船閘用纖維混凝土耐撞磨性能與機(jī)理分析

秦鴻根，耿帥帥，朱曉斌，馮長偉

(1.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京211189;2.江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京211189)

船閘工程尤其是閘室墻混凝土在運(yùn)行過程中會受到船舶的撞擊磨損以及流水夾質(zhì)的沖磨作用，引起混凝土表面的剝蝕、骨料外露甚至開裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響閘室墻混凝土的外觀質(zhì)量和安全性.在船閘主體部位采用抗裂耐撞磨高性能混凝土，以提高其結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，具有重要意義.

1 混凝土撞磨破壞模型與試驗(yàn)方法

1.1 船閘混凝土撞磨破壞模型

來往船舶對閘室墻混凝土的破壞是一種既沖擊又磨損的方式，閘室墻經(jīng)受船舶的撞磨作用形式如圖1所示.

圖1 閘室墻耐撞磨作用示意圖

船舶的沖擊荷載 F以一定的角度 θ(一般＜45°)沖擊混凝土表面，垂直分力Fy對混凝土表面產(chǎn)生撞擊作用，平行分力Fx則對混凝土表面產(chǎn)生磨損作用.因此，可以分別從船舶對混凝土的沖擊和磨損2個方面闡述混凝土受船舶撞磨的機(jī)理.

1.1.1 沖擊作用

船舶與混凝土表面產(chǎn)生碰撞的時候，從能量轉(zhuǎn)換的觀點(diǎn)來看，一部分能量消耗于碰撞時產(chǎn)生的船舶運(yùn)動及周圍水的運(yùn)動;另一部分能量被混凝土結(jié)構(gòu)的彈性、塑性變形所吸收，混凝土的變形就是應(yīng)力作用下混凝土產(chǎn)生的應(yīng)變作用，這種作用會導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的破壞.船舶對混凝土的撞擊類型屬于交通類，其應(yīng)變率為(1 ～100)×10－6［1］.

1.1.2 磨損作用

船舶對混凝土的磨損作用類似于汽車輪胎對混凝土路面的摩擦作用，其動能一部分會轉(zhuǎn)變?yōu)槟Σ翢崮芤约八倪\(yùn)動，另一部分被混凝土吸收并伴隨著混凝土的變形，也就是混凝土?xí)饽p剝落.

低水灰比的高強(qiáng)混凝土對集料類型的依賴性較小，采用低水灰比可以提供密實(shí)的具有抗磨損性能的高強(qiáng)度混凝土.

1.2 試驗(yàn)方法

目前尚無測試混凝土耐撞磨性能的具體標(biāo)準(zhǔn)和方法.采用筆者前期提出的船閘工程混凝土耐撞磨性能檢測方法［2］對閘室墻混凝土進(jìn)行耐撞磨性能的測定和評價.

主要儀器有:磨耗試驗(yàn)機(jī)，鋼筒內(nèi)徑為710 mm，內(nèi)側(cè)長510 mm，回轉(zhuǎn)速率為30 r/min;烘箱，溫度控制在(60±2)℃;鋼球，100粒 φ16 mm.

試驗(yàn)步驟為:①將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的圓柱體試件(φ100 mm ×100 mm，每組3塊)放入(60±2)℃烘箱中烘干48 h，測量混凝土的初始質(zhì)量M0;②將3塊試件和100粒φ16 mm的鋼球一起放入鋼筒中，設(shè)定鋼筒回轉(zhuǎn)次數(shù)n，開動機(jī)器;③在鋼筒回轉(zhuǎn)過程中，試件會受到鋼筒和鋼球的撞擊、摩擦作用而產(chǎn)生破損，回轉(zhuǎn)n次后，關(guān)閉機(jī)器并測量混凝土質(zhì)量Mn.

數(shù)據(jù)評定方法為:通過測定試件在鋼筒回轉(zhuǎn)撞磨n次時的質(zhì)量損失率Q來表征其耐撞磨能力，質(zhì)量損失率越小，混凝土耐撞磨性能越好.質(zhì)量損失率采用下式計(jì)算.

式中:Q為試件的質(zhì)量損失率，%;M0為撞磨前的試件質(zhì)量，g;Mn為撞磨n次后的試件質(zhì)量，g.

混凝土的磨耗取3個試件的平均值，其中任何一個值不能超過中間值的15%，否則取中間值，試驗(yàn)結(jié)果精確到 0.1%［3］.

2 原材料與混凝土配合比

2.1 原材料

1)水泥.山東上聯(lián)水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 32.5以及中國水泥廠生產(chǎn)的金寧羊P·II 42.5，水泥的物理、力學(xué)與化學(xué)性能均合格.

