自密實(shí)混凝土抗沖耐磨性能試驗研究

中圖分類號：TU528.36 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

西部高寒地區(qū)水利工程由于長期暴露在強(qiáng)紫外線輻射、寒冷、大溫差、干濕交替的特征氣候條件下，加之河道水流含沙量高，凍融循環(huán)、干濕交替、收縮裂縫等因素影響，水工建筑物相比其他地區(qū)更易產(chǎn)生裂縫、滲漏破壞以及由表及里逐漸發(fā)展的凍融破壞、溶蝕、碳化、鋼筋銹蝕、沖刷破壞等劣化問題。當(dāng)高速挾沙水流或挾帶推移質(zhì)水流經(jīng)過水工建筑物過流面時，溢洪道、泄洪隧洞、泄水閘閘室底板等受到一定運(yùn)行時間沖擊后往往會出現(xiàn)不同程度的磨蝕沖砸破壞或氣蝕破壞，導(dǎo)致表面混凝土大面積剝蝕，甚至出露并破壞鋼筋，影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全。而水工建筑物抗沖耐磨、防空蝕問題一直是行業(yè)中突出的技術(shù)性難題，以沖刷破壞、磨損破壞和空蝕破壞為主的破壞形式均會使泄洪消能建筑整體或局部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，對水工建筑整體結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)固性產(chǎn)生較大的威脅。面對水工建筑物的沖磨氣蝕難題，當(dāng)前的解決措施集中于兩個方向：一是采用抗沖耐磨材料體系用作混凝土表面防護(hù)涂層；二是改變配合比設(shè)計以增強(qiáng)混凝土抗沖耐磨性能，如向混凝士中摻入塑性纖維[1]、耐磨骨料[2]、抗沖耐磨外加劑[3等。

處于高海拔低氣壓地區(qū)的某電站，因受到干燥低濕、大溫差變幅和低溫嚴(yán)寒等環(huán)境影響，在導(dǎo)流洞全斷面過流時，高速水流易對洞壁和底板混凝土造成沖蝕、磨蝕和氣蝕等破壞，這對表面混凝土的耐久性能及抗沖耐磨性提出了較高的要求[48]。同時，為提高混凝土現(xiàn)場施工性，尤其針對鋼筋布置密集處、難以振搗密實(shí)的部位（如拱腳、拱頂）及洞徑由大變小的漸變部位，保證其在斷面過流時能夠滿足設(shè)計要求，需對混凝土的物理力學(xué)性能進(jìn)行改善[9-12]。有研究表明，在混凝土中摻入外加材料能夠有效提升混凝土的抗沖耐磨性能[13-17]。但目前，摻人抗沖耐磨劑與硅粉、鋼纖維等外摻材料對自密實(shí)混凝土抗沖耐磨性能試驗研究較少，不同摻量及不同外摻材料的抗沖耐磨提升效果有待進(jìn)一步研究，基于上述內(nèi)容，本試驗在選定混凝土骨料最佳級配、最優(yōu)砂率、粉煤灰適宜摻量等條件下，通過摻入抗沖耐磨劑、硅粉和鋼纖維系統(tǒng)研究自密實(shí)混凝土的物理力學(xué)性能和抗沖耐磨性能，為改善干燥低濕氣候條件下高速水流下自密實(shí)混凝土沖磨破壞問題，提升自密實(shí)混凝土抗沖耐磨性能提供參考。

1 試驗材料與方法

1. 1 試驗材料與設(shè)備

本試驗水泥采用 P? 042.5 普通硅酸鹽水泥，粉煤灰選取F類Ⅱ級粉煤灰，砂石骨料均取自施工現(xiàn)場砂石加工系統(tǒng)生產(chǎn)的人工砂和碎石。人工砂細(xì)度模數(shù)為2.71，碎石最大粒徑為 20mm ，表觀密度為 2700kg/m³ ，砂石骨料性能檢測結(jié)果均滿足規(guī)范要求。減水劑和抗沖耐磨劑選用GK-3000高性能減水劑（緩凝型）和GK-02A抗沖耐磨劑，其物理性能測試結(jié)果均滿足規(guī)范要求。鋼纖維選取直徑范圍為 0.18～0.22mm ，長度范圍為 12～14mm 的鋼纖維，彎曲性能好，無雜質(zhì)。

