超高性能混凝土抗沖磨性能試驗研究

仲從春 李雙喜 孟遠遠 初秀麗 馬加營

摘 要：針對新疆水利工程抗沖磨部位應(yīng)用的抗沖磨混凝土沖磨破壞問題，采用混凝土抗壓強度試驗及水下鋼球法對超高性能混凝土（UHPC）的抗沖磨性能等進行試驗研究，同時與普通硅粉混凝土、HF抗沖耐磨混凝土的抗沖磨性能進行對比研究，結(jié)果表明：UHPC具有極高的力學(xué)性能，28d抗壓強度可以達到130.59MPa，抗沖磨性能明顯提高，抗沖磨強度是普通硅粉混凝土的4倍以上；UHPC具有極高的流動性，具有自流平效果，兼?zhèn)淞己玫氖┕ば阅堋?/p>

關(guān)鍵詞：超高性能混凝土；抗沖磨性能；力學(xué)性能

中圖分類號：TU528；TV431 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.01.027

引用格式：仲從春，李雙喜，孟遠遠，等.超高性能混凝土抗沖磨性能試驗研究[J].人民黃河，2022，44（1）：129-133.

ExperimentalStudyontheAnti AbrasionPerformanceofUltra HighPerformanceConcrete

ZHONGCongchun1，2，LIShuangxi3，MENGYuanyuan3，CHUXiuli1，4，MAJiaying1，2

（1.ChinaGeneralInstituteofBuildingMaterialsScienceResearchCo.，Ltd.，Beijing100024，China；2.ChinaBuildingMaterialsZhongyanTechnologyCo.，Ltd.，Beijing100024，China；3.SchoolofWaterConservancyandCivilEngineering，XinjiangAgriculturalUniversity，Urumqi830052，China；4.ChinaBuildingMaterialsInspectionandCertificationGroupCo.，Ltd.，Beijing100024，China）

Abstract：Theissueoferosion resistantconcreteusedintoday’santi wearpartsisparticularlyseriousinXinjianghydraulicengineering works.Themechanicalpropertiesandabrasionresistanceofultrahighperformanceconcrete（UHPC）weretestedbyconcretecompression testandunderwatersteelballmethod.Atthesametime，thecomparativestudyontheabrasionresistanceofhigh performanceconcretewith HFanti abrasionagentandsiliconpowderwasadded.TheresultsshowthattheUHPCcanhaveextremelyhighmechanicalproperties，the 28dstrengthcanreach130.59MPa，theanti wearperformanceisespeciallyimproved，theanti wearstrengthismorethan4timesthatofthe concreteabout50MPa.UHPChasextremelyhighfluidity，canachieveself levelingeffectandhasgoodconstructionperformance.

Keywords：ultrahighperformanceconcrete；anti wearperformance；mechanicalproperties

南疆、北疆山區(qū)性河流河道具有縱坡大、水流速度快、水流中多滾石等特點。在水流速度快、滾石沖擊破壞嚴重的河道修建的水工建筑物，在使用期間河道過流面混凝土易因遭受推移質(zhì)沖擊磨損而毀壞，其中閘后無壓段遭受的沖擊磨損尤為突出，這種破壞會大大縮短水工建筑物的使用壽命[1]。

