橡胶混凝土抗冲磨性能

亢景付，范 昆

(天津大学建筑工程学院滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津 300072）

我国大部分河流为多泥沙河流，尤以黄河为甚．含沙水流对水工建筑物过流面混凝土的冲磨破坏是水电工程建设和运行中的一直存在的技术难题．据调查[1]，我国70%左右的大坝泄水建筑物中存在不同程度的冲磨破坏问题，严重者建筑物过流面表层大面积剥蚀破坏．随着西部大开发和西电东送发展战略的实施，我国已兴建和正在兴建一批大型高水头电站，如小湾、龙滩、拉西瓦、糯扎渡等，其泄水建筑物的泄流流速高达40～50,m/s，对抗冲磨材料的抗裂性、抗冲磨能力均提出了更高的要求．

泄水建筑物过流面冲磨破坏的主要原因是含沙水流的磨损作用、冲击作用和空蚀作用．如何提高混凝土的抗冲磨能力，国内外均有大量研究报道[2-4]，普遍公认的看法是，混凝土的抗冲磨性能与抗压强度密切相关，主要决定于组成材料的抗冲磨性能，应尽量选用高强耐磨骨料，提高骨料在混凝土中的比例；尽量提高水泥石的强度，设法改善增强水泥石与砂石骨料的黏结强度．我国水电工程中应用比较普遍的硅粉混凝土、真空脱水混凝土和环氧树脂砂浆护面等基本上都是基于这种指导思想．近年来，国内外有些学者在研究过程中发现[5-8]，混凝土的抗冲磨性能和抗压强度之间并不存在对应关系，但与混凝土的轴心抗拉强度密切相关，混凝土的抗拉强度越高，其抗冲磨性能越好；抗冲磨性能还与混凝土的韧性密切相关，韧性越大，混凝土的抗冲磨能力越强，因而出现了钢纤维混凝土、钢纤维硅粉混凝土、聚丙烯纤维混凝土等[9-11]．

橡胶混凝土是近年来备受关注的一种新型混凝土，已有研究表明[12-15]，在混凝土中掺入适量废旧轮胎橡胶粉，虽然会导致力学强度的降低，但混凝土的韧性会得到显著改善，破坏形式由脆性断裂变为韧性破坏，弯曲变形量和极限拉伸值明显增大．

本文在研究过程中发现，在抗压强度相同的情况下，橡胶混凝土的抗拉强度和极限拉伸值均大于基准混凝土，并且增加幅度随着橡胶粉用量的增加而增大，当橡胶粉体积分数为 12.0%时，抗拉强度提高约20%，极限拉伸值增加约 45%[16]．虽然橡胶混凝土技术性能研究的文献已有很多，但关于橡胶混凝土抗冲磨性能方面的研究却很少．为此，本文采用《水工混凝土试验规程》(DL/T 5150—2001)推荐的试验方法，对橡胶混凝土的抗冲磨性能进行了探讨．

1 试验设计

1.1 试验材料

试验所用水泥为河南孟电集团水泥有限公司P.O-42.5普通硅酸盐水泥；粗骨料为石灰岩碎石；最大粒径为 31.5,mm；砂为细度模数 2.5的河砂；橡胶粉为废旧轮胎经机械破碎、研磨、除尘、清洗得到的16目(粒径约为1,mm)橡胶细颗粒；减水剂为郑州建科混凝土外加剂有限公司 JKH-3型低引气高效减水剂．

1.2 混凝土配合比

基准混凝土的配合比示于表 1．橡胶混凝土的配合比以基准混凝土为基础，保持水泥、水和粗骨料用量不变，选择橡胶粉体积分数分别为 5%、7.5%、10%和15%，采用橡胶粉等体积取代砂的方法确定橡胶粉用量．按照混凝土的坍落度相同(5～7,cm)的原则调整外加剂用量．橡胶混凝土的橡胶粉、砂和减水剂用量示于表2．

