橡膠對超高性能混凝土抗沖磨性能的研究

吳海燕，時文友，李雙喜

（1.新疆水利水電勘測設(shè)計研究院檢測試驗研究中心，新疆 昌吉 831100；2.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）

1 引言

高速水流中攜帶的推移質(zhì)泥沙顆粒對水工建筑物混凝土過流面造成撞擊、切削、磨損等嚴(yán)重破壞，給水工建筑物的安全運行造成嚴(yán)重威脅，從而大大縮短了水工混凝土的使用年限。

目前，工程上常采用以“硬碰硬”的方式解決抗沖磨的問題，即制備高強高性能混凝土來增強過流面抵抗推移質(zhì)泥沙顆粒沖磨破壞的能力。超高性能混凝土是一種具有高強、高密實度、高耐久性的新型混凝土，在配制時剔除了粗骨料，加入鋼纖維，具有超高的強度和良好的韌性，抗沖磨效果優(yōu)良。水砂槍法研究了超高性能混凝土的抗沖磨性能，研究發(fā)現(xiàn)C150 的超高性能混凝土的抗沖磨性能是C80 混凝土的1.50 倍。研究發(fā)現(xiàn)，不同纖維混摻時制備的抗沖磨UHPC在工作性能良好的同時，具有較高的抗沖磨/沖擊性能。

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”的方式來提高混凝土抗沖磨性，當(dāng)遇到高速水流和大顆粒泥沙長時間持續(xù)地撞擊時，超高性能混凝土的抗沖磨能力有待進(jìn)一步的驗證。目前，有學(xué)者將橡膠摻入到混凝土中，研究了混凝土的抗沖磨性，研究發(fā)現(xiàn)將橡膠顆粒摻入混凝土中會降低混凝土的抗壓強度，但同時在較大程度上提高了混凝土的抗沖磨強度和抗沖擊強度。

鑒于上述研究成果，在超高性能混凝土中摻入一定的橡膠，采用“以柔克剛”的方式能否提高混凝土的抗沖磨性能，目前還未有學(xué)者進(jìn)行研究。

課題以橡膠顆粒為研究對象，在超高性能混凝土摻入不同粒徑的橡膠顆粒，進(jìn)行力學(xué)性能和抗沖磨試驗，研究橡膠顆粒對超高性能混凝土抗沖磨性能的影響，并通過抗沖擊試驗和回彈試驗，揭示橡膠對UHPC的抗沖磨性能影響機理。

1 材料與方法

1.1 材料

水泥：新疆天山水泥股份有限公司生產(chǎn)的合格52.5R普通水泥，其物理性能見表1。

表1 52.5.R普通硅酸鹽水泥性質(zhì)表

粉煤灰：采用新疆五彩灣火力發(fā)電廠生產(chǎn)的F類Ⅱ級粉煤灰，品質(zhì)指標(biāo)見表2。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)見表3。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。

表2 粉煤灰品質(zhì)指標(biāo)表

表3 硅粉的品質(zhì)指標(biāo)表

橡膠：都江堰市華益橡膠有限公司盛超的橡膠，粒徑分別為8 目（2～4 mm），16 目（1～2 mm），40 目（0.20～0.40 mm），密度為1 119 kg/m3。

鋼纖維：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)見表4。

表4 鋼纖維物理性能指標(biāo)表

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

1.2 試驗方案

試驗通過將不同粒徑的橡膠摻入超高性能混凝土中研究橡膠對超高性能混凝土抗沖磨性能的影響。橡膠超高性能混凝土配合比見表5。

表5 橡膠超高性能混凝土配合比表（kg/m3）

1.3 試件的制備

根據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》制備尺寸為Φ300 mm×100 mm的抗沖磨試件，采用水下鋼球法進(jìn)行抗沖磨試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 抗沖磨性能分析

摻入橡膠后混凝土的抗沖磨性能有一定的提高，當(dāng)橡膠粒徑由40目增大到8目時，混凝土的抗沖磨性能也逐漸增大；隨著橡膠摻量逐漸增加，混凝土的抗沖磨強度先增加后減小。橡膠的摻量為10%時，混凝土抗沖磨強度最高提升了85.30%，但當(dāng)橡膠摻量為15%時，混凝土抗沖磨強度最大下降了29.20%，由此可知，橡膠摻量不宜超過10%。

通過Design Exper軟件以橡膠粒徑為橫坐標(biāo)，橡膠摻量為縱坐標(biāo)制作橡膠超高性能混凝土抗沖磨強度響應(yīng)曲面圖，見圖1。根據(jù)圖1可發(fā)現(xiàn)，隨著橡膠摻量的增加，混凝土的抗沖磨強度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，橡膠最佳摻量在9.50%～10.30%；隨著橡膠粒徑的增加，混凝土抗沖磨強度逐漸增加，且呈線性增長趨勢。