混凝土抗壓試驗采用數(shù)顯式壓力試驗機(jī)，規(guī)格型號為HCT-206B，能夠滿足抗壓、劈裂抗拉試驗所需的剛度、平整度要求。混凝土抗沖耐磨試驗機(jī)的型號為HKCM-2。混凝土力學(xué)性能測試均按照《水工混凝土試驗規(guī)程》（DL/T5150—2017）[18]進(jìn)行。

1. 2 試驗方案及方法

為保證試驗基準(zhǔn)混凝土滿足工作性、強(qiáng)度及耐久性等要求，在參照《水工混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（DL/T5330—2015）[9]和《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（CECS203—2021）[20]等規(guī)范條件下，對基準(zhǔn)混凝土拌合物進(jìn)行了多次預(yù)制配試驗，確定骨料最佳級配、最優(yōu)砂率、粉煤灰適宜摻量和減水劑摻量等參數(shù)。為確認(rèn)各項參數(shù)合理，配制出的混凝土滿足自密實(shí)混凝土的各項力學(xué)性能指標(biāo)要求，為后續(xù)抗沖耐磨混凝土全性能試驗提供保障，選取水膠比為0.35進(jìn)行預(yù)制配試驗，砂率選取 42% 、44% （20 45% （204號 ，47% 和 49% 5組水平摻量，粉煤灰選取 0% 、 10% ！ 15% 、 20% 、 25% 、 30% 、 35% 和 40% 8組水平摻量進(jìn)行試驗，預(yù)制配試驗詳細(xì)研究了3、7.28.90d 齡期下混凝土不同砂率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。混凝土試件采用 150mm×150mm×150mm 標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，共計156塊。根據(jù)預(yù)試驗的數(shù)據(jù)確定自密實(shí)混凝土抗沖耐磨試驗的基準(zhǔn)配合比。設(shè)計抗沖耐磨劑摻量分別為 0%0.5%0.8% ！1.0%.1.3% 5組變量。其中，抗沖耐磨劑摻量為0的作為試驗對照組，對混凝土坍落擴(kuò)展度、抗壓強(qiáng)度（齡期：7d和28d）和 28d 抗沖耐磨強(qiáng)度進(jìn)行試驗。由于試驗變量較多，在摻入抗沖耐磨劑自密實(shí)混凝土試驗成果的基礎(chǔ)上，選取三組適宜抗沖耐磨劑摻量的自密實(shí)混凝土，再添加摻量為 0.3% ！0.5% .0.7% 和 0.9% （ _{0.0.2，0.3，0.5，0.7，kg} 的硅粉（鋼纖維），分別對混凝土自密實(shí)性能及抗沖耐磨性能進(jìn)行試驗，系統(tǒng)分析抗沖耐磨劑和硅粉對自密實(shí)混凝土的影響作用，共計180塊，試驗過程如圖1所示。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 預(yù)試驗砂率及粉煤灰配比選取

不同養(yǎng)護(hù)齡期下混凝土不同砂率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系、不同粉煤灰與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，分別見圖2和圖3。

由圖2可知，混凝土砂率變化與抗壓強(qiáng)度之間并不存在明顯的相關(guān)性。對于相同水膠比的混凝土而言，一定范圍內(nèi)砂率的變化對抗壓強(qiáng)度的影響較微小。隨著混凝土砂率的變化，會對混凝土拌合物的和易性產(chǎn)生一定影響，但混凝土的抗壓強(qiáng)度仍將保持相對穩(wěn)定。本次試驗測得的粉煤灰摻量變化對自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度影響的試驗結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著粉煤灰摻量的增大，混凝土的早期抗壓強(qiáng)度有較為明顯的降低，在28d齡期后，隨著粉煤灰摻量的增大，混凝土的抗壓強(qiáng)度總體上趨于下降，但降幅減緩。當(dāng)摻量超過一定值時，粉煤灰的摻入會繼續(xù)減少水泥用量，加之粉煤灰能抑制水泥的早期水化速度，降低水化熱，減少了早期的水化產(chǎn)物，從而使得混凝土抗壓強(qiáng)度降低。

綜合預(yù)試驗數(shù)據(jù)和預(yù)試驗過程中混凝土拌合物坍落擴(kuò)展度、和易性等性能，最終選取砂率為47% 、粉煤灰摻量為 25% 作為本次自密實(shí)混凝土抗沖耐磨試驗的基準(zhǔn)配合比，配合比如表1所示。

