摘要
为提高混凝土的抗冲磨性能,研究粒状、针状、粉状橡胶对混凝土抗冲磨性能的影响,在粒状橡胶混凝土基础上掺入玄武岩纤维,研究纤维橡胶复合时混凝土的抗冲磨性能,结合SEM观察微观形貌,并分析其抗冲磨增强机理,运用分形维数表征混凝土磨损过程的形貌变化情况,并讨论分形维数与磨损程度的关系。结果表明:掺入15%的粒状、针状与粉状橡胶时,混凝土的抗冲磨强度分别提高了140.24%、157.96%、83.88%;当玄武岩纤维掺量为0.1%时,粒状橡胶混凝土抗冲磨强度提高了11.63%,纤维和橡胶能在不同层面上发挥作用,共同增强抗冲磨性能;混凝土磨损程度可用分形维数表征,随着时间的增加,混凝土磨损越严重,分形维数越大,得到了分形维数与质量损失率和体积损失率的关系,并建立了曲线方程。
含砂、石水流会对混凝土过流面造成冲磨破坏,进而缩短水工建筑物的服役寿命,因此,提高混凝土的抗冲磨性能具有重要意义。已有研究表明,通过减小水胶
目前,对混凝土磨损过程中形貌变化关注较少。混凝土作为一种非均质材料,在磨损过程中,其表面会呈现出凹凸不平的形貌,这种复杂表面很难用经典几何参数进行表征,近年来快速发展的分形理论为复杂表面磨损过程的表征提供了新思路。已有学者将分形理论用于表征硫酸侵蚀混凝土的表面形
笔者研究粒状橡胶、针状橡胶、粉状橡胶的抗冲磨性能,在此基础上,通过掺玄武岩纤维分析对橡胶混凝土抗冲磨性能的影响;通过三维数据采集并重建数字模型,计算磨损过程的体积变化情况以及分形维数,并分析了不同橡胶纤维增强混凝土抗冲磨性能的机理,计算了混凝土的体积损失率、质量损失率及分形维数,建立了分形维数与体积损失率和质量损失率的关系式。
水泥:新疆天山水泥厂生产的P·O 42.5R普通硅酸盐水泥。细集料:天然砂,细度模数2.6,表观密度为2.65 g/c
表称直径/μm | 长度/mm | 比重/(g/c | 抗拉强度/MPa | 弹性模量/GPa | 断裂伸长/% |
---|---|---|---|---|---|
15 | 12 | 2.7 | 2 980 | 87.2 | 3.52 |
橡胶:试验橡胶见

图1 试验橡胶
Fig. 1 Test rubber
试验所用水胶比为0.35,粒状、针状、粉状橡胶分别等体积取代15%的细骨料,减水剂掺量为0.15%,试验配合比见
试验 编号 | 水泥用量/(kg/ | 水用量/(kg/ | 砂用量/(kg/ | 石用量/(kg/ | 橡胶类型和掺量 | 玄武岩纤维掺量/% | |
---|---|---|---|---|---|---|---|
类型 | 掺量/% | ||||||
1 | 482 | 169 | 649 | 1 100 | NR | ||
2 | 482 | 169 | 551.7 | 1 100 | RC | 15 | |
3 | 482 | 169 | 551.7 | 1 100 | RF | 15 | |
4 | 482 | 169 | 551.7 | 1 100 | RP | 15 | |
5 | 482 | 169 | 551.7 | 1 100 | RC | 15 | 0.05 |
6 | 482 | 169 | 551.7 | 1 100 | RC | 15 | 0.1 |
7 | 482 | 169 | 551.7 | 1 100 | RC | 15 | 0.15 |
注: NR代表无橡胶;RC为粒状橡胶;RF为针状橡胶;RP为粉状橡胶。
根据《水工混凝土试验规程》(SL/T 352—2020),进行混凝土立方体抗压、劈裂抗拉试验和抗冲磨试验,抗冲磨试验采用水下钢球法。抗冲磨强度计算式为
(1) |
式中:Ra为抗冲磨强度,(h·
参照《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13:2009),使用自制落锤抗冲击装置,底座采用刚性水平板,装置示意图见

