橡胶对超高性能混凝土抗冲磨性能的研究

2021-02-22吴海燕时文友李双喜

河南水利与南水北调 2021年12期

吴海燕，时文友，李双喜

（1.新疆水利水电勘测设计研究院检测试验研究中心，新疆昌吉 831100；2.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐 830052）

1 引言

高速水流中携带的推移质泥沙颗粒对水工建筑物混凝土过流面造成撞击、切削、磨损等严重破坏，给水工建筑物的安全运行造成严重威胁，从而大大缩短了水工混凝土的使用年限。

目前，工程上常采用以“硬碰硬”的方式解决抗冲磨的问题，即制备高强高性能混凝土来增强过流面抵抗推移质泥沙颗粒冲磨破坏的能力。超高性能混凝土是一种具有高强、高密实度、高耐久性的新型混凝土，在配制时剔除了粗骨料，加入钢纤维，具有超高的强度和良好的韧性，抗冲磨效果优良。水砂枪法研究了超高性能混凝土的抗冲磨性能，研究发现C150 的超高性能混凝土的抗冲磨性能是C80 混凝土的1.50 倍。研究发现，不同纤维混掺时制备的抗冲磨UHPC在工作性能良好的同时，具有较高的抗冲磨/冲击性能。

虽然超高性能混凝土有较为优异的抗冲磨性，但还是基于“硬碰硬”的方式来提高混凝土抗冲磨性，当遇到高速水流和大颗粒泥沙长时间持续地撞击时，超高性能混凝土的抗冲磨能力有待进一步的验证。目前，有学者将橡胶掺入到混凝土中，研究了混凝土的抗冲磨性，研究发现将橡胶颗粒掺入混凝土中会降低混凝土的抗压强度，但同时在较大程度上提高了混凝土的抗冲磨强度和抗冲击强度。

鉴于上述研究成果，在超高性能混凝土中掺入一定的橡胶，采用“以柔克刚”的方式能否提高混凝土的抗冲磨性能，目前还未有学者进行研究。

课题以橡胶颗粒为研究对象，在超高性能混凝土掺入不同粒径的橡胶颗粒，进行力学性能和抗冲磨试验，研究橡胶颗粒对超高性能混凝土抗冲磨性能的影响，并通过抗冲击试验和回弹试验，揭示橡胶对UHPC的抗冲磨性能影响机理。

1 材料与方法

1.1 材料

水泥：新疆天山水泥股份有限公司生产的合格52.5R普通水泥，其物理性能见表1。

表1 52.5.R普通硅酸盐水泥性质表

粉煤灰：采用新疆五彩湾火力发电厂生产的F类Ⅱ级粉煤灰，品质指标见表2。硅灰：采用新疆贝特力新材料科技有限公司生产的微硅粉，其品质指标见表3。骨料：石英砂，细度模数为3.03，中砂，表观密度为2 632 kg/m3。

表2 粉煤灰品质指标表

表3 硅粉的品质指标表

橡胶：都江堰市华益橡胶有限公司盛超的橡胶，粒径分别为8 目（2～4 mm），16 目（1～2 mm），40 目（0.20～0.40 mm），密度为1 119 kg/m3。

钢纤维：玉田县致泰钢纤维制造有限公司生产的波浪形钢纤维，其性能指标见表4。

表4 钢纤维物理性能指标表

减水剂：采用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的PCA®-300 P粉体聚羧酸高性能减水剂，减水率为30%。

1.2 试验方案

试验通过将不同粒径的橡胶掺入超高性能混凝土中研究橡胶对超高性能混凝土抗冲磨性能的影响。橡胶超高性能混凝土配合比见表5。

表5 橡胶超高性能混凝土配合比表（kg/m3）

1.3 试件的制备

根据《水工混凝土试验规程》制备尺寸为Φ300 mm×100 mm的抗冲磨试件，采用水下钢球法进行抗冲磨试验。

2 试验结果与分析

2.1 抗冲磨性能分析

掺入橡胶后混凝土的抗冲磨性能有一定的提高，当橡胶粒径由40目增大到8目时，混凝土的抗冲磨性能也逐渐增大；随着橡胶掺量逐渐增加，混凝土的抗冲磨强度先增加后减小。橡胶的掺量为10%时，混凝土抗冲磨强度最高提升了85.30%，但当橡胶掺量为15%时，混凝土抗冲磨强度最大下降了29.20%，由此可知，橡胶掺量不宜超过10%。

