橡膠對超高性能混凝土力學性能的影響研究

時文友，李雙喜，孟遠遠，陳鴻飛，陸 瑤

（新疆農業大學 水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052）

新疆地區河流中的推移質泥沙含量較高，且水流流速快，對水工建筑物的過流面混凝土造成嚴重撞擊、切割及磨蝕，大大縮短了水工混凝土的使用年限。

目前，新疆地區的工程常采用“硬碰硬”的方式解決抗沖磨問題，即制備高強高性能混凝土來增強過流面抵抗推移質泥沙顆粒沖磨破壞的能力。 由于高強混凝土脆性大，因此其沖磨性能在大顆粒推移質泥沙顆粒的撞擊下有所降低。 超高性能混凝土（UHPC）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，抗沖磨效果優良。 涂天馳［1］采用水砂槍法研究了超高性能混凝土的抗沖磨性能，發現C150 超高性能混凝土的抗沖磨性能是C80 混凝土的1.5 倍。還有一些學者［2-5］研究了水膠比、膠凝材料組成、骨料級配、纖維種類及摻量對混凝土抗沖擊性、抗凍性、抗沖磨性能的影響，結果表明，降低水膠比、調整膠凝材料組成配比、完善骨料級配等均能提高混凝土的性能。

雖然超高性能混凝土有較為優異的抗沖磨性，但還是基于“硬碰硬”的方式來提高混凝土抗沖磨性，當遇到高速水流和大顆粒泥沙長時間持續的撞擊時，超高性能混凝土的抗沖磨能力有待進一步驗證。 目前還沒有關于在超高性能混凝土中加入橡膠，采用“以柔克剛”的方式提高混凝土抗沖磨性能的研究。 馮凌云等［6］在C25 混凝土中摻入不同粒徑和不同摻量的橡膠開展研究，結果表明橡膠摻量增大會使混凝土抗壓強度減小，但其韌性有所增大。 周金枝等［7］研究指出，橡膠提高了混凝土的極限拉伸值和抗拉強度。

筆者在超高性能混凝土中摻入不同粒徑的橡膠顆粒，通過力學性能試驗研究橡膠顆粒對超高性能混凝土力學性能的影響，并通過微觀孔結構觀測，揭示橡膠對UHPC 力學性能的影響機理。

1 試驗材料及方案

1.1 材料

水泥采用新疆天山水泥股份有限公司生產的合格52.5R 普通硅酸鹽水泥，其物理性能參數見表1。

表1 52.5R 普通硅酸鹽水泥性能參數

粉煤粉采用新疆五彩灣火力發電廠生產的F 類Ⅱ級粉煤灰，品質指標見表2。

表2 粉煤灰品質指標

硅灰采用新疆貝特力新材料科技有限公司生產的微硅粉，其品質指標見表3。

表3 硅灰的品質指標

骨料：石英砂，細度模數為3.03；中砂，表觀密度為

2 632 kg／m3。

橡膠采用都江堰市華益橡膠有限公司生產的橡膠，粒徑分別為8 目（2 ～4 mm）、16 目（1 ～2 mm）、40目（0.2～0.4 mm），密度為1 119 kg／m3。

鋼纖維采用玉田縣致泰鋼纖維制造有限公司生產的波浪形鋼纖維，其性能指標見表4。

表4 鋼纖維物理性能指標

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

1.2 試驗方案

粉煤灰是一種主要成分為活性SiO2或Al2O3的呈玻璃態球狀的微顆粒，因此粉煤灰具有潤滑、填充孔隙、促進水化反應的作用；硅灰的成分主要為細小的滾珠狀活性SiO2，可以促進混凝土的水化反應。 但不同的粉煤灰、硅灰摻量對混凝土的影響不同。 本次按照正交試驗方法，篩選出膠凝材料和鋼纖維的最佳摻量組合，正交因素水平見表5，正交方案A1～A9試驗結果見表6。 通過極差與方差分析（見表7、表8），得到本次試驗最佳摻量組合：硅灰摻量15%、粉煤灰摻量5%、鋼纖維摻量1%。 根據確定的最佳摻量組合，分別摻入粒徑為8 目、16 目和40 目的橡膠，得到橡膠超高性能混凝土試驗方案B1～B10（見表9，其中B1為未摻入橡膠的基準組）。

表5 超高性能混凝土正交因素水平

表7 超高性能混凝土28 d 抗壓強度極差分析結果

表8 超高性能混凝土28 d 抗壓強度方差分析結果

表9 橡膠超高性能混凝土試驗方案

1.3 試件制備與試驗方法

依據《超高性能混凝土基本性能與試驗方法》（T／CCPA7—2018）制備尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，每組6 個試件。 混凝土抗壓強度試驗依據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB／T 50081—2019）中的試驗方法采用YE-200A 液壓機進行，擴展度、坍落度試驗依據《普通混凝土拌合物性能試驗方法》（GB／T 50080—2016）進行。

根據《水工混凝土試驗規程》（DL／T 5150—2017）制備尺寸為300 mm（直徑）×100 mm（高）的抗沖磨試件，采用水下鋼球法進行抗沖磨試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 混凝土力學試驗及結果分析