2.2抗沖耐磨劑GK-02A對自密實(shí)混凝土性能的影響

2.2.1抗沖耐磨劑摻量與自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度關(guān)系

不同抗沖耐磨劑摻量與混凝土坍落擴(kuò)展度關(guān)系圖如圖4所示。

由圖4可知，混凝土坍落擴(kuò)展度隨抗沖耐磨劑摻量的增加而逐漸降低，抗沖耐磨劑摻量小于 1% 時，混凝土坍落擴(kuò)展度隨著摻量的增加降幅較小，抗沖耐磨劑摻量大于 1% 時，坍落擴(kuò)展度降幅增大；在混凝土摻入抗沖耐磨劑后，混凝土坍落擴(kuò)展度在 650～720mm 之間，抗沖耐磨劑摻入改善了混凝土的和易性能，但抗沖耐磨劑摻量超過 1% 后，混凝土坍落擴(kuò)展度降幅明顯增大。

2.2.2抗沖耐磨劑摻量與自密實(shí)混凝土抗沖耐磨強(qiáng)度關(guān)系

不同抗沖耐磨劑摻量與28d混凝土抗沖耐磨強(qiáng)度關(guān)系圖如圖5所示。

由圖5可知， 28d 混凝土抗沖耐磨強(qiáng)度隨著抗沖耐磨劑摻量的增加而增大，且呈現(xiàn)出了良好的線性關(guān)系，抗沖耐磨劑對混凝土的抗沖耐磨強(qiáng)度有明顯的改善效果，分析原因可知，抗沖耐磨劑改善了混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，使混凝王膠凝物中大孔明顯減少，小孔及微孔數(shù)量顯著增加，并且氣孔之間互不連通，從而使混凝土兼?zhèn)鋬?yōu)良的水密性和氣密性，降低了混凝土產(chǎn)生侵蝕破壞的可能性，從而抗沖耐磨性能也得到明顯增強(qiáng)。

2.2.3抗沖耐磨劑摻量對不同齡期自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度影響關(guān)系

不同抗沖耐磨劑摻量與7、28d混凝土抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖如圖6所示。

由圖6可知，7、28d齡期下的混凝土抗壓強(qiáng)度隨抗沖耐磨劑摻量的增加總體呈現(xiàn)出增長趨勢，但增幅較小。在7d齡期下，抗沖耐磨劑摻量為1.0% 時，混凝土抗壓強(qiáng)度最大，達(dá)到 30.2MPa ，相較同齡期下不摻抗沖耐磨劑的基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度增加 2.6MPa ，增幅為 9.4% ；在28d齡期下，抗沖耐磨劑摻量為 1.3% 時，混凝土抗壓強(qiáng)度最大，達(dá)到 44.1MPa ，相較同齡期下不摻抗沖耐磨劑的基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度增加 1.3MPa ，增幅為 3% 。在制拌混凝土?xí)r可發(fā)現(xiàn)，加入抗沖耐磨劑后與拌合物適配性較好，因抗沖耐磨劑具有優(yōu)異的減水作用和改善混凝土的和易性，拌合物成型后膠凝材料的水化產(chǎn)物更加致密、堅硬，改善了膠凝材料與骨料間的界面性能，在一定程度上提高了混凝土的整體抗壓強(qiáng)度。

2.3抗沖耐磨劑添加硅粉、鋼纖維對自密實(shí)混凝土性能的影響

2.3.1添加硅粉對自密實(shí)混凝土性能的影響

根據(jù)摻入抗沖耐磨劑的自密實(shí)混凝土試驗成果，為了在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究硅粉對自密實(shí)混凝土抗沖耐磨強(qiáng)度的影響，選取具有代表性的抗沖耐磨劑摻量為 0.5%0.8%1.0% 的自密實(shí)混凝土為基準(zhǔn)，再添加摻量為 0.3%.0.5%.0.7% 和0.9% 的硅粉，分別對混凝土自密實(shí)性能及抗沖耐磨性能進(jìn)行研究。不同硅粉摻量與混凝土坍落擴(kuò)展度關(guān)系如圖7所示；不同硅粉摻量與混凝土 28d 抗沖耐磨強(qiáng)度關(guān)系如圖8所示。

