冻融循环与海水腐蚀对超高性能混凝土抗冲磨性能的影响研究.docx

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1、引言水工建筑物受到高速挟砂水流或挟带推移质水流撞击并经历一定运转周期后,常常会出现不同程度的磨蚀冲击破坏或气蚀破坏，导致混凝土表面大面积剥落，尤其是我国北方沿海地区、青海盐湖地区等，在长期盐侵蚀和冻融循环的耦合作用下，混凝土劣化速度加快，出现内部损伤、表面混凝土剥落、承载力下降以及使用功能退化等问题“一久据调查，我国运行中的大坝泄水建筑物中大约有70%存在不同程度的冲磨破坏问题:，为了提高水工建筑物的抗冲磨性能，在水工建筑物的过流面应用抗冲磨材料，现有抗冲磨材料有硅灰耐冲磨混凝土、纤维增强混凝土、粉煤灰混凝土、环氧砂浆、不锈钢板、铸石板等，但都存在不同缺点。超高性能混凝土（简称UHPC）是近年

2、来发展起来的一种超高性能水泥基复合材料，是由水泥、活性矿物掺合料、砂、高性能减水剂、钢纤维等材料组成，具有高抗压、高抗弯、高抗冲击性、高耐腐蚀性、高耐久性的特点以，目前许多学者对UHPC进行了力学性能、耐久性能的试验研究，并己取得了一定的成果，但对UHPC在冻融循环和盐腐蚀作用下的抗冲磨性能方面的研究较少。因此，本文对UHPC在冻融循环和海水腐蚀作用下的抗冲磨性能进行了试验研究，并与C50钢纤维混凝土进行了比较，为UHPC在北方沿海地区和盐湖地区水利工程的应用提供参考，以推进UHPC在水工抗冲磨混凝土领域的应用。1、试验部分11材料水泥：广州市珠江水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥，P-O42.

3、5R级，标准稠度用水量25.8%,初凝时间162min,终凝时间216min,3d抗压强度36MPa、抗折强度6.8MPa,28d龄期抗压强度55MPa、抗折强度8.6MPa0掺合料：广东道明铁路器材有限公司生产的复合矿物掺合料，比表面积268Om）kg,28d活性指数大于100%。粗集料：佛冈贵田石场生产的玄武岩碎石，粒径520mm,连续级配，压碎值V10%。细集料：清远市长平砂石有限公司的河砂，粒径V4.75mm,细度模数2.32.8,含泥量1.0%；阳泉市新亿成商贸有限公司的烧结铝研土，粒径4.75mm,细度模数2.32.8,AUh含量75%；都江堰欣华益橡胶颗粒制品经营部的橡胶颗粒，粒

4、径1.25mm,细度模数2.2。外加剂：广东道明铁路器材有限公司生产的聚竣酸减水剂，固含量40%,减水率30%。钢纤维：上海真强钢纤维有限公司生产的镀铜钢纤维，长度1214mm,直径0.2mm,抗拉强度22850MPa,水：自来水。海水：5倍浓度人工海水，按照GB/T15748-2013船用金属材料电偶腐蚀试验方法规定配置。1.2配合比设计通过正交设计，在进行大量配合比试验的基础上，选取5组配合比，为了确保相同水胶比条件下橡胶UHPC与基准UHPe总体积一致，橡胶颗粒以等体积取代铝矶土，其他材料用量均为体积比，具体配合比见表1。表1混凝土配合比编号水泥掺合料铝斫土河砂橡胶颗粒碎石减水剂水钢纤维

5、掺至1#1815460003162.02#1815410503162.03#18153601003162.04#18152901503162.05#106.50230420.317.21.0注：1#4#为UHPC,5#为C50钢纤维混凝土。1.3试验方法材料抗冲磨强度是指材料单位面积上被磨损单位质量所需要的时间，单位面积上被磨损单位质量所需要的时间越长，表明材料抗冲磨强度越高、抗冲磨性能越好。本文分析橡胶颗粒掺量、冻融循环次数、海水腐蚀天数、冻融循环与海水腐蚀的耦合作用对UHPC抗冲磨性能的影响及橡胶颗粒掺量对UHPC抗压、抗折强度的影响。根据表1所列各组配合比，分别制作用于上述测试的试件，抗