目前新疆水利工程中常用的抗沖耐磨混凝土標號較低，常出現(xiàn)修補后短時間內(nèi)被沖磨破壞而再次進行修補的情況。新疆和田地區(qū)烏魯瓦提水利樞紐工程設(shè)計的抗沖耐磨混凝土強度等級偏低，最初設(shè)計值僅為C35，在修建完成后投入使用的第一年便出現(xiàn)了嚴重的沖磨破壞，導(dǎo)致工程需要進行大面積修復(fù)，第二年運行前采用強度為C60的高強混凝土對破壞段進行了修復(fù)，經(jīng)90a運行考驗，至今運行正常[2]。新疆伊犁特克斯河恰甫其海水利樞紐泄洪洞，設(shè)計采用低標號的抗沖耐磨混凝土修建，為減少混凝土的沖磨破壞，改為高強度的抗沖耐磨混凝土，該工程至今運行正常[3]。烏魯木齊河青年渠渠首段3km渠道，修建初期渠底設(shè)計為漿砌石結(jié)構(gòu)，但在運行期間渠底漿砌石結(jié)構(gòu)破壞嚴重，砌石被大量淘出被水流沖走，導(dǎo)致青年渠渠首渠底部位每年都需要修葺。2008年將渠底襯砌結(jié)構(gòu)進行替換，采用強度為C60以上的高強度抗沖耐磨混凝土進行修復(fù)，修葺后1a經(jīng)歷了大洪水的考驗，試驗段渠底抗沖耐磨混凝土整體完好平整，未出現(xiàn)之前的沖磨破壞現(xiàn)象[4-5]。喀群引水樞紐泄洪閘閘底板混凝土在亂石、泥砂長時間反復(fù)沖擊作用下，毀壞極大，后采用C60以上的高強抗沖耐磨混凝土進行修復(fù)，經(jīng)過多年運行，混凝土未出現(xiàn)大面積破損及開裂，說明高強抗沖耐磨混凝土應(yīng)用在閘底板沖磨破壞維修領(lǐng)域具有可行性[6-7]。這些經(jīng)歷過實際工程檢驗的水利工程實例證明，提高抗沖耐磨混凝土的強度等級是抵抗推移質(zhì)沖磨的有效方法。

但當(dāng)前新疆使用的抗沖耐磨混凝土的抗沖磨效果依然不是很理想，在沖磨破壞嚴重的地區(qū)，采用標號為C60的高強混凝土也存在破壞現(xiàn)象，新疆水利每年投入的資金有一大部分用來進行沖磨部位的修補，新型抗沖磨材料的研制是當(dāng)前亟待解決的問題。UHPC是超高性能混凝土的簡稱，UHPC是在活性粉末混凝土（RPC）結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上研發(fā)的一種水泥基特殊材料，通過提高混凝土內(nèi)部組分的活性與細度，添加大量微細纖維，剔除2.5mm以上的粗骨料，減少材料內(nèi)部缺陷（粗骨料與水泥漿體之間的界面薄弱層及微小裂縫），獲得超高抗壓強度及超高耐久性的水泥基材料，進而通過特殊手段制作出韌性可與金屬相媲美、強度高達800MPa的UHPC。利用UHPC強度極高的性質(zhì)，可以減小高層及超高層建筑中底層柱的截面尺寸，建造跨度更長的橋梁，制造中低放射性核廢料儲存容器，還可以用于軍事與安保領(lǐng)域，制造抗沖擊、抗爆炸裝置等[8-10]。當(dāng)前國內(nèi)外對于超高性能混凝土抗沖耐磨性能的研究較少，筆者采用不同種類的抗沖耐磨混凝土與超高性能混凝土進行對比，探究超高性能混凝土與目前使用的抗沖耐磨混凝土的性能優(yōu)劣。

1 試驗原材料及試驗方法

1.1 試驗原材料

水泥選用普通P·O52.5R硅酸鹽水泥，其比表面積在350m2/kg以上。礦渣粉選用比表面積為460m2/kg的礦渣粉。骨料：UHPC使用的骨料是按照Fuller級配曲線配置而成的天然砂；其他種類混凝土使用的細骨料為細度模數(shù)為2.7的天然砂，粗骨料為5～20mm的天然卵石。石英粉選用260目石英粉，粒徑D50為57.45μm。減水劑：UHPC使用的減水劑為減水率大于30%的粉末聚羧酸系高性能減水劑；其他種類混凝土使用的減水劑為液體聚羧酸高性能減水劑，減水率在20%以上。硅粉選用比表面積大于15000m2/kg的微硅粉，粉煤灰選用二級粉煤灰。鋼纖維選用微鍍銅波浪形鋼纖維，抗拉強度為2870MPa，長度為13mm，等效直徑為0.2mm，長徑比為65，密度為7.83g/cm3。