图2 冲击试验装置示意图
Fig. 2 Schematic diagram of impact test device
试件为直径为150 mm、高为65 mm的圆饼形试件,冲击球直径为63 mm,冲击锤重4.45 kg,冲击锤在450 mm高度自由落下,冲击放置在试件顶面的钢球,冲击锤每次冲击完成提升至预设的凹槽内,保证试件中心、冲击球、冲击锤在同一竖直线上,每完成一次冲击即为一个循环。当试件表面出现第一条裂缝时即为初裂冲击次数N1,当观察到裂纹贯穿时即为终裂冲击次数N2。
混凝土冲击功计算式为
W=mghn | (2) |
式中:W为冲击功,J;m为冲击锤质量,kg;g为重力加速度,取9.81 m/
试件均在标准养护条件下养护至28 d,使用SUPRA 55VP型扫描电子显微镜(SEM)观察橡胶、纤维在混凝土中的微观结构。

图3 抗压强度与劈裂抗拉强度
Fig. 3 Compressive strength and splitting tensile strength
高速水流往往会携带大颗粒的推移质泥沙对水工建筑物混凝土造成冲击、磨损破坏,而以水下钢球法评价混凝土的抗冲磨强度时,无法真实模拟大颗粒推移质泥沙对混凝土的冲击作用,所以结合水下钢球法和落锤冲击法综合分析混凝土的抗冲磨性能。

图4 混凝土抗冲磨强度及终裂冲击功
Fig. 4 Abrasion strength and final crack impact energy of concrete
混凝土冲磨破坏过程中,主要表现为小角度的切削和大角度的冲击导致混凝土表面脆性断

(a) 粒状橡胶混凝土

(b) 针状橡胶混凝土

(c) 纤维粒状橡胶混凝土
图5 橡胶混凝土抗冲磨机制模型
Fig. 5 Abrasion mechanism model of rubber concrete
粒状橡胶混凝土中掺入玄武岩纤维时,掺量较少对混凝土性能提高并不明显,过多会出现团聚分散不均匀等现象,导致性能降低。纤维与水泥基体间应力传递主要依靠纤维与水泥石的化学胶接力和物理摩擦力来实现增韧阻裂作用,因此,纤维与水泥石间的界面结合度是纤维在混凝土中应力传递的关

(a) 橡胶与基体结合情况

(b) 玄武岩纤维分布情况

(c) 纤维与基体结合情况

(d) 裂纹间的纤维
图6 纤维橡胶混凝土SEM图
Fig. 6 SEM images of fiber rubber concrete
试验采用简化的三维形貌扫描测量系

图7 三维数据测量简图
Fig. 7 Diagram of 3D data measurement
通过以试件为中心建立笛卡尔坐标系(X、Y、Z),使Z轴与试件垂直,使用深度计取代位移传感器,所使用的深度计垂直方向测量范围为120 mm,精度为0.01 mm,此深度计可以在Y轴支架上移动,通过移动支架X轴和Y轴上的深度计来测量混凝土表面的磨损变化。鉴于试验精度和测量工作量,本次试验在X、Y方向每隔5 mm取一个测量点,在此基础上计算了试件的磨损体积和分形维数,并绘制三维形貌特征。
试验采用较直接且可靠的立方体覆盖法计算混凝土冲磨表面分形维