2)粉煤灰.邳州電廠產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰，需水量比89.1%，燒失量 3.9%，細(xì)度(0.045 mm)6.6%，含水量0.5%，28 d抗壓強(qiáng)度比78.9%.

3)纖維.采用江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的SBT－1型高強(qiáng)高模聚乙烯醇纖維(PVAF)和潤強(qiáng)絲牌聚丙烯纖維(PPF)，其性能見表1.

4)細(xì)集料與粗集料.細(xì)集料為駱馬湖中砂，細(xì)度模數(shù)2.9，含泥量1.5%，其余性能均合格;粗集料為5.0～31.5 mm連續(xù)級配的石灰?guī)r碎石，含泥量0.4%，壓碎值8.6%，其余性能均合格.

5)外加劑.江蘇博特新材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的聚羧酸類超塑化劑JM－PCA，密度1.06 g/cm3，減水率27.3%，固含量20.6%，28 d抗壓強(qiáng)度比159%.

6)水.普通自來水.

2.2 混凝土配合比

皂河三線船閘混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度C25，現(xiàn)場施工要求采用泵送，混凝土坍落度要求為 T=100～140 mm，1 h坍損≤25%.為研究閘室墻混凝土的力學(xué)性能和耐撞磨性能，采用P·II 42.5進(jìn)行了比對試驗(yàn).共設(shè)計(jì)6組混凝土配合比(前3組水泥為P·O32.5，后 3 組水泥為 P·II 42.5)，W/B 均為0.45，砂率36%，單位用水量 160 ～165 kg/m3，均采用“三摻技術(shù)”，粉煤灰質(zhì)量摻量15% ～40%，纖維體積摻量0.1%，摻聚羧酸類超塑化劑JM－PCA.混凝土試驗(yàn)配合比見表2.

表2 混凝土試驗(yàn)配合比 kg/m3

3 纖維混凝土抗靜載性能

按照表2配合比制備了6組混凝土試件，標(biāo)養(yǎng)28 d，依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)測試了混凝土28 d及90 d抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表3.結(jié)果表明，所配制的6組C25混凝土，摻I級粉煤灰的混凝土后期抗壓強(qiáng)度增長率較大，抗壓強(qiáng)度90 d比28 d增長17% ～28%，強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求;摻PVA纖維的混凝土抗壓強(qiáng)度明顯優(yōu)于同配比摻PP纖維的混凝土，而且具有更好的減小收縮和抗裂性能［4］.

表3 閘室墻混凝土抗壓強(qiáng)度

4 纖維混凝土抗動載性能

4.1 抗沖擊性能

按照表2配合比制備了6組混凝土試件，標(biāo)養(yǎng)28 d，按照ACI(美國混凝土協(xié)會)544委員會推薦的方法進(jìn)行混凝土的抗沖擊試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果見表4.

表4 閘室墻混凝土抗沖擊試驗(yàn)結(jié)果

由表4可以得出:適量粉煤灰(0% ～15%)的摻入，混凝土的抗沖擊性能不會降低，高摻量下(25% ～40%)，混凝土的抗沖擊性能明顯降低.

摻體積比0.1%有機(jī)纖維的混凝土的破壞沖擊次數(shù)和初裂沖擊次數(shù)的差值為4～7次，不摻纖維組的差值只有2～3次，摻入纖維后混凝土從初裂到破壞的沖擊次數(shù)明顯提高，說明纖維的摻入能提高混凝土初裂后吸收沖擊功的能力.摻PVA纖維比摻PP纖維的混凝土沖擊韌性提高了6%，說明高強(qiáng)高模PVA纖維的增韌效果要好于PP纖維.

4.2 抗沖磨性能

采用表2中POF0，POF15和PIIF25 3組混凝土配合比制備試件，標(biāo)養(yǎng)28 d，按照《水工混凝試驗(yàn)規(guī)程》(DLT 5050—2001)的混凝土抗沖磨試驗(yàn)方法(水下鋼球法)測定混凝土的抗沖磨性能，結(jié)果見表5.

表5 混凝土抗沖磨試驗(yàn)結(jié)果

在水膠比和膠凝材料總量相同的情況下，采用P·II 42.5制備的混凝土抗沖磨強(qiáng)度明顯優(yōu)于使用P·O 32.5制備的混凝土.其原因是P·II 42.5水泥細(xì)度小，活性高，混合材料摻量少，對I級粉煤灰的激發(fā)效果好，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度高，抗沖磨強(qiáng)度好.采用P·II 42.5水泥摻25%I級粉煤灰和0.1%PVA纖維混凝土抗沖磨強(qiáng)度相對POF0組提高了17.8%.

4.3 耐撞磨性能

采用表2中6組混凝土配合比配制混凝土，標(biāo)養(yǎng)28 d，按照船閘工程混凝土耐撞磨性能試驗(yàn)方法測試和評價.6組混凝土撞磨100～1 500次的撞磨損失率見表6.