1.3 试验仪器和试验方法

根据《水工混凝土试验规程》DL/T 5150—2001，用于评价和比较混凝土抗冲磨性能的试验方法有 3种：①圆环法，适用于比较各种混凝土(或砂浆)在含砂水流冲刷下的抗冲磨性能；②水下钢球法，用于测定混凝土表面受水下高速流动介质磨损的相对抗力，评价混凝土表面的相对抗磨性能；③风砂枪法，适用于研究和评定混凝土及其他材料抵抗高速含砂水流冲刷作用的性能．3种试验方法各有优缺点，但均可用于研究混凝土的抗冲磨性能．

表1 基准混凝土配合比Tab.1 Mix of control concrete

表2 橡胶混凝土的橡胶粉、砂和减水剂用量Tab.2 Dosage of rubber particles，sand and water reducer in rubberized concrete

本文采用的是圆环法，冲刷试验机的外形和结构组成如图 1所示．电动机转速为 1,430,r/min，叶轮圆周转速为 14.3,m/s；抗冲磨试件为外径322,mm、内径202,mm、高度60,mm的圆环；试件的外观形貌示于图2．磨损剂为0.50～0.85,mm标准石英砂与水的混合物，每次加入量为砂150,g、水1,000,mL．试件冲磨30,min后停机，取出试件，用水冲洗干净，擦去表面水分并称量．然后更换磨损剂，重复冲磨 3次后按式(1)和式(2)计算混凝土的抗冲磨强度和质量磨损率．

图1 冲刷试验机外形和结构组成Fig.1 Appearance and structure of abrasion test machine

图2 圆环形试件的外观形貌Fig.2 Appearance of ring-shape specimen

式中：fa为混凝土的抗冲磨强度，即单位面积上被磨损单位质量所需的时间，h/(g/cm2)-1；L为质量磨损率，即经过 t时间磨损后，磨损掉的质量与试件初始质量的百分比；t为试验累计时间，h；ΔM 为经过t时间磨损后，试件的累计磨损量，g；M0为试件的初始质量；A为试件受冲磨面积，A=380,cm2．

试件成型时，同时成型了 100,mm×100,mm×100,mm立方体试件，用于测定混凝土的抗压强度．试件成型后在标准养护室进行养护，28,d后进行试验．

2 试验结果及分析

橡胶混凝土28 d的抗压强度和抗冲磨强度试验结果如图3所示，图4是试件冲磨试验前后的表观形态变化情况，由于冲磨前各组试件的外观形态基本相同，这里只给出1个试件结果作为代表．

从图3的试验结果可以看出，采用橡胶粉等体积代砂方法配制的橡胶混凝土，其立方体抗压强度随着橡胶粉体积分数的增加而降低，这与已有研究成果是吻合的．但混凝土的抗冲磨强度却随着橡胶粉体积分数的增加而逐渐增大，质量磨损率逐渐减小．基准混凝土的抗冲磨强度为6.95,h/(g/cm2)-1，当橡胶粉体积分数为15.0%时，抗冲磨强度增加到15.0,h/(g/cm2)-1，后者是前者的2.16倍．

冲磨试验前后试件的外观形貌变化也证实了橡胶粉对混凝土抗冲磨性能的改善作用．从图 4可以看出，基准混凝土(C-0)试件冲磨后，虽然冲磨表面也很光滑，但已有许多石子暴露出来；而 4组橡胶混凝土试件不仅表面光滑平整，而且未见有石子露出．这表明，橡胶粉的加入使混凝土的磨损量减小，对提高混凝土的抗冲磨能力起到了积极作用．

图3 橡胶混凝土的抗压强度、抗冲磨强度和质量磨损率与橡胶粉体积分数的关系Fig.3 Relations between compressive strength，abrasion Fig.3 resistance strength，quality lost rate and volume Fig.3 fraction of tire rubber

图 5是橡胶混凝土较基准混凝土抗冲磨强度增加的相对倍数，可以看出，抗冲磨强度与橡胶粉体积分数之间存在良好的对应关系，橡胶粉体积分数越大，混凝土的抗冲磨强度越高，并且从图 5中还可看出，继续增加橡胶粉体积分数，抗冲磨强度还有可能进一步提高．