6、压强度采用IOommXIOOmmXIOomm的立方体试件，抗折强度采用IoOnIinXIOOmm400mm的棱柱体试件，抗冲磨强度采用300mmIOOmm的圆柱体试件。试件采用振动成型方式，UHPC试件成型后24h脱模，随后放入高温养护箱中85蒸汽养护48h后自然冷却至室温。C50钢纤维混凝土试件成型后24h脱模，随后放入标准养护室中喷雾养护28d,养护室温度为（202）C,相对湿度为95%以上。本文设置4组试验，第1组为橡胶颗粒掺量对UHPC性能的影响研究：UHPC试件完成高温养护后进行抗压、抗折和抗冲磨试验；第2组为冻融循环次数对UHPC抗冲磨性能的影响研究：UHPC试件完成高温养护后在淡

7、水中冻融循环150、300、450、600次后分别进行抗冲磨试验；第3组为海水腐蚀天数对UHPC抗冲磨性能的影响研究：UHPC试件完成高温养护后在海水中浸泡50、100、150.200d后分别进行抗冲磨试验;第4组为冻融循环300次和海水腐蚀50d耦合作用下UHPC与C50钢纤维混凝土的抗冲磨性能对比：掺10%橡胶颗粒的UHPC试件和C50钢纤维混凝土试件，高温养护后在海水中冻融循环300次（冻融循环300次与海水腐蚀50d耦合作用）后分别进行抗冲磨试验。抗冲磨强度测试根据D1/T5150-2001水工混凝土试验规程中水下钢球法进行，冲磨试验用水为5倍浓度人工海水；抗压、抗折强度测试根据T/C

8、BMF37-2018/T/CCPA7-2018超高性能混凝土基本性能及试验方法进行；冻融试验方法是根据GB/T50082-2019普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准中的快冻法进行，每次冻融循环时间为4h；海水腐蚀试验是将试件浸泡在海水中。2、结果与分析2.1 橡胶颗粒掺量对UHPC力学性能的影响UHPC试件高温养护后，进行力学性能测试，橡BdW麻ss归4321098722222111Oooo65431-d工、柒道120胶颗粒掺量对UHPC力学性能的影响如图1所示。1615246810121416橡胶颗粒掺量/%图1橡胶粒掺量对UIIPC力学性能的影响由图1可知，橡胶颗粒掺量0%15%的U

9、HPC抗压强度、抗折强度均随着橡胶颗粒掺量的增加而降低。分析原因：橡胶颗粒是一种弹性体材料，受到压力时，容易使体积发生收缩，形成“孔洞”，导致UHPC结构内部存在较大的孔隙，同时橡胶颗粒的掺入，增加了UHPC内部界面薄弱点，所以橡胶颗粒掺量越多，UHPC的抗压强度下降越多，杨敏对橡胶颗粒降低混凝土抗压强度也进行了类似的理论分析；橡胶颗粒与水化产物粘结性能较差，增加了橡胶UHPC内部的裂隙，从而使橡胶UHPC的抗折强度要低于不掺橡胶的UHPC,并随着橡胶颗粒掺量的增多抗折强度降低幅度增大，这些原因也出现在徐敏M对橡胶混凝土力学性能机理分析中。2.2 橡胶颗粒掺量对UHpC抗冲磨性能的影响UHPC

10、试件高温养护后进行抗冲磨测试，橡胶颗粒掺量对UHPC抗冲磨性能的影响见表2。橡胶颗粒掺量/%051015抗冲磨强度/(rn2hkg)92.399.1109.5102.7由表2可知，高温养护后，UHPC抗冲磨强度随着橡胶颗粒体积掺量的增加先提高后降低，即橡胶颗粒的体积掺量为OQI0%范围内，UHPC的抗冲磨强度逐渐提高，但橡胶颗粒掺量进一步提高到15%时，UHPC的抗冲磨有所降低。分析原因：抗冲磨强度不仅受材料抗压强度的影响，还受材料韧性的影响，当掺入适量橡胶颗粒时，橡胶颗粒高弹性的优势作用要大于增加界面薄弱点的劣势作用，提高UHPC的变形能力，从而有效降低和缓解钢球与UHPC表面摩擦作用产生的