表6 混凝土撞磨質(zhì)量損失率

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著撞磨次數(shù)的增加，混凝土質(zhì)量損失率明顯增大;采用P·Ⅱ42.5的混凝土耐撞磨性能明顯優(yōu)于P·O 32.5的混凝土;有機(jī)纖維的摻入，尤其是PVA纖維的摻入對混凝土耐撞磨性能有明顯改善.

圖2為PIIF25組混凝土在不同撞磨次數(shù)下的形狀.由圖可見，撞磨300次以下，主要是混凝土表面砂漿的磨耗損失，撞磨500次以上，砂漿與骨料一起被磨耗掉，部分骨料與水泥石脫黏.這一現(xiàn)象說明混凝土的撞磨損失在早期主要是砂漿的磨耗，而到后期是水泥石和骨料一起被磨耗掉.若水泥石和骨料的黏結(jié)較好，那么混凝土就能經(jīng)得起較長時間的撞磨作用，耐撞磨性能也越好.

圖2 經(jīng)過不同次數(shù)撞磨的混凝土試塊形狀

4.4 耐撞磨性能測試方法的驗(yàn)證

4.4.1 耐撞磨性與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

根據(jù)表6中采用P·O 32.5水泥混凝土的耐撞磨試驗(yàn)結(jié)果，將混凝土28 d抗壓強(qiáng)度從小到大排列并和對應(yīng)的撞磨500次的質(zhì)量損失率作圖，得出混凝土抗壓強(qiáng)度與其撞磨損失率的散點(diǎn)分布圖.并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，選擇Power Allometric1數(shù)學(xué)模型進(jìn)行擬合，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.

混凝土耐撞磨質(zhì)量損失和抗壓強(qiáng)度的關(guān)系可擬合為

式中:y為混凝土耐撞磨質(zhì)量損失率，%;x為相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度，MPa.其相關(guān)系數(shù)為0.93，表明混凝土的撞磨質(zhì)量損失率和其抗壓強(qiáng)度有一定的相關(guān)性，混凝土的抗壓強(qiáng)度越大，其撞磨質(zhì)量損失率越低.

圖3 混凝土撞磨質(zhì)量損失率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

4.4.2 耐撞磨性能與抗沖擊性能的關(guān)系

將表4中6組混凝土的抗沖擊試驗(yàn)韌性和表6中500次撞磨質(zhì)量損失率對比發(fā)現(xiàn):隨著混凝土撞磨質(zhì)量損失率的降低，混凝土的沖擊韌性逐漸增大.說明混凝土的耐撞磨性能越好，需對其施加更大的沖擊功才能使試件破壞，二者具有良好的一致性.主要原因是二者都與混凝土的強(qiáng)度有密切關(guān)系，但二者也有不同之處，抗沖擊試驗(yàn)僅體現(xiàn)混凝土承受沖擊的能力，耐撞磨試驗(yàn)不但反映混凝土承受沖擊的能力，同時能反映其承受磨損的能力.因此，耐撞磨性更適合表征閘室墻混凝土抵抗撞磨的能力.

4.4.3 耐撞磨性能與抗沖磨性能之間的關(guān)系

將表5中3組混凝土抗沖磨質(zhì)量損失率和表6中500次撞磨質(zhì)量損失率結(jié)果對比發(fā)現(xiàn):混凝土的耐撞磨性能和抗沖磨性能同樣具有良好的一致性.其原因也在于二者都很依賴于混凝土的硬度.

混凝土抗沖磨試驗(yàn)僅反映出混凝土抵抗水流及其中的固體顆粒高速沖擊和磨損的能力，其試驗(yàn)方法(水下鋼球法)以磨損為主.相對撞磨法來說，其力度遠(yuǎn)不如船舶等強(qiáng)荷載產(chǎn)生的沖擊大，且閘室墻混凝土受力為承受撞擊和磨損的雙重作用.

5 混凝土耐撞磨性能的機(jī)理分析

普通混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)度稍差，原生裂紋較多，骨料與漿體界面黏結(jié)不緊密.而摻粉煤灰混凝土養(yǎng)護(hù)到90 d時，由于粉煤灰的火山灰效應(yīng)得以充分發(fā)揮，在粉煤灰表面形成了一層比較致密的C-S-H凝膠，使得水泥石更加致密，水泥石與骨料的界面性能也得以改善.因此，對水工混凝土，摻一定量的優(yōu)質(zhì)粉煤灰，其后期強(qiáng)度將超過普通混凝土，后期耐撞磨性能也將逐漸提高.