1.2 試驗方案

新疆諸多水利工程中使用的抗沖耐磨混凝土大多是普通硅粉混凝土（簡稱普硅混凝土）和HF抗沖耐磨混凝土（簡稱HF混凝土），因此采用新疆水利工程中常用的兩種抗沖耐磨混凝土與UHPC進行試驗對比，UHPC、普硅混凝土及HF混凝土的配合比見表1（UH PC、普硅混凝土、HF混凝土水膠比分別為0.20、0.29、0.27）。

1.3 試驗方法

（1）力學(xué)性能試驗檢測。根據(jù)《水泥膠砂強度檢測方法（ISO法）》（GB/T17671—1999），進行UHPC抗折強度試驗；根據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》（SL 352—2006）相關(guān)規(guī)定，采用尺寸為100mm×100mm×100mm的混凝土試件進行UHPC抗壓強度試驗；采用尺寸為150mm×150mm×150mm的立方體混凝土試件進行普通硅粉混凝土及HF抗沖耐磨混凝土抗壓強度試驗。

（2）混凝土流動度檢測。依據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》（SL352—2006）的相關(guān)規(guī)定進行UHPC、普硅混凝土及HF混凝土流動度試驗。

（3）抗沖耐磨試驗。依據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》（SL352—2006）和《水工混凝土試驗規(guī)程》（DL/T 5150—2017）的相關(guān)規(guī)定，采用水下鋼球法進行抗沖耐磨試驗。

（4）凍融循環(huán)試驗測試。依據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》（SL352—2006）的相關(guān)規(guī)定進行UHPC、普硅混凝土及HF混凝土的抗凍性試驗。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 混凝土流動性

UHPC、普硅混凝土及HF混凝土均采用60L強制式臥式攪拌機進行攪拌。普硅混凝土、HF混凝土攪拌時間為180s；UHPC水膠比低、膠材用量大，因此通過延長攪拌時間來達到UHPC液化的目的，其攪拌時間控制在600s。經(jīng)測量，普通硅粉混凝土及HF混凝土的坍落度均在240mm以上，擴展度在550mm以上；UHPC的擴展度在650mm以上，可以達到自流平混凝土的擴展度要求，UHPC中膠凝材料用量遠超普通混凝土的，添加聚羧酸系高性能減水劑后具有良好的流動性。

2.2 抗壓、抗沖耐磨力學(xué)性能分析

UHPC、普硅混凝土及HF混凝土的抗壓、抗沖耐磨試驗結(jié)果見表2。在UHPC抗壓試驗過程中，試件被壓碎破壞時，表面出現(xiàn)較多裂縫，但混凝土試件沒有分散，破壞后不破碎，其韌性較好，并且在高強度壓碎情況下并沒有出現(xiàn)試件炸裂的情況。原因是，UHPC去除了粗骨料，增加了很多超細礦物摻合料填充其內(nèi)部孔隙，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實；UHPC中添加的微細鋼纖維長度較短，在相同摻量下鋼纖維的根數(shù)較其他長鋼纖維根數(shù)多，在混凝土內(nèi)部構(gòu)成不均勻的亂向支撐體系，約束了混凝土試件的開裂，并且鋼纖維的摻加能加大與水泥漿體的接觸面積，增強了鋼纖維與基體的機械咬合力及摩擦力。普硅混凝土及HF混凝土試件破壞時，試件開裂立即破壞，并伴有較強的炸裂聲響，表現(xiàn)出混凝土脆性破壞的特性，原因是其內(nèi)部沒有約束混凝土開裂的因素，并且添加硅粉后提高混凝土強度的同時增強了混凝土的脆性，導(dǎo)致混凝土開裂即破壞。