圖1 橡膠超高性能混凝土抗沖磨強度響應(yīng)曲面分析圖

式（1）中：Y為混凝土抗沖磨強度，h/（kg/m2）；X1為橡膠摻量，%；X2為橡膠粒徑，目。

2.2 機理分析

超高性能混凝土具有高強度、高韌性、低彈性等特點，當(dāng)摻入橡膠后，會優(yōu)化超高性能混凝土的彈性。但是混凝土的彈性是否影響著混凝土的抗沖磨性能，目前還未有相關(guān)研究結(jié)果，也無研究方法。為了間接表征橡膠的摻入提高其抗沖磨性能的機理，課題進(jìn)行抗沖擊試驗和回彈試驗，來反應(yīng)抗沖磨性能提高的機理。

抗沖擊試驗依據(jù)《纖維混凝土試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》采用落錘法進(jìn)行抗沖擊試驗。

試驗結(jié)果得知，摻入10%的三種粒徑的橡膠后，混凝土的抗沖擊強度均有所提高，最高提升了7.30%；摻入12.50%的橡膠后，混凝土的抗沖擊強度提升幅度有所波動。當(dāng)摻入12.50%的40 目橡膠后，混凝土的抗沖擊強度與未摻橡膠組混凝土相差24.40%，且摻入橡膠為16目和8目，橡膠摻量為10%和12.50%的混凝土的抗沖擊強度變化不大；當(dāng)橡膠摻量增長到15%時，三種粒徑的橡膠均使混凝土的抗沖擊強度有不同程度的降低。綜上所述，隨著橡膠摻量的增加，混凝土的抗沖擊強度先增加后減小；橡膠粒徑與混凝土抗沖擊強度成正比，隨著橡膠粒徑的增大，混凝土的抗沖擊強度逐漸增大。

回彈試驗反應(yīng)了摻入橡膠超高性能混凝土的吸能性能。回彈試驗是將質(zhì)量為471g 的鋼球與尺寸為Φ300 mm×100 mm的試件保持垂直高度差為840 mm，利用錄像機記錄鋼球的第一次回彈高度并觀察記錄鋼球在垂直刻度尺上的數(shù)值。每組試驗進(jìn)行多次并取平均值為試驗結(jié)果，通過能量公式計算出混凝土吸能數(shù)值。吸收能量按照以下公式計算：

E=mgh（2）

式（2）中：E為混凝土的吸能；m為鋼球質(zhì)量0.47 kg；g為重力加速度，g取9.80 m/s2；h為初始高度與回彈高度的高度差，初始高度為840 mm。

隨著橡膠摻量的不斷增加，混凝土的吸能效果也不斷增強，且橡膠粒徑與混凝土吸能效果成正比，即橡膠粒徑越大，橡膠超高性能混凝土的吸能效果越好。當(dāng)未摻入橡膠時，混凝土吸收能量為2.11 J，當(dāng)橡膠摻量為15%，橡膠粒徑分別為40、16和8目時，混凝土吸收的能量最佳分別為2.53、2.60和2.69 J，較未摻橡膠混凝土分別增長了19.90%、23.20%、27.50%。橡膠具有易彎曲、壓縮、高彈性等特點，因此當(dāng)橡膠摻入混凝土中作為骨料使用時混凝土的彈性得到增強，從而吸收了比未摻橡膠混凝土更多的能量，這也是摻橡膠超高性能混凝土抗沖磨性能提升的原因所在。

3 結(jié)論

橡膠粒徑與混凝土的抗沖磨強度成正比，即橡膠粒徑越大，混凝土的抗沖磨性能越強，但橡膠摻量的增加使混凝土抗沖磨強度先增加后減小。通過Design Expert 模擬分析可知橡膠的最佳摻量在9.50%～10.30%。利用SPSS 擬合得出橡膠粒徑及其摻量與混凝土抗沖磨強度的關(guān)系方程為：

Y=41.346-0.606X21+9.543X1-0.598X2。

隨著橡膠摻量的增加，混凝土的抗沖擊強度先增加后減小；橡膠粒徑與混凝土抗沖擊強度成正比，即隨著橡膠粒徑的增大，混凝土的抗沖擊強度逐漸增大。摻入橡膠后最高可提升混凝土7.30%的抗沖擊性能。

隨著橡膠摻量的不斷增加，混凝土的吸能效果也不斷增強，且橡膠粒徑與混凝土吸能效果成正比，即橡膠粒徑越大，橡膠超高性能混凝土的吸能效果越好。當(dāng)摻入15%的8 目橡膠時，混凝土吸收的能量為2.69J，較為摻入橡膠的混凝土提高了27.50%。