图4 冲磨试验前后试件外观形态变化Fig.4 Appearance changes of the specimen before and after abrasion

文献[17]曾采用水下钢球法对基准混凝土、硅粉混凝土和橡胶混凝土进行抗冲磨性能对比试验，基准混凝土的水灰比为 0.4，砂率为 0.35，单位用水量160,kg/m3；橡胶混凝土以基准混凝土为基础，按外掺法掺入8目橡胶粉，硅粉混凝土也以基准混凝土为基础，掺入含 7%水泥(质量分数)的硅粉．从抗压强度的数值上看，硅粉混凝土的强度最高，基准混凝土次之，橡胶混凝土最小，并且随着橡胶粉掺量的增加逐渐减小．然而从抗冲磨强度看，基准混凝土最低，硅粉混凝土高于基准混凝土，橡胶混凝土又高于硅粉混凝土，并且随着橡胶粉掺量的增加而增大．与基准混凝土相比，当 8目橡胶粉的掺量为水泥质量的 18%时，试件的抗冲磨强度竟提高了 4倍以上，这是已有研究中，任何一种方法都未曾达到的增强效果．并且，如果继续加大橡胶粉用量，混凝土的抗冲磨强度可能会更高．

图5 橡胶混凝土较基准混凝土抗冲磨强度增加的相对倍数Fig.5 Comparison of abrasion resistance between rubberized concrete and control concrete

虽然本文所用的试验方法与文献[17]不同(分别为圆环法和水下钢球法)，但试验结果具有很好的一致性．都证明橡胶混凝土确实具有很好的抗冲磨性能，并且2个试验都未找到具有最大抗冲磨强度时的最佳橡胶粉用量，有待进一步深入探讨．

3 机理分析

混凝土的冲磨破坏是含砂水流的磨损、冲击和空蚀作用的结果，在含砂水流冲磨混凝土表面的初期，由于水泥石的强度比骨料低，冲磨破坏力首先将表面的水泥石磨蚀掉，使水泥石部位逐渐磨蚀成凹坑，骨料逐渐凸出．此后，凸出骨料所受的磨蚀力大于凹处的水泥石．凸出骨料除了承受着含沙水流的磨损作用外，还承受高速含砂水流的冲击作用和空蚀作用，后2种作用使水泥石对骨料的黏结逐渐受到破坏，发展到一定程度时，凸出骨料被冲掉，形成冲磨破坏；对于橡胶混凝土而言，当初期冲磨结束后，凸出骨料中不仅有砂粒和石子，还有橡胶粉颗粒．由于橡胶粉颗粒的弹模要比石子和砂粒小几百倍，对含砂水流的冲击有很强的能量吸收作用，这种吸收作用使水泥石黏结破坏的历程得以显著延长，因而表现出较高的抗冲磨强度．

本文研究结果说明了以下2个问题：①从理论上讲，混凝土抗冲磨能力的大小并不是简单地取决于组成材料(砂、石和水泥石)本身的抗冲磨性能和组成材料之间相互结合的牢固性，而是与混凝土的韧性密切相关，组成材料对含砂水流冲击作用的能量吸收起到了更大的作用；②本文的研究结果对配制高抗冲磨混凝土提出了一条技术途径，比如，在硅粉混凝土中掺入适量橡胶粉，既可保证水泥石对骨料和橡胶粉颗粒的黏结强度，又可发挥橡胶粉颗粒的能量吸收作用和对混凝土的增韧作用，使之具有更好的抗冲磨性能，这对我国西部大开发的高水头电站建设具有重要理论意义和实用价值．

4 结 论

(1)在混凝土中掺入适量橡胶粉，虽然会导致抗压强度的降低，但可改善混凝土的抗冲磨性能，使抗冲磨强度提高，质量磨损率降低．

(2)采用橡胶粉等体积代砂方法配制橡胶混凝土，混凝土的抗冲磨强度随着橡胶粉体积分数的增加而增大，当橡胶粉体积分数为 15.0%时，抗冲磨强度为基准混凝土的2.16倍．

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