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喷砂法研究中热硅酸盐水泥、粉煤灰和硅灰配制的混凝土的抗冲磨特性

X.hua.Cai, Z.He, S.W.Tang, X.R.Chen

摘要：通过喷砂实验对中热波兰特水泥、粉煤灰、硅灰制备的混凝土的抗冲磨性进行测试。试验中，粉煤灰、硅灰、冲击速度和冲击角度对抗冲磨性的影响都被考虑在内。测试结果表明这种由波兰特水泥、粉煤灰和硅灰制备的混凝土适用于要求低水化热和高抗冲磨性能的大型建筑中。混凝土的磨损质量损失率随冲击角度的增加而提高，同时随冲击速度增加而呈指数增长。之外，将Bitter、Neilson等人提出的方案应用于混凝土的抗冲蚀性能的研究。根据此方案，每种混凝土配合比的性能都由四个参数表征，并且这些特性可以用来初步预测混凝土的抗冲磨性能。

关键词：磨损、喷砂、中热波兰特水泥、粉煤灰、硅灰

1.引言

水工建筑物的混凝土，特别是溢洪道、泄洪洞、溢流面、跨海大桥桥墩等处的混凝土，会因为水流中含有固体颗粒，如泥沙、水载碎屑等，会发生严重的破坏。通常情况下，水工建筑物周围水流速度一般不超过40m/s。然而在一些极端情况下，由于混凝土表面的混有固体颗粒的水流速度超过40m/s，导致水工建筑会受到严重破坏。近几十年来,在中国西南部建设了一系列的水电工程,比如向家坝大坝(162米),溪洛渡大坝(285.5米)。水工建筑物的溢洪道,泄洪通道和溢流面等通常会遭受含固体颗粒的高速水流冲击。因此,抗冲磨材料的设计直到现在仍然是一个巨大的挑战。

可以肯定的是，由于低廉的造价和便捷的施工工艺，混凝土仍是水工建筑物抗冲磨防护材料的首选。混凝土的磨损侵蚀劣化主要取决于几个因素:水流速度、水流中的固体颗粒碎屑、水中颗粒的撞击角、颗粒的物理性质，当然还有混凝土本身的的质量^[1-3]。抗冲磨混凝土的设计原则一般遵循以下几个步骤:(1)选择强度和硬度较高的骨料;(2)选择较低的水胶比(W/CM);(3)增大粗骨料体积;(4)添加辅助胶凝材料或者纤维。

已有文献表明，随着混凝土抗压强度的提高，其耐磨性也随之提高^[1,4]在过去的三十年中，人们进行了广泛的研究，以寻求有效的方法来提高混凝土的抗冲磨性能。Kılıccedil;等人,Laplante等人研究了混凝土的抗冲磨性能,发现花岗岩暗色岩生产的抗冲磨混凝土的性能非常好^[5,6]。加入硅灰是提高混凝土耐磨性的一种典型方法^[5,7-10]。但是应该谨慎考虑加入的硅灰的量，因为过多的硅灰可能会导致裂纹。除硅灰外，还对粉煤灰对混凝土抗冲磨性能的影响进行了研究。Atis等、Naik等、Siddique等对掺粉煤灰混凝土的耐磨性进行了一系列试验^[11-14]，其中包括大体积粉煤灰(HVFA)混凝土。根据他们的实验结果，掺加粉煤灰的混凝土的抗冲磨性能在很大程度上取决于粉煤灰的化学性质。尤其值得指出的是，粉煤灰的添加是否能够提高混凝土的耐磨性还存在争议。因此，选择中热硅酸盐水泥而不是普通硅酸盐水泥是设计高抗冲磨性能或低工作温度的大体积混凝土的替代方法。