根據表9 配制橡膠超高性能混凝土，開展力學性能試驗。 由圖1 可知，隨著混凝土中橡膠摻量的增大，其抗壓強度降低。 當橡膠摻量從0%增加到10%時，立方體試件的抗壓強度下降了16.5%～35.6%；摻量從10%增加到12.5%，立方體試件的抗壓強度下降了24.9%～38.1%；摻量從12.5%增加到15.0%，立方體試件抗壓強度下降了30.9%～44.5%。 綜上所述，橡膠摻量對超高性能混凝土抗壓強度的影響十分明顯，立方體試件抗壓強度并沒有隨著橡膠粒徑的減小而降低，其中16 目橡膠對超高性能混凝土抗壓強度影響最大，40 目次之，8 目影響最小。 產生這一現象的原因是：橡膠填充了水泥石中部分孔隙，改善了界面，但是其本身抗壓強度不高，受壓能力不如細骨料，在應力傳遞過程中切斷了傳遞路徑，從而使得應力無法傳遞，造成了抗壓強度降低。

圖1 橡膠對超高性能混凝土抗壓強度的影響

2.2 微觀結構分析

采用掃描電鏡（SEM）觀測超高性能混凝土試件界面過渡區的微觀結構。 基準組界面過渡區SEM 圖像見圖2，可知粉煤灰、硅灰與硅酸鹽水泥反應產生絮狀C-S-H 和大量柱狀鈣礬石。 過渡界面薄弱是混凝

圖2 基準組界面過渡區SEM 圖像

土抗壓強度不佳的主要原因之一［7］，當橡膠加入混凝土后因橡膠極具彈性而提高了混凝土的韌性，但同時也大大降低了混凝土的強度。 圖3 中可見大量絮狀C-S-H和尚未完全水化的球狀粉煤灰顆粒，同時還能夠清晰地看到水泥石與橡膠的過渡界面。

圖3 摻入8 目橡膠組界面過渡區SEM 圖像

與圖2 相比，圖3 中過渡界面更加寬，從而導致了橡膠與水泥石的膠結能力弱于石英砂與水泥石的，當混凝土受力時會沿著過渡界面產生裂縫，從而最終導致混凝土受力破壞。 圖3 中只能看到少量的鈣礬石，且在過渡界面區并未發現水化產物。

2.3 孔結構分析

采用低溫氮吸附法測量超高性能混凝土的孔結構。 由混凝土孔徑分布情況（見圖4，其中V為孔體積、D為孔徑）可知，基準組混凝土孔徑在0 ～60 nm 之間均有分布，主要分布在6.5 nm左右，但是摻入8 目橡膠后超高性能混凝土的孔徑大量分布在10 ～50 nm 之間，且孔徑為25 nm 的介孔數量最多，摻8 目橡膠組孔徑為10～50 nm 的介孔數量遠大于基準組的，這說明橡膠的加入使得混凝土中微孔被堵住，從而導致混凝土中微孔數量減少，介孔數量增多。

圖4 混凝土孔徑分布情況

2.4 水化進程分析

將標準養護28 d 后的混凝土試件粉碎、研磨后進行X 射線衍射（簡稱XRD）試驗，由試驗結果可以看出，橡膠加入混凝土后對混凝土的水化反應影響并不大。 基準組與摻8 目橡膠組均出現了Ca（OH）2的衍射峰，且兩組中Ca（OH）2衍射峰的高度相差無幾，因此橡膠并不影響混凝土的水化進程。

通過對橡膠超高性能混凝土的過渡界面、介孔以及水化進程的分析發現：橡膠使混凝土的過渡界面變得更加脆弱，這是導致橡膠超高性能混凝土抗壓強度降低的主要原因，且隨著橡膠粒徑的減小，橡膠比表面積增大，混凝土的薄弱面增多，從而導致橡膠粒徑與混凝土抗壓強度成反比。 同時橡膠還使混凝土孔徑為10～50 nm 的介孔數量增多，但橡膠并不影響混凝土的水化進程。

2.5 橡膠超高性能混凝土抗沖磨性能

橡膠超高性能混凝土抗沖磨168 h 的抗沖磨強度見表10。 當橡膠的摻量為10%時，超高性能混凝土抗沖磨性能有所提高，最高提升85.3%，摻入12.5%的40目橡膠后，其抗沖磨強度不升反降，降低了6.1%；當摻量達到15%時，摻入40 目和16 目橡膠的混凝土的抗沖磨性能均有所下降，分別下降了29.2%和9.1%，僅僅只有摻入8 目橡膠后混凝土抗沖磨性能提升了11.5%。 因此，隨著橡膠摻量的增大，混凝土的抗沖磨強度先增大后減小，隨著橡膠粒徑的增大，混凝土的抗沖磨強度逐漸增大。

表10 橡膠超高性能混凝土抗沖磨168 h 的抗沖磨強度

3 結 論

（1）隨著橡膠摻量的增大，混凝土抗壓強度降低。當橡膠摻量從0%增加到10%時，立方體試件的抗壓強度下降 了16.5% ～35.6%；摻 量 從10% 增 加到12.5%，立方體試件的抗壓強度下降了24.9%～38.1%；摻量從12.5%增加到15.0%，立方體試件抗壓強度下降了30.9%～44.5%。

（2）橡膠摻量介于10%～15%之間時，其粒徑對混凝土立方體抗壓強度的影響順序為：16 目＞40 目＞8 目。

（3）橡膠對UHPC 力學性能的影響主要體現在削弱了水化產物與骨料之間的膠結能力，使得混凝土的薄弱面增多，導致混凝土的抗壓強度降低。 由XRD 分析結果可知，橡膠的摻入不會影響混凝土的水化反應。

（4）隨著橡膠摻量的增大，混凝土的抗沖磨強度先增大后減小，隨著橡膠粒徑的減小，混凝土的抗沖磨強度降低。