由圖7可知，在 0.5%0.8%，1.0% 三組抗沖耐磨劑摻量條件下，混凝土坍落擴(kuò)展度均隨硅粉摻量的增加而降低，當(dāng)硅粉摻量超過 0.5% 后，三組混凝土坍落擴(kuò)展度降幅程度加快。在同一硅粉摻量條件下，混凝土坍落擴(kuò)展度從高到低對應(yīng)的抗沖耐磨劑摻量依次為 0.5%0.8%1.0% 。

由圖8可知，不同抗沖耐磨劑摻量條件下的混凝土抗沖耐磨強(qiáng)度隨著硅粉摻量的增加而增大，相對比而言，三組混凝土抗沖耐磨強(qiáng)度增幅程度均有提高，當(dāng)抗沖耐磨劑摻量為 0.5% 時，隨著硅粉摻量的增加，混凝土抗沖耐磨強(qiáng)度從 37.6h/（kg?m²） （204增長到 42.4h/（kg?m²） ，增幅為 12.8% ；當(dāng)抗沖耐磨劑摻量為 0.8% 時，混凝土抗沖耐磨強(qiáng)度從38.1hV（kg?m²） 增長到 41.5hV（kg?m²） ，增幅為 8.9% ；當(dāng)抗沖耐磨劑摻量為 1.0% 時，混凝土抗沖耐磨強(qiáng)度從 38.5h/（kg?m²） 增長到 43.0h/ 0 （kg?m²） ），增幅為 11.7% ；不同抗沖耐磨劑摻量下，在加入硅粉后混凝土抗沖耐磨強(qiáng)度都有不同程度的提升，在一定程度上改善了混凝土的抗沖耐磨強(qiáng)度。分析其原因可知，抗沖耐磨劑具有的激發(fā)性使混凝土中的硅粉活性得到了明顯的提高，加速了硅粉與水泥的水化產(chǎn)物氫氧化鈣反應(yīng)，生成S-C-H凝膠，提高混凝土的整體強(qiáng)度并使混凝土的膠凝產(chǎn)物致密、堅硬、耐磨，改善水泥石與骨料間的界面性能，使混凝土形成一種較均勻的整體，提高了混凝土的抗裂性，提高了混凝土抵抗高速含沙水流空蝕和脈動壓力的能力，達(dá)到提高混凝土抗沖耐磨性能。

2.3.2添加鋼纖維對自密實(shí)混凝土性能的影響

為進(jìn)一步研究鋼纖維和抗沖耐磨劑對自密實(shí)混凝土的耦合影響，增加其耐久性能，確?；炷猎谄浔”诮Y(jié)構(gòu)的情況下還具備一定抗裂作用，選取抗沖耐磨劑摻量為 0.5% （20 .0.8% 和 1.0% 的自密實(shí)混凝土，摻加 0.0.2，0.3，0.5，0.7kg 的鋼纖維，分別對自密實(shí)混凝土的坍落擴(kuò)展度和抗沖耐磨強(qiáng)度進(jìn)行進(jìn)一步研究。不同鋼纖維摻量與混凝土坍落擴(kuò)展度關(guān)系如圖9所示；不同鋼纖維摻量與混凝土28d抗沖耐磨強(qiáng)度關(guān)系如圖10所示。

由圖9可知，在 0.5%0.8%，1.0% 三組抗沖耐磨劑摻量條件下，混凝土坍落擴(kuò)展度均隨鋼纖維摻量的增加而降低，當(dāng)鋼纖維摻量超過 0.2kg 后，三組混凝土坍落擴(kuò)展度降幅程度加快，混凝土自密實(shí)性能亦逐漸降低。在同一鋼纖維摻量條件下，混凝土坍落擴(kuò)展度從高到低對應(yīng)的抗沖耐磨劑摻量依次為 0.5% .0.8% 、1. 0% （ 0.3kg 鋼纖維除外）。在已配置的自密實(shí)抗沖耐磨混凝土中摻人不同摻量的鋼纖維，混凝土坍落擴(kuò)展度均滿足 700± 50mm 的要求。