混凝土抗沖耐磨試件是直徑為300mm、高為100mm的圓柱體，混凝土抗沖耐磨強度見表2。試驗結(jié)果表明：UHPC的抗沖耐磨強度最高，普硅混凝土的抗沖耐磨強度最低，UHPC的抗沖耐磨強度是普硅混凝土的4.1倍，是HF混凝土的3.5倍?？梢奤HPC的抗沖磨效果明顯高于普硅混凝土及HF混凝土的。

沖磨72h后，HF混凝土表面出現(xiàn)明顯凹凸不平的沖磨痕跡，最深沖磨深度為9mm；UHPC在沖磨72h后混凝土表面最深沖磨深度僅為4mm，沖磨痕跡比較平整，呈現(xiàn)整體沖磨趨勢。在相同沖磨時間內(nèi)，UHPC的沖磨坑深度遠低于HF的，可直觀地看出UHPC的抗沖磨效果優(yōu)于HF混凝土和普硅混凝土。

抗沖磨混凝土一般使用在渠首、泄洪道、導(dǎo)流洞等易沖磨破壞的部位，抗折強度不需過高，只需要降低其脆性即可，并且抗沖磨混凝土主要依靠的是其抗壓強度，而增強抗壓強度的主要因素是膠凝材料，抗折強度的增強只是為了提高其韌性、防止開裂。添加大量鋼纖維會造成成本增加，并且會出現(xiàn)表面銹蝕嚴重的情況?？箾_耐磨試驗發(fā)現(xiàn)，鋼纖維摻量為2%的UHPC在抗沖磨試驗過程中表面遭受破壞，大量鋼纖維被沖磨帶出，UHPC的質(zhì)量損失大部分是鋼纖維被帶出導(dǎo)致的，所以將UHPC作為抗沖耐磨混凝土使用時，其鋼纖維摻量不宜超過2%，應(yīng)控制在1%左右。

在實際施工過程中需要注意，UHPC在攪拌過程中，應(yīng)先將UHPC攪拌至具有良好流動性后再均勻撒入鋼纖維，以防止UHPC中鋼纖維出現(xiàn)抱團、分散不均的情況。UHPC具有極高的流動性，在澆筑過程中不宜采用高頻振動棒振搗，應(yīng)采用平板振搗器進行平面振搗。UHPC應(yīng)注重前期養(yǎng)護，在混凝土初凝收面后及時鋪蓋塑料薄膜，待表面硬化后覆蓋養(yǎng)護毯進行澆水養(yǎng)護，防止直接覆蓋養(yǎng)護毯導(dǎo)致UHPC表面凹凸不平，降低其抗沖磨效果，亦可在UHPC澆筑后1d開閘流水養(yǎng)護，以降低養(yǎng)護成本。由于UHPC為各向異性材料，易受纖維分布和取向影響，因此在施工期間，UHPC應(yīng)順著底板水流方向澆筑。

2.3 抗裂性能試驗分析

在相同養(yǎng)護條件下，未摻加鋼纖維的UHPC開裂面積為234mm2，有一條明顯裂縫；鋼纖維體積摻量為1%的UHPC試件未出現(xiàn)明顯裂縫，鋼纖維在混凝土基體中均勻雜亂分布，在前期有助于防止微裂縫產(chǎn)生。

平均每立方米UHPC中按1%體積摻加鋼纖維，需要摻加78.6kg鋼纖維，微鍍銅鋼纖維的數(shù)量可以達到860萬根以上，而相同體積摻量的普通鋼纖維數(shù)量在230萬根左右，極高的鋼纖維數(shù)量能夠使得UHPC內(nèi)的鋼纖維分散到更多的內(nèi)部空間中。