聚羧酸類高性能減水劑具有較好的力學(xué)性能增強(qiáng)效果，主要是因?yàn)槌芑瘎┚哂懈叩臏p水率和低的界面張力.其高減水率大大降低了混凝土的實(shí)際用水量和水膠比，較低的界面張力減小了混凝土的收縮，改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，從而使混凝土獲得較高的抗壓強(qiáng)度和耐撞磨性能.

高彈高模PVA纖維的摻入改善了混凝土的抗沖擊和耐撞磨性能.圖4是在纖維增強(qiáng)混凝土中發(fā)展的裂縫周圍應(yīng)力區(qū)域的示意圖［5］.圖中有一個無應(yīng)力傳遞裂縫區(qū)，這個區(qū)域足夠?qū)捯灾劣谒欣w維都已被拔出;還有纖維橋接區(qū)，其中通過纖維摩擦滑動傳遞應(yīng)力;基本微觀裂縫擴(kuò)展區(qū)，大量集料在基體中咬合，傳遞應(yīng)力.應(yīng)該注意到，在應(yīng)力－應(yīng)變曲線的下降段的初始部分，纖維所承受的應(yīng)力比纖維的屈服應(yīng)力要小的多，為此，不會發(fā)生纖維的屈服.然而，如果纖維很長，足以維持其黏結(jié)，在接近曲線的末端，纖維在較高的應(yīng)變下由于屈服或斷裂而最終破壞.

試驗(yàn)結(jié)果表明，有機(jī)纖維對混凝土的抗壓強(qiáng)度沒有特別的影響.纖維的摻入主要是提高了混凝土的韌性.纖維的主要作用是在混凝土受載時對出現(xiàn)的裂縫起到橋接作用.如果纖維具有足夠的強(qiáng)度和硬度，并且與混凝土充分黏結(jié)，那么會使裂縫寬度很小，在裂縫擴(kuò)展后期存在相對較大應(yīng)變后，還能使纖維增強(qiáng)混凝土承受一定的應(yīng)力，即提高了纖維混凝土的韌性.

圖4 纖維增韌模型

不同有機(jī)纖維混凝土的SEM形貌如圖5和圖6所示.試驗(yàn)結(jié)果表明，體積摻量為0.1%PVA纖維的摻入提高了混凝土的韌性，當(dāng)基體材料破裂后，纖維在裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展和開裂過程中，由于不斷被拔出消耗了大量的能量，引起纖維混凝土的斷裂韌性大幅度提高，從而提高了混凝土的抗沖擊和耐撞磨性能.

此外，由于PVA纖維是親水性纖維，其表面生成水化產(chǎn)物(圖5)，與水泥基體的黏結(jié)較好，而PP是憎水纖維，其表面無水化產(chǎn)物(圖6)和水泥基的黏結(jié)較差，因此高強(qiáng)高模PVA纖維在增韌效果上要好于PP纖維.

6 結(jié)語

1)采用的船閘工程混凝土耐撞磨性能試驗(yàn)方法合理可行，與混凝土的抗沖擊性能和抗沖磨性能具有良好的相關(guān)性，且該方法試驗(yàn)周期短，成本低，簡單適用.

2)對船閘工程用混凝土，適量I級粉煤灰的摻入不降低或提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和耐撞磨性能.長齡期下，由于粉煤灰的火山灰反應(yīng)得以充分發(fā)揮，其抗壓強(qiáng)度超過普通混凝土，耐撞磨性能也將逐漸提高.

3)聚羧酸類高性能減水劑對混凝土具有高的減水率和低的界面張力，大大降低了混凝土的實(shí)際用水量和水膠比，其較低的界面張力減小了混凝土的收縮，改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，從而使混凝土獲得較高的抗壓強(qiáng)度和耐撞磨性能.

4)有機(jī)纖維的摻入能提高混凝土的韌性，高強(qiáng)高模PVA纖維與PP纖維相比，其提高混凝土抗沖擊和耐撞磨性能的效果更佳.

［1］吳勝興，周繼凱.混凝土動態(tài)特性及其機(jī)理研究［J］.徐州工程學(xué)院院報(bào)，2005，20(1):15 －29.

［2］秦鴻根，李思勝，耿飛，等.船閘工程混凝土耐撞磨性能檢測方法［P］.中國專利，ZL200810020447.X.2010 －06－16.

［3］馮長偉，秦鴻根，常儇宇.閘室墻混凝土耐撞磨試驗(yàn)［J］.水利水電科技進(jìn)展，2009，29(4):51 －54.

［4］秦鴻根，童常榮，朱曉斌，等.不同纖維對混凝土收縮和抗裂性能的影響［C］//第十三屆纖維混凝土學(xué)術(shù)會議暨第二屆海峽兩岸三地混凝土技術(shù)研討會論文集.南京:出版社不詳，2010.

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