橡胶复合混凝土抗冲磨性能试验研究

2022-08-18李文涛

河南水利与南水北调 2022年7期

李文涛

（新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆乌鲁木齐 830000）

0 引言

提高混凝土抗冲磨性能是水工建筑物重点问题。废旧橡胶用于提高抗冲磨性能，为水工抗冲磨混凝土的配置提供了新思路。选择C60混凝土和UHPC分别掺入橡胶颗粒，研究其对混凝土力学性能及抗冲磨性能的影响，并结合SEM 观察其微观结构，分析橡胶对混凝土抗冲磨性能的增强机理。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

水泥：P.O 42.5R和P.O 52.5R普通硅酸盐水泥；细集料：天然砂，细度模数2.60，表观密度2.65 g/cm3，石英砂，细度模数3.03，表观密度2.63 g/cm3；粗骨料：卵石，5-20 mm连续级配，表观密度2.67 g/cm3；采用F 类Ⅱ级粉煤灰；硅灰：采用微硅粉；钢纤维：波浪形钢纤维性能指标见表1；采用PCA®-300P粉体聚羧酸高性能减水剂，减水率30%；橡胶：所用橡胶粒径2-4 mm，密度1.15 g/m3，EDX结果见表2，清水洗去橡胶表面杂质备用。

表2 废旧橡胶EDX分析结果表

1.2 试验方法

根据《超高性能混凝土基本性能与试验方法》《水工混凝土试验规程》，进行混凝土抗压强度试验和抗冲磨试验，抗冲磨试验采用水下钢球法。计算式为：

式（1）中：Ra为抗冲磨强度，（h·m2）/kg；T为试验累计时间，h；A为试件受冲磨面积，m2；m1、m2为冲磨前后质量，kg。

1.3 试验配合比

普通混凝土水胶比0.35，使用P.O 42.5R普通硅酸盐水泥，超高性能混凝土水胶比0.20，使用P.O 52.5R普通硅酸盐水泥，橡胶等体积取代15%细骨料，普通混凝土减水剂掺量0.15%，超高性能混凝土减水剂掺量1.20%，试验配合比见表3。

表3 试验配合比表单位：kg/m3

2 试验结果与分析

2.1 混凝土力学性能

掺入15%橡胶后，普通混凝土抗压强度降低了24.50%，UHPC 降低了26.90%（见图1）。橡胶会降低骨料骨架效应，使混凝土内部存在较多孔洞结构。压应力作用下不规则孔洞结构出现应力集中更易产生裂纹，在荷载持续作用下，这些裂纹逐渐扩展并贯通相邻的孔洞，致使结构失去承载能力破坏。

图1 混凝土的抗压强度图

相对于UHPC，加橡胶后普通混凝土抗压强度降低较小。普通混凝土粗骨料会阻碍裂纹扩展，减小橡胶颗粒对骨架效应的影响；橡胶破坏UHPC 致密结构体系，使UHPC 存在较多不规则孔洞。裂纹扩展贯穿破坏过程中，UHPC中呈三维乱向空间分布钢纤维组成特殊空间网络体系，通过与基体间的粘结力和摩擦力，将部分应力传递至裂纹两侧，阻止裂纹扩展，减小橡胶颗粒对抗压强度的损失。

2.2 混凝土抗冲磨性能

许多水利工程往往建设在河流出山口或河流中上游等位置，在这些河床中存在许多不规则的碎石，它们在漫长的河床中不断滚动摩擦逐渐呈现为大小不一的卵石形状，这些破碎的岩石在经过水工建筑物时还有未磨损成卵形并存在尖角，当水流携带这些未磨平棱角的沙石经过混凝土表层时，轻者会磨蚀混凝土表层，重者对表层混凝土造成冲击破坏，进而使混凝土结构中的钢筋裸露并破坏，形成较大的冲刷坑。

抗冲磨强度试验表明，普通混凝土抗冲磨强度9.99（h·m2）kg-1，UHPC抗冲磨强度40.80（h·m2）kg-1，相较于普通混凝土其抗冲磨强度提高了308.40%，表现出优异的抗冲磨性能。加入橡胶后，普通混凝土和UHPC的抗冲磨强度分别提高了140.20%、11.50%，普通混凝土抗冲磨性能提升更为显著。

混凝土在抵抗大颗粒推移质泥沙时，小角度切削和大角度冲击造成混凝土表层逐渐断裂脱落。在这个过程中，普通混凝土较易破坏，在其中掺入橡胶后，由于橡胶具有弹性，在卸载后能够恢复原形，使得泥沙的冲击荷载作用时，部分分布于混凝土表层的橡胶能够通过自身压缩形变回弹释放部分冲击荷载以减弱对混凝土基体的损伤，同时分布于混凝土中的橡胶颗粒能够形成以自身为形变中心吸收传递的冲击荷载，增强整体上混凝土的弹性性能，此外橡胶极佳耐磨性，表层橡胶颗粒有效减小切削作用，表现出优异的抗冲磨性能。对于UHPC，由于使用硬度较高的石英砂能够较好的抗冲磨作用，在冲磨作用下，钢纤维逐渐裸露，乱向分布的钢纤维能够有效的分布于混凝土表层抵抗切削和冲击作用以此延缓对混凝土基体的损伤。加入橡胶颗粒后，其增强机理与普通混凝土相似，但相对于本身抗冲磨性能极佳的UHPC，橡胶颗粒破坏了其整体致密结构，橡胶脱落留下凹坑，表现出较低提升效果。

2.3 微观结构及机理分析

图2（a）知，橡胶与普通混凝土的界面结合区存在明显的空隙，并未紧密结合，推移质泥沙作用在橡胶上时进一步减弱与基体的黏结强度，表现为橡胶未经磨损破坏而脱落留下凹坑，导致表层混凝土出现局部缺陷。图2（b）知，橡胶与UHPC黏结紧密，并无明显的界面过渡区，这是由于UHPC 中加入活性硅粉、粉煤灰等发挥火山灰效应，生成更多且致密C-S-H，一方面能够优化C-S-H 结构以达到更好的抗冲磨效果，另一方面水化产物能与橡胶颗粒黏结紧密，在冲磨作用下不易发生脱落破坏，从而达到提高抗冲磨性能目的。