2.4 抗凍融循環(huán)試驗分析

在相同養(yǎng)護條件下，將養(yǎng)護至28d的試件進行抗凍融循環(huán)試驗及彈性模量測試，結(jié)果見表3～表5。通過抗凍融循環(huán)試驗及動彈性模量測試可以看出，在0～100次凍融循環(huán)時，3種不同混凝土試件的質(zhì)量損失較小，在100～200次凍融循環(huán)時，試件質(zhì)量損失加快，其中UHPC的質(zhì)量損失率最小，普硅混凝土和HF混凝土質(zhì)量損失率較為接近；UHPC在凍融循環(huán)200次后質(zhì)量損失比目前常使用的抗沖耐磨混凝土（普硅混凝土和HF混凝土）凍融循環(huán)100次的質(zhì)量損失還小。

在0～200次凍融循環(huán)過程中，普硅混凝土和HF混凝土試件的動彈性模量的下降幅度相差不多。在經(jīng)歷200次凍融循環(huán)試驗后，UHPC試件的動彈性模量的下降幅度明顯低于其他兩種混凝土的。UHPC的動彈性模量損失最小，在凍融循環(huán)破壞后其結(jié)構(gòu)依然具有極高的完整性，抗凍性能相較其他兩種的好。

3 抗沖擊試驗結(jié)果及分析

3.1 抗沖擊試驗結(jié)果

將3種混凝土同條件養(yǎng)護至28d后進行抗沖擊試驗。采用 300mm×100mm的圓柱體混凝土試件進行抗沖擊試驗，共沖擊1000次，沖擊能量為44100J，UHPC、HF混凝土、普硅混凝土的沖擊深度分別為2.97、9.13、7.66mm。

3.2 抗沖擊試驗結(jié)果分析

試件沖擊深度：UHPC（2.97mm）<普硅混凝土（7.66mm）

4 骨料界面結(jié)構(gòu)情況

通過電鏡設(shè)備對不同混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)及骨料與水泥石之間的黏結(jié)界面進行觀測，掃描圖像見圖1～圖4。UHPC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比HF混凝土的更加密實，在7000倍電鏡下觀察到UHPC的骨料與水泥石界面的黏結(jié)更加緊密，骨料間的微裂縫極少。UHPC剔除了粗骨料，降低了水膠比，減少了骨料下緣的水囊層，能夠使骨料與水泥石之間緊密結(jié)合，降低了粗骨料與水泥漿體之間的薄弱層，骨料與水泥石之間存在的孔隙由摻加的石英粉和硅粉填充，能使其具有極高的致密性。所以UHPC宏觀表現(xiàn)出極高的抗壓強度，28d可達120MPa以上，其抗沖擊、抗沖磨性能均提高，極高的致密性使得UHPC在凍融循環(huán)過程中水分不易進入內(nèi)部，表明UHPC抗凍融效果高于普硅混凝土和HF混凝土。

由圖4可以看出，HF混凝土中粗骨料與水泥石之間的黏結(jié)不夠緊密，在3000倍電鏡下觀察到HF混凝土骨料與水泥石之間有明顯孔隙，骨料與水泥石之間的黏結(jié)情況較差，添加的超細礦物摻合料與水泥水化后生成的Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)生成針狀鈣礬石，在一定程度上能填充骨料與水泥石之間存在的較大孔隙，但不能完全填充，所以其宏觀表現(xiàn)出的強度有所提高，但強度的提高有限，養(yǎng)護至28d的抗壓強度僅為50MPa。內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實、孔隙少、骨料與水泥石之間的黏結(jié)性好的UHPC的28d抗壓強度可達130.59MPa。

5 結(jié) 論

UHPC在28d的抗壓強度可達130.59MPa，其優(yōu)異的流動性能使UHPC達到自流平的效果，方便施工；UHPC的抗沖磨強度比普硅混凝土的抗沖磨強度高3倍以上，在沖擊試驗完成后混凝土表面平坦，未出現(xiàn)普通抗沖磨混凝土出現(xiàn)的大面積凹坑，能夠很好地解決大顆粒推移質(zhì)帶來的沖磨問題；UHPC具有良好的抗裂性和極高的抗凍性能；UHPC用于抗沖磨部位時，鋼纖維摻量建議控制在1%左右，不宜超過2%。

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【責(zé)任編輯 呂艷梅】