浆中掺入一定比例的橡胶材料，制备橡胶改性混凝土得到了越来越广泛的应用。改性橡胶混凝土一方面提高了混凝土材料的基本工作性能，另一方面扩大了废弃橡胶的应用领域，使废橡胶从黑色废弃物和环境污染源成为了土木建筑与水利工程材料领域的一种新型绿色资源[8]。改性橡胶混凝土的工作性能介于普通的刚性混凝土和沥青柔性混凝土之间，被证明具有良好的强度、韧性、弹性、防渗性、耐久性能、降噪隔声、抗冲击性能和减震性能等优点[9]。

前人对水工混凝土材料的抗冲击性能开展了大量的研究工作[10-15]，但对于橡胶改性混凝土在高速水利冲击下的性能变化规律的研究还比较罕见。因此，本文采用不同流速的水流冲击试验对橡胶改性混凝土试样的抗压强度、弹性模量和抗冲击性能进行了研究，旨在为大坝混凝土材料的设计与施工提供相应的借鉴和参考。

图1 双挡坝示意图Fig.1 Schematic diagram of high and low dams

图2 橡胶水工混凝土表面Fig.2 Surface of the rubber concrete

1 试验材料与过程

1.1 原材料

改性橡胶混凝土试样的基本配合比如表1 所示，橡胶改性混凝土试样主要由粗细骨料、水泥、橡胶、减水剂和水拌和而成。试验采用级配砾石和连续级配河砂作为水泥砂浆的粗、细骨料，粗骨料最大粒径25.6 mm，经过对粗骨料的破碎和筛分处理，得到了粒径范围为0～5 mm 的细骨料和5～25 mm 的粗骨料。水泥砂浆的凝胶材料选用P.C42.5 复合硅酸盐水泥，水泥颗粒的比表面积为330 m2/kg，养护28 d 后测到的抗压强度为46.9 MPa，抗弯强度7.9 MPa。橡胶改性混凝土不同物料的基本配合比如下表所示，其中橡胶粒掺量为3%。经过混凝土的配制和养护，得到了橡胶改性混凝土试件，其表面的实拍图片如图2 所示。在混凝土表面图片中，褐色颗粒为橡胶粒成分。

表1 橡胶改性混凝土的配比Table 1 Proportioning of modified rubber concrete

1.2 试验方法

由笔者自行开发的高速水流侵蚀测试设备进行水流冲蚀试验。该设备采用高压水龙头作为压力水源，水龙头喷射水柱作用于混凝土表面。在水流喷射时，利用调压阀控制水流流速。在正式实验前，用一系列不同的喷射速度和影响时间对试验条件进行了测试。结果表明：在低于30 m/s 喷射速度下，混凝土试件的表面形态基本保持不变，侵蚀磨损程度很低；在高速水流冲击的情况下，观察到混凝土表面有明显的磨损，但是也没有发生严重损伤现象。结果还表明，高速水流冲蚀磨损主要发生在冲击第1 h 内，在第2 h 内逐渐保持稳定不变。因此，在本实验中确定实际冲击流速为30 m/s～35 m/s、每个混凝土试件受水流冲击的作用时间为1 h 作为试验的时长条件。

制备的改性橡胶混凝土的试样尺寸为0.15 m×0.15 m×0.2 m。实验前，将试样放入水中浸泡48 h至完全饱和，然后用抹布擦拭干试样表面的水，选定样品尺寸为0.15 m×0.2 m 的矩形面为受水流冲击的表面，连续冲刷1 h 后，将试样取出，并进行观察和拍照，以便后期的比较分析。在水流冲击实验结束后与称重前，样品表面也会被擦拭干净，以保证试验的准确性。在试验后计算试验的参数，如质量损失、冲蚀速率、抗冲蚀强度等。其中橡胶混凝土的侵蚀率计算:

其中N为水流侵蚀率，在数值上为单位时间内混凝土的单位面积质量损失；Mo是水流冲击前的试样质量，Mt是被水流冲击th 后的试样质量；t是水流冲击的时间；St是受水流冲击的试样表面积。

试验中采用四种不同的混凝土龄期和五种高速冲刷水流，养护龄期分别是14、28、60 d 和90 d，冲刷水流流速分别为0、30、31.5、33 和35 m/s。综合考虑了25 种试验条件，每种条件下进行5 组实验，以5 组试验结果平均值作为最终结果。

2 试验结果

2.1 冲蚀形态变化

橡胶改性混凝土在不同养护龄期和冲击流速的试验条件下进行了一系列高速水流冲击试验。在冲击过程中，控制试验所用水流的流速保持稳定，额定的最大速度可达40 m/s，满足实验要求。通过对比水流冲击前后的混凝土表面实拍照片，定性地探讨了混凝土的冲蚀破坏程度。试验结果如图3 所示，不同养护龄期下的橡胶改性混凝土试样在流速35 m/s 的水流冲击下表现出不同的表面形态变化。从图3 可以看出，高速水流冲击作用对橡胶混凝土的影响与表面磨损程度存在显著关系。在流速为35 m/s 水流连续冲击2 h 后，不同养护龄期的混凝土试样均未受到严重破坏，但是观察到有一定程度的表面胶结材料剥落的现象。且随着养护龄期增长，混凝土表面的剥落程度有所下降，表明养护龄期的增加可以提高橡胶改性混凝土的抗水流冲蚀的性能。

图3 高速水流冲击1 h 下试样的表面特征Fig.3 Surface characteristics of samples under 1 hour water stream impact