通过Design Exper软件以橡胶粒径为横坐标，橡胶掺量为纵坐标制作橡胶超高性能混凝土抗冲磨强度响应曲面图，见图1。根据图1可发现，随着橡胶掺量的增加，混凝土的抗冲磨强度呈现先增加后减小的趋势，橡胶最佳掺量在9.50%～10.30%；随着橡胶粒径的增加，混凝土抗冲磨强度逐渐增加，且呈线性增长趋势。

图1 橡胶超高性能混凝土抗冲磨强度响应曲面分析图

式（1）中：Y为混凝土抗冲磨强度，h/（kg/m2）；X1为橡胶掺量，%；X2为橡胶粒径，目。

2.2 机理分析

超高性能混凝土具有高强度、高韧性、低弹性等特点，当掺入橡胶后，会优化超高性能混凝土的弹性。但是混凝土的弹性是否影响着混凝土的抗冲磨性能，目前还未有相关研究结果，也无研究方法。为了间接表征橡胶的掺入提高其抗冲磨性能的机理，课题进行抗冲击试验和回弹试验，来反应抗冲磨性能提高的机理。

抗冲击试验依据《纤维混凝土试验方法标准》采用落锤法进行抗冲击试验。

试验结果得知，掺入10%的三种粒径的橡胶后，混凝土的抗冲击强度均有所提高，最高提升了7.30%；掺入12.50%的橡胶后，混凝土的抗冲击强度提升幅度有所波动。当掺入12.50%的40 目橡胶后，混凝土的抗冲击强度与未掺橡胶组混凝土相差24.40%，且掺入橡胶为16目和8目，橡胶掺量为10%和12.50%的混凝土的抗冲击强度变化不大；当橡胶掺量增长到15%时，三种粒径的橡胶均使混凝土的抗冲击强度有不同程度的降低。综上所述，随着橡胶掺量的增加，混凝土的抗冲击强度先增加后减小；橡胶粒径与混凝土抗冲击强度成正比，随着橡胶粒径的增大，混凝土的抗冲击强度逐渐增大。

回弹试验反应了掺入橡胶超高性能混凝土的吸能性能。回弹试验是将质量为471g 的钢球与尺寸为Φ300 mm×100 mm的试件保持垂直高度差为840 mm，利用录像机记录钢球的第一次回弹高度并观察记录钢球在垂直刻度尺上的数值。每组试验进行多次并取平均值为试验结果，通过能量公式计算出混凝土吸能数值。吸收能量按照以下公式计算：

E=mgh（2）

式（2）中：E为混凝土的吸能；m为钢球质量0.47 kg；g为重力加速度，g取9.80 m/s2；h为初始高度与回弹高度的高度差，初始高度为840 mm。

随着橡胶掺量的不断增加，混凝土的吸能效果也不断增强，且橡胶粒径与混凝土吸能效果成正比，即橡胶粒径越大，橡胶超高性能混凝土的吸能效果越好。当未掺入橡胶时，混凝土吸收能量为2.11 J，当橡胶掺量为15%，橡胶粒径分别为40、16和8目时，混凝土吸收的能量最佳分别为2.53、2.60和2.69 J，较未掺橡胶混凝土分别增长了19.90%、23.20%、27.50%。橡胶具有易弯曲、压缩、高弹性等特点，因此当橡胶掺入混凝土中作为骨料使用时混凝土的弹性得到增强，从而吸收了比未掺橡胶混凝土更多的能量，这也是掺橡胶超高性能混凝土抗冲磨性能提升的原因所在。