另一方面，在试验方法上，有几种标准的试验方法可以用来评价混凝土的抗冲磨性能。ASTM C779描述了确定混凝土表面耐磨性的三种测试方法(转盘、修整轮和辊压机)^[15,16]。ASTM C1138，即所谓的水下钢球法，提供了一种简单的方法，通过使用旋转搅拌桨和钢球模拟水中颗粒的磨蚀作用，来确定混凝土在水下的抗冲磨性能^[17]。ASTM C418(喷砂法)的试验过程模拟了水性磨料和固体颗粒在切割作用下在混凝土表面的运动，混凝土中耐磨性较差的构件磨损更严重^[18]。这两种试验方法(水下试验法和喷砂试验法)也在《水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规范》(DL/T 5207)中采用^[19]。此外，由于仪器结构简单，操作方便，特别是在路面混凝土上，许多研究者采用了Bohme的试验方法(如DIN 52108)^[20]。Bouml;hme等针对路面透水混凝土的特点，通过洛杉矶试验、旋转磨磨损试验和表面磨损试验对透水混凝土的耐磨性进行了研究^[21]。一些研究人员还尝试用水射流法来评价高速水流作用下混凝土的抗冲磨性能。Momber等人利用水射流或喷砂等方法对混凝土的空蚀和耐磨性进行了大量的研究^[22-24]。指出每种抗冲磨试验方法都有各自的优点和一定缺点。水平混凝土表面耐磨性试验方法和Bohme圆盘试验方法适用于评价车辆作用下路面混凝土或砂浆的耐磨性。而喷砂试验法和水射流法适合于模拟高速水流对水载颗粒的作用。

本文采用喷砂法对高速流(gt;40m/s)作用下混凝土的耐磨侵蚀性能进行了评价。此外，与其他磨损试验方法相比，该喷砂试验方法能够模拟不同冲击速度和冲击角度下混凝土的抗冲磨性能。初步工作包括三个方面:(1)采用喷砂试验方法制备了中热硅酸盐水泥、粉煤灰、硅灰配制的混凝土拌合物。(2)讨论了冲击速度、冲击角和补充胶结材料种类对混凝土抗冲磨性能的影响。(3)根据Bitter和Neilson等人提出的方法，分析了不同条件下混凝土的磨损侵蚀特征，主要包括冲击速度和角度。^[25-27]

2.材料和检测方法

2.1.材料与配合比

采用中热硅酸盐水泥(42.5，P.MH42.5)和F级粉煤灰。采用x射线荧光法(X-ray fluorescence,XRF)测定水泥和粉煤灰的化学成分，其化学成分如表1所示。中热硅酸盐水泥按中国标准(GB200-2003，中热硅酸盐水泥，低热硅酸盐水泥，低热硅酸盐矿渣水泥)规定，其中C2S、C3A、游离CaO的最大含量分别为55%、6%、1.0%。采用Bogue法分析了as-received水泥的矿物学组成，见表2.本课题硅灰主要由活性SiO2组成，质量分数为95.5%。通过SEM观察，胶结材料的形貌和粒径如图1所示。

表1 水泥和粉煤灰的化学成分(%)

表2 水泥的矿物组成(%)

表3 混凝土配合比

(a)水泥

(b)粉煤灰

(c)硅灰

图1 胶凝材料的SEM图像

图2 细骨料的分级曲线

细集料和粗集料均来自破碎的玄武岩。它们的比重是2.92。细骨料细度模量为2.68，分级曲线如图2所示。粗骨料由5-20mm和20-40mm两级配骨料组成，混合比(按质量)为40:60。

本次一共制备了6批混凝土混合料进行试验。水胶比和含水量分别保持在0.3和120kg/m³。补充胶凝材料的总含量分别为0、20%和40%。将混合物分为两组，一组仅含有中热硅酸盐水泥和粉煤灰，另一组还含有硅灰(按质量占所有胶结材料的5%)。所有这些混合物均含有聚羧酸盐减水剂，以获得合适的浇注凹陷度。混合比例如表3所示。在这里，符号中的F和S表示含有粉煤灰和硅灰的混合物，数字表示粉煤灰和硅粉替代水泥的质量百分比。以“F15S5”水泥为例，用15%粉煤灰和5%硅灰代替水泥。该混合物是在150mm-150mm-150mm立方体模具中成型。24小时后脱模,搬进一个潮湿的房间(20plusmn;5℃,温度和相对湿度超过95%)水化到特定的龄期(7、28和90天)。

2.2测试方法

2.2.1抗压强度

为每种混凝土配合比制备了9个试块用于抗压强度试验。分别测定7d、28d、90d时的抗压强度，每组混合物在固定龄期测定3个试块。试验程序按SL352-2006标准(《水工混凝土试验规范》)进行。

2.2.2抗冲磨性

混凝土耐磨性试验方法(DL/T 5207-2005，《水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规范，中国》^[19])与ASTM C 418-2012（《混凝土喷砂耐磨试验标准方法》）相似。试验装置的原理图和图片分别如图3(a)和(b)所示。根据该标准，采用喷砂试验方法对混凝土

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资料编号：[2339]

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