表2 不同样品的试验参数Tab 2 Test parameters of different samples

2.2 流速与冲蚀速率的关系

表2 为不同条件下的橡胶改性混凝土冲蚀参数平均值。可以从表中数据发现：在一定流速下，随着橡胶改性混凝土养护龄期的延长，混凝土在高速水流冲击过程中的平均质量损失和侵蚀速率均有所降低，并在养护龄期达到60 d 后趋于稳定。试验结果表明：随混凝土养护龄期的增加，橡胶改性混凝土受高速水流冲击作用的影响程度逐渐减小。对于经过相同时间龄期养护后的混凝土试件，其平均的质量损失和冲蚀率与流速保持正相关的关系。根据图4 的回归分析，可以看出水流冲击流速v与冲蚀速率N之间的关系是非线性的，如下公式：

其中c为常数，v为流速，p为幂指数。经回归分析估算不同养护龄期下，流速v与冲蚀速率N之间的幂函数关系如图7（a）～（d）重的拟合公式所示。

图4 冲蚀速率与流速的关系Fig.4 Relation between erosion rate and flow rate

基于数据的拟合可以估算的不同材料的速度幂指数p，对于冲蚀速率与流速的关系，前人进行了大量研究。金属的幂指数在2.25～2.55 之间，陶瓷的指数在3 之间，聚合物的指数在5 以上，普通混凝土的指数在3.5～4 之间[13]。由本文的实验结果可以得出橡胶改性混凝土在无颗粒清水高速冲击下流速指数为3.33～3.93。

2.3 橡胶改性混凝土与普通混凝土的冲蚀对比

由于橡胶颗粒的掺入，普通混凝土的浆料含量比橡胶改性混凝土高6%左右。4 种不同流速下混凝土的侵蚀磨损如图8 所示。从图5 可以看出，掺入橡胶颗粒后，混凝土表面更加光滑致密，橡胶改性混凝土试件表面的侵蚀磨损明显降低，其平均侵蚀磨损参数如表5 所示。

图5 普通混凝土与改性橡胶混凝土的冲蚀情况对比Fig.5 The result of erosion state of common concrete and modified rubber concrete

表3 RC 与GC 养护14 d 后的冲蚀结果Table 3 Results of RC and GC after 14 days of curing

2.4 水流冲击对材料力学性能的影响

表4 列出了经水冲击试验的橡胶改性混凝土和普通混凝土试件的力学参数，并给出了未经高速水流冲击试验的橡胶改性混凝土试件的力学参数。从表中可以看出，混凝土试件轴向抗压强度值和弹性模量值在经过不同流速水流的冲击作用后，并没有表现出显著的差异。在养护28 d 的龄期后，橡胶改性混凝土的材料力学性能参数与水流的速度之间也没有明显的数学关系。因此，可以证明橡胶改性混凝土的力学性能几乎不受水流冲击的影响。

表4 混凝土试件冲刷后的力学参数Table 4 Mechanical parameters of concrete specimens after erosion

3 混凝土抗冲击性能改良的机理研究

提高混凝土抗高速水流冲击性能的关键是提高水泥砂浆的密度和砂浆界面过渡区的结构[17,18]。为研究橡胶对水泥砂浆的影响，利用扫描电镜观察了水泥砂浆的微观结构。据图6 的SEM 扫描结果，在没有橡胶颗粒的混凝土试样的微观结构中，水化硅酸钙(C-S-H)的排列次序较为松散，水泥水化物表面存在大量的针状钙矾石晶体(AFt)。由于钙矾石晶体大量存在，混凝土的内部结构中出现了一些强度薄弱区域。橡胶颗粒掺入混凝土后，不仅可以起到充填骨料间孔隙的作用，而且还可以改善水泥基材料水化后胶结颗粒分布的各向异性程度。在橡胶改性混凝土试样中，水泥水化物的排列较为整齐，质地紧密，且无明显的针状AFt。橡胶颗粒的体积小，比表面积大，具有较高的表面能。在水泥浆体的硬化过程中，水泥颗粒间的孔隙被大量橡胶和水化产物覆盖。随着水化过程的推移，橡胶颗粒使硬化水泥粘贴更紧凑，从而对混凝土在养护完成的抗冲击性能有明显的增强（图7）。

图6 普通水泥砂浆的SEM 照片Fig.6 SEM photo of normal cement paste

图7 掺杂橡胶的水泥砂浆SEM 图像Fig.7 SEM photo of cement paste with rubber particles

4 结论

本文主要研究了在水利工程大坝中，橡胶改性混凝土材料在高速水流冲击作用下的抗冲击性能，讨论了力学性能与质量损失受水流冲击速度、养护龄期和混凝土类型的影响规律。得到如下结论：

（1）养护一定时间后的橡胶改性混凝土试样，高速水流的冲击对混凝土试样没有严重破坏，但是在一定程度上剥落了混凝土表面的胶结材料，随着养护龄期增长，冲蚀破坏的程度也有下降趋势；

（2）在一定流速的水流冲击下，橡胶混凝土的平均质量损失和侵蚀率随着养护龄期的增加有所减少，并在养护60 d 后趋于稳定。水流流速v与混凝土冲蚀速率N之间存在幂函数关系。相对于普通混凝土，橡胶改性混凝土在高速水流冲击后的表面更加光滑致密，侵蚀磨损明显降低，其平均抗冲蚀性能参数也有明显下降；

（3）对养护28 d 龄期后的橡胶改性混凝土而言，其力学性能几乎不受水流冲击的影响，材料力学参数与冲击流速之间没有明显的相关关系。