图8 立方体覆盖法示意
Fig. 8 Schematic diagram of cube covering method
Ni,j=int{ | (3) |
式中:int为取整函数,覆盖整个冲磨面所需立方体总个数N(δ)为
(4) |
取不同的δ值对冲磨面进行覆盖,并计算所需总立方体个数N(δ)。若冲磨表面具有分形性质,按照分形理论,立方体总个数N(δ)与取值尺度δ之间存在关系式为:N(δ)~
通过采集的三维数据,计算不同时间段内混凝土磨损的体积,计算式
(5) |
式中:Z为每个测量点的磨损深度;Sn为水平表面的面积微元;N为整个冲磨面的测量总点数,计算结果列于
试验编号 | 质量损失率M/% | 体积损失率V/% | ||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
24 h | 48 h | 72 h | 96 h | 120 h | 144 h | 24 h | 48 h | 72 h | 96 h | 120 h | 144 h | |
1 | 1.01 | 2.06 | 2.97 | 3.92 | 4.78 | 5.63 | 0.94 | 1.80 | 2.71 | 3.62 | 4.41 | 5.21 |
2 | 0.65 | 1.05 | 1.45 | 1.80 | 2.12 | 2.44 | 0.77 | 1.29 | 1.91 | 2.32 | 2.71 | 2.98 |
3 | 0.50 | 0.88 | 1.25 | 1.55 | 1.86 | 2.18 | 0.92 | 1.29 | 1.67 | 1.91 | 2.15 | 2.59 |
4 | 0.68 | 1.14 | 1.57 | 2.09 | 2.62 | 3.16 | 0.87 | 1.35 | 1.69 | 2.11 | 2.52 | 2.93 |
5 | 0.68 | 1.07 | 1.44 | 1.76 | 2.08 | 2.37 | 0.86 | 1.27 | 1.65 | 2.01 | 2.35 | 2.69 |
6 | 0.65 | 0.99 | 1.32 | 1.63 | 1.90 | 2.15 | 0.82 | 1.15 | 1.52 | 1.79 | 2.06 | 2.39 |
7 | 0.68 | 1.16 | 1.60 | 1.92 | 2.25 | 2.59 | 1.15 | 1.51 | 2.03 | 2.65 | 3.11 | 3.57 |
根据磨损面分形维数计算方法计算相关参数。
δ | N(δ) |
---|---|
0.1 | 10 276 456 |
0.15 | 4 387 324 |
0.25 | 1 803 347 |
0.5 | 459 103 |
1.0 | 72 621 |
2.5 | 11 744 |
5.0 | 2 940 |

图9 磨损面测量尺度与总个数关系
Fig. 9 Relationship between abrasion surface measurement scale and total number
试验编号 | 分形维数D | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
24 h | 48 h | 72 h | 96 h | 120 h | 144 h | |
1 | 2.112 4 | 2.112 8 | 2.117 2 | 2.120 8 | 2.127 4 | 2.130 2 |
2 | 2.082 4 | 2.088 0 | 2.093 1 | 2.096 3 | 2.098 5 | 2.100 8 |
3 | 2.079 8 | 2.084 3 | 2.087 7 | 2.093 1 | 2.094 3 | 2.095 6 |
4 | 2.083 1 | 2.090 4 | 2.093 4 | 2.095 9 | 2.098 1 | 2.100 1 |
5 | 2.078 6 | 2.081 2 | 2.086 3 | 2.089 2 | 2.092 3 | 2.093 9 |
6 | 2.081 2 | 2.085 5 | 2.088 8 | 2.091 6 | 2.093 7 | 2.095 1 |
7 | 2.084 7 | 2.087 0 | 2.092 3 | 2.096 9 | 2.099 5 | 2.100 8 |

(a) 48 h

(b) 96 h

(c) 144 h
图10 磨损面三维图像
Fig. 10 Three dimensional image of abrasion surface
混凝土作为一种非均质材料,磨损面往往会呈现出差异性,导致各组混凝土的分形维数计算结果不同。由
混凝土磨损过程中,试件的质量损失或者体积损失都会引起混凝土形貌的改变,分形维数作为一种表面形貌变化情况的表征参数,将其与质量损失率、体积损失率进行曲线拟合并得到关系式,见