11、摩擦力，减少UHPC的磨耗，所以UHPC的抗冲磨强度提高，这与草峰等“】在橡胶粉水泥混凝土路面冲磨性能试验研究中的机理分析类似；但随着橡胶颗粒掺量的增加，UHPC内部薄弱区增加，橡胶颗粒的弹性作用小于薄弱点作用时，在钢球冲磨作用下，容易被摩擦作用产生的摩擦力带出，从而增加UHPC的磨耗，降低UHPC的抗冲磨强度，这一原因也出现在黄琼念等U的橡胶混凝土性能研究中。2.3冻融循环对UHPC抗冲磨性能的影响不同橡胶掺量的UHPC试件完成高温养护后在淡水中冻融循环150、300、450、600次后分别进行抗冲磨试验，冻融循环测试对UHPC抗冲磨性能的影响如图2所示。12011010090广110.71

12、09.54-0%橡胶颗粒掺量一一5%橡胶颗粒掺量I110%橡胶颗粒掺量15%橡胶颗粒掺量109.51.9107.1103.5185.680O100200300400500600冻融循环次数/次图2不同冻融循环次数UHPC的抗冲磨强度由图2可知，不同橡胶颗粒掺量的UHPC抗冲磨强度在冻融循环150次之后开始下降；相同冻融循环次数后的抗冲磨强度随着橡胶颗粒掺入量的增加先增加后降低，橡胶颗粒掺量为10%为最佳掺量。分析原因：UHPC内部水分发生低温冻结膨胀产生的应力小于水化凝胶与骨料间的结合力，但是随着冻融循环次数的增加，应力不断加载、卸载，反复循环，UHPC内部损伤不断积累，UHPC内部裂纹逐渐增

13、多，从而在冻融循环150次之后UHPC的抗冲磨强度逐渐降低；UHPC中掺入适量橡胶颗粒，由于橡胶颗粒是弹性体，当UHPC内部受膨胀压力时可以起缓冲作用，缓解膨胀应力对UHPC水化产物的损伤，缓减裂缝的发展，提高UHPC的抗冻融循环次数，这与叶文超在橡胶混凝土的耐久性研究中的结果一致；橡胶颗粒掺量超过最佳掺量时，橡胶颗粒与水化产物的粘附力较低，增加UHPC内部的薄弱区，从而薄弱区的劣化作用大于弹性体的优势作用，大幅度降低UHPC的抗冲磨强度。2.4海水腐蚀对UHPC抗冲磨性能的影响不同橡胶颗粒掺量的UHPC试件完成高温养护后在海水中浸泡50、100、150、20Od后分别进行抗冲磨试验，海水腐蚀

14、对UHPC抗冲磨性能的影响如图3所示。-0%橡胶颗粒掺量5%橡胶颗粒掺量I110%橡胶颗粒掺量，一15%橡胶颗粒掺量14013012011010090807050100150200海水浸泡天数/d图3不同海水浸泡天数UIIPC的抗冲磨强度由图3可知，不同橡胶颗粒掺量的UHPC抗冲磨强度在海水腐蚀50d之后开始降低；相同浸泡时间的抗冲磨强度随着橡胶颗粒掺量的增加先增加后降低，且橡胶颗粒最佳掺量为10%.分析原因：海水侵蚀后首先表层未水化胶凝材料成分水化产生水化产物，提高IJHPC的胶结强度，随着海水腐蚀的进行，未水化的水泥与人工海水中的氯离子结合生成的FriCde1s盐填充了UHPC内部的孔隙，

15、这些原因也出现在李师财等对海水海砂混凝土力学与耐久性的研究中。当海水腐蚀进一步进行时，水化产物与硫酸盐作用产生的石膏和Friede1s盐造成UHPC内部膨胀，膨胀应力使其产生破坏裂纹，从而UHPC抗冲磨强度在海水腐蚀50d之后开始降低。UHPC掺适量橡胶颗粒，由于橡胶颗粒是弹性体，在UHPC受海水侵蚀产生石膏、FriederS盐产生膨胀压力过程中可以消耗部分内应力，缓解对UHPC薄弱区的破坏，提高UHPC的抗海水腐蚀性能；橡胶颗粒掺量超过最佳掺量时，橡胶颗粒与水化产物的粘附力较低，形成材料的薄弱区增加，UHPC受海水侵蚀产生的石膏、FriCdC1s盐的膨胀应力对薄弱区的破坏增强，从而降低UHPC的抗冲磨强度。2.5冻融循环和海水腐蚀耦合作用下UHPC与C50钢纤维混凝土的抗冲磨性能对比掺10%橡胶颗粒的UHPe试件和C50钢纤维混凝土试件,高温养护后在冻融循环300次与海水腐蚀50d耦合作用（