由圖10可知，不同抗沖耐磨劑摻量條件下的混凝土抗沖耐磨強(qiáng)度隨著鋼纖維摻量的增加而增大，相對比而言，三組混凝土抗沖耐磨強(qiáng)度增幅程度均有提高。當(dāng)抗沖耐磨劑摻量為 0.5% 時，混凝土抗沖耐磨強(qiáng)度從 37.4h/（kg?m²） 增長到 43.6h/（kg?m²） ，增幅為 16.9% ;當(dāng)抗沖耐磨劑摻量為 0.8% 時，混凝土抗沖耐磨強(qiáng)度從38.2h/（kg?m²） 增長到 43.8hV（kg?m²） ，增幅為 14.7% ；當(dāng)抗沖耐磨劑摻量為 1.0% 時，混凝土抗沖耐磨強(qiáng)度從 39.4h/（kg?m²） 增長到 44.6h （log?m²） ），增幅為 13.2% ，增長幅度有較大提升，在一定程度上改善了混凝土的抗沖耐磨強(qiáng)度。鋼纖維的摻入使得自密實(shí)混凝土的坍落擴(kuò)展度降低，不同程度提高了混凝土的抗沖耐磨強(qiáng)度，通過選取合理的試驗配合比以及適當(dāng)?shù)臄嚢璺绞?，可改善纖維混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，減少有害孔隙缺陷的形成，并最大限度地發(fā)揮纖維增強(qiáng)和增韌的作用，從而配制出滿足施工要求的鋼纖維自密實(shí)混凝土。

3結(jié)論

1）自密實(shí)混凝土砂率的變化對混凝土拌合物的和易性會產(chǎn)生一定影響，隨著砂率變化，混凝土抗壓強(qiáng)度仍保持相對穩(wěn)定；隨著粉煤灰摻量的增大，混凝土的抗壓強(qiáng)度降低，隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加，抗壓強(qiáng)度降幅減緩；砂率為 47% 、粉煤灰摻量為 25% 的自密實(shí)混凝土具有相對理想的力學(xué)性能。

2）自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度隨著抗沖耐磨劑的增加而逐漸降低，抗沖耐磨劑摻量超過 1% 后，坍落擴(kuò)展度降幅加大；在 0.5%0.8%1.0% 三組抗沖耐磨劑摻量條件下，混凝土坍落擴(kuò)展度均隨硅粉、鋼纖維摻量的增加而降低，當(dāng)硅粉摻量超過0.5% 、鋼纖維摻量超過 0.2kg 時，混凝土坍落擴(kuò)展度的降幅明顯。

3）抗沖耐磨劑對混凝土抗沖耐磨強(qiáng)度有一定改善作用，混凝土抗沖耐磨強(qiáng)度隨著抗沖耐磨劑摻量的增加而增大，呈現(xiàn)出了線性關(guān)系；抗沖耐磨劑對7、28d混凝土抗壓強(qiáng)度有一定提升作用；同時在混凝土中摻入抗沖耐磨劑 + 硅粉和摻入抗沖耐磨劑 + 鋼纖維均使混凝土抗沖耐磨性能得到顯著提升。

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（責(zé)任編輯：于慧梅）

An Experimental Study on the Anti-Impact and Wear-Resistance of Self-Compacting Concrete

ZHU Weixi ^*1，2 ， SUN Maokui2， XIE Jindong2，DENG Zhu2，LYU Yu² （2號 （1.College of Hydraulic amp; Environment Engineering，China Three Gorges University，Yichang 443o02，China; 2.HuanengLancangRiver Hydropower Inc.，Kunming 65O214，China）

Abstract：To address the issue of high-speed water flow in Tibetan Water Conservancy Project causing erosion and damage to the concrete of cave wall and floor slabs，in this study，through prefabrication tests，on the basis of optimization parameter of parameters（e.g.aggegate gradation，sand ratio，fly ash content，and waterreducing agent dosage），various dosages of scour andabrasion resistance agents，silica fume，and steel fibers were selected for further examination. The results revealed that the concrete slump spread decreased as the dosage of the scour and abrasion resistance agent increased.A linear growth relationship was observed between the scour and abrasion resistance strength of theconcrete and the dosage of the agent.When the scour and abrasion resistance agent was mixed with silica fume and steel fibers respectively，the scour and abrasion resistance of the concrete was enhanced to varying degrees.Notably，a significant improvement in scour and abrasionresistance，coupled with good construction performance，was achieved with a scour and abrasion resistance agent dosage of 0.1% and a steel fiber dosage of 0.7kg/m³ . These findings provide a reference for subsequent mix design and experimental work on scour and abrasion-resistant concrete.

Keywords：anti impact wear-resistant concrete；mix proportion；silicon powder；steel fiber；abrasionresistance