图11 分形维数与质量损失率和体积损失率的关系
Fig. 11 Relationship between fractal dimension and mass loss rate and volume loss rate
通过对试验数据拟合得出试验条件下分形维数D与掺橡胶、纤维的混凝土质量损失率M、体积损失率V的关系式,见
V=224.8ln(D)-163.9, | (6) |
M=202.49ln(D)-147.76, | (7) |
当实际工程中判断混凝土磨损情况时,由于无法确定混凝土的质量损失或者体积损失时,可通过分形维数按
1)橡胶形貌对抗冲磨性能影响较大,在普通混凝土中掺15%橡胶,粒状橡胶与针状橡胶表现出较好的抗冲磨性能,提升率达到140.24%、157.96%,而粉状橡胶相对提升较小,为83.88%,说明对于抗冲磨混凝土,掺粒状橡胶或者针状橡胶较为合适;适量的玄武岩纤维能再次提高橡胶混凝土的抗冲磨性能,当纤维掺量为0.1%时,橡胶混凝土的抗冲磨强度提高了11.63%,橡胶和纤维能够共同发挥作用,在不同层面上提高抗冲磨性能。
2)分形维数可以表征混凝土磨损过程表面变化情况,发现分形维数与磨损时间呈正相关,随着磨损过程的进行,混凝土磨损面粗糙程度加重,分形维数逐渐增大,分形维数越大,混凝土磨损越严重;分形维数与体积损失率和质量损失率存在较好的相关性,并建立了曲线方程,可以通过分形维数推断混凝土的质量损失率或体积损失率。
参考文献
LIU Y W, YEN T, HSU T H. Abrasion erosion of concrete by water-borne sand [J]. Cement and Concrete Research, 2006, 36(10): 1814-1820. [百度学术]
ARDALAN R B, JAMSHIDI N, ARABAMERI H, et al. Enhancing the permeability and abrasion resistance of concrete using colloidal nano-SiO2 oxide and spraying nanosilicon practices [J]. Construction and Building Materials, 2017, 146: 128-135. [百度学术]
王磊, 何真, 杨华全, 等. 硅粉增强混凝土抗冲磨性能的微观机理[J]. 水利学报, 2013, 44(1): 111-118. [百度学术]
WANG L, HE Z, YANG H Q, et al. Study on the microstructural mechanism to improve the abrasion resistance of concrete by adding silica fume [J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2013, 44(1): 111-118. (in Chinese) [百度学术]
HE Z, CHEN X R, CAI X H. Influence and mechanism of micro/nano-mineral admixtures on the abrasion resistance of concrete [J]. Construction and Building Materials, 2019, 197: 91-98. [百度学术]
KILIÇ A, ATIŞ C D, TEYMEN A, et al. The influence of aggregate type on the strength and abrasion resistance of high strength concrete [J]. Cement and Concrete Composites, 2008, 30(4): 290-296. [百度学术]
何真, 陈晓润, 蔡新华. 微切削模式下岩石骨料的耐磨性能及影响因素试验研究[J]. 水力发电学报, 2017, 36(6): 86-93. [百度学术]
HE Z, CHEN X R, CAI X H. Wear resistance of rock aggregate against micro-cutting and its relation to rock properties [J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2017, 36(6): 86-93. (in Chinese) [百度学术]
THOMAS B S, CHANDRA GUPTA R. Properties of high strength concrete containing scrap tire rubber [J]. Journal of Cleaner Production, 2016, 113: 86-92. [百度学术]
袁群, 李晓旭, 冯凌云, 等. 橡胶混凝土抗冲磨性能试验研究[J]. 长江科学院院报, 2018, 35(7): 124-130. [百度学术]
YUAN Q, LI X X, FENG L Y, et al. Abrasion resistance of rubberized concrete [J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2018, 35(7): 124-130. (in Chinese) [百度学术]
THOMAS B S, KUMAR S, MEHRA P, et al. Abrasion resistance of sustainable green concrete containing waste tire rubber particles [J]. Construction and Building Materials, 2016, 124: 906-909. [百度学术]
ISMAIL M K, HASSAN A A A, LACHEMI M. Effect of fiber type on impact and abrasion resistance of engineered cementitious composites [J]. ACI Materials Journal, 2018, 115: 957-968. [百度学术]
KABAY N. Abrasion resistance and fracture energy of concretes with basalt fiber [J]. Construction and Building Materials, 2014, 50: 95-101. [百度学术]
肖杰, 屈文俊, 朱鹏. 混凝土硫酸腐蚀表面形貌的分形维数表征[J]. 材料导报, 2016, 30(2): 130-134, 154. [百度学术]
XIAO J, QU W J, ZHU P. Surface topography of concrete after sulfuric acid corrosion characterized by fractal dimension [J]. Materials Review, 2016, 30(2): 130-134, 154. (in Chinese) [百度学术]
陈志祥, 李富民, 方渝钰, 等. 混凝土表面粗糙度评价指标的相关性研究[J]. 建筑结构学报, 2021, 42(12): 193-199. [百度学术]
CHEN Z X, LI F M, FANG Y Y, et al. Study on dependencies among evaluation indexes for concrete surface roughness [J]. Journal of Building Structures, 2021, 42(12): 193-199. (in Chinese) [百度学术]
冯凌云, 袁群, 马莹, 等. 橡胶混凝土力学性能的试验研究[J]. 长江科学院院报, 2015, 32(7): 115-118. [百度学术]
FENG L Y, YUAN Q, MA Y, et al. Experimental study on mechanical property of rubber concrete [J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2015, 32(7): 115-118. (in Chinese) [百度学术]
LIANG C F, LIU T J, XIAO J Z, et al. The damping property of recycled aggregate concrete [J]. Construction and Building Materials, 2016, 102: 834-842. [百度学术]
尹延国, 胡献国, 崔德密. 水工混凝土冲击磨损行为与机理研究[J]. 水力发电学报, 2001, 20(4): 57-64. [百度学术]
YIN Y G, HU X G, CUI D M. Wear behaviors and mechanism of hydraulic concrete impacted by water jet with sand [J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2001, 20(4): 57-64. (in Chinese) [百度学术]
刘加平, 汤金辉, 韩方玉. 现代混凝土增韧防裂原理及应用[J]. 土木工程学报, 2021, 54(10): 47-54, 63. [百度学术]
LIU J P, TANG J H, HAN F Y. Toughening and crack prevention of modern concrete: mechanisms and applications [J]. China Civil Engineering Journal, 2021, 54(10): 47-54, 63. (in Chinese) [百度学术]
侯敏, 陶燕, 陶忠, 等. 关于玄武岩纤维混凝土的增强机理研究[J]. 混凝土, 2020(2): 67-71, 75. [百度学术]
HOU M, TAO Y, TAO Z, et al. Study on the reinforcement mechanism of basalt fiber concrete enhancement mechanism [J]. Concrete, 2020(2): 67-71, 75. (in Chinese) [百度学术]
YANG J, RONG G, HOU D, et al. Experimental study on peak shear strength criterion for rock joints [J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2016, 49(3): 821-835. [百度学术]
周宏伟, 谢和平, KWASNIEWSKIMA. 粗糙表面分维计算的立方体覆盖法[J]. 摩擦学学报, 2000, 20(6): 455-459. [百度学术]
ZHOU H W, XIE H P, KWASNIEWSKIMA. Fractal dimension of rough surface estimated by the cubic covering method [J]. Tribology, 2000, 20(6): 455-459. (in Chinese) [百度学术]
ZHOU H W, XIE H. Direct estimation of the fractal dimensions of a fracture surface of rock [J]. Surface Review and Letters, 2003, 10(5): 751-762. [百度学术]
JIANG C M, JIANG L H, CHEN C, et al. Evaluation and prediction on the hydraulic abrasion performance of high belite cement-based concrete [J]. KSCE Journal of Civil Engineering, 2021, 25(6): 2175-2185. [百度学术]