凍融循環(huán)與海水腐蝕對超高性能混凝土抗沖磨性能的影響研究

引言水工建筑物受到高速挾砂水流或挾帶推移質(zhì)水流撞擊并經(jīng)歷一定運(yùn)轉(zhuǎn)周期后，常常會(huì)出現(xiàn)不同程度的磨蝕沖擊破壞或氣蝕破壞，導(dǎo)致混凝土表面大面積剝落，尤其是我國北方沿海地區(qū)、青海鹽湖地區(qū)等，在長期鹽侵蝕和凍融循環(huán)的耦合作用下，混凝土劣化速度加快，出現(xiàn)內(nèi)部損傷、表面混凝土剝落、承載力下降以及使用功能退化等問題[1-2]。據(jù)調(diào)查，我國運(yùn)行中的大壩泄水建筑物中大約有70%存在不同程度的沖磨破壞問題[3]。為了提高水工建筑物的抗沖磨性能，在水工建筑物的過流面應(yīng)用抗沖磨材料，現(xiàn)有抗沖磨材料有硅灰耐沖磨混凝土、纖維增強(qiáng)混凝土、粉煤灰混凝土、環(huán)氧砂漿、不銹鋼板、鑄石板等，但都存在不同缺點(diǎn)[4]。超高性能混凝土（簡稱UHPC）是近年來發(fā)展起來的一種超高性能水泥基復(fù)合材料，是由水泥、活性礦物摻合料、砂、高性能減水劑、鋼纖維等材料組成，具有高抗壓、高抗彎、高抗沖擊性、高耐腐蝕性、高耐久性的特點(diǎn)[5-7]。目前許多學(xué)者對UHPC進(jìn)行了力學(xué)性能、耐久性能的試驗(yàn)研究，并已取得了一定的成果，但對UHPC在凍融循環(huán)和鹽腐蝕作用下的抗沖磨性能方面的研究較少。因此，本文對UHPC在凍融循環(huán)和海水腐蝕作用下的抗沖磨性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并與C50鋼纖維混凝土進(jìn)行了比較，為UHPC在北方沿海地區(qū)和鹽湖地區(qū)水利工程的應(yīng)用提供參考，以推進(jìn)UHPC在水工抗沖磨混凝土領(lǐng)域的應(yīng)用。1、試驗(yàn)部分

1.1材料水泥：廣州市珠江水泥有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，P·O42.5R級，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量25.8%，初凝時(shí)間162min，終凝時(shí)間216min，3d抗壓強(qiáng)度36MPa、抗折強(qiáng)度6.8MPa，28d齡期抗壓強(qiáng)度55MPa、抗折強(qiáng)度8.6MPa。摻合料：廣東道明鐵路器材有限公司生產(chǎn)的復(fù)合礦物摻合料，比表面積2680m2/kg，28d活性指數(shù)大于100%。粗集料：佛岡貴田石場生產(chǎn)的玄武巖碎石，粒徑5～20mm，連續(xù)級配，壓碎值＜10%。細(xì)集料：清遠(yuǎn)市長平砂石有限公司的河砂，粒徑＜4.75mm，細(xì)度模數(shù)2.3～2.8，含泥量＜1.0%；陽泉市新億成商貿(mào)有限公司的燒結(jié)鋁礬土，粒徑<4.75mm，細(xì)度模數(shù)2.3～2.8，Al2O3含量＞75%；都江堰欣華益橡膠顆粒制品經(jīng)營部的橡膠顆粒，粒徑<1.25mm，細(xì)度模數(shù)2.2。外加劑：廣東道明鐵路器材有限公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑，固含量40%，減水率＞30%。鋼纖維：上海真強(qiáng)鋼纖維有限公司生產(chǎn)的鍍銅鋼纖維，長度12～14mm，直徑0.2mm，抗拉強(qiáng)度≥2850MPa。水：自來水。海水：5倍濃度人工海水，按照GB/T15748—2013《船用金屬材料電偶腐蝕試驗(yàn)方法》規(guī)定配置。

1.2配合比設(shè)計(jì)通過正交設(shè)計(jì)，在進(jìn)行大量配合比試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取5組配合比，為了確保相同水膠比條件下橡膠UHPC與基準(zhǔn)UHPC總體積一致，橡膠顆粒以等體積取代鋁礬土，其他材料用量均為體積比，具體配合比見表1。表1

混凝土配合比%1.3試驗(yàn)方法材料抗沖磨強(qiáng)度是指材料單位面積上被磨損單位質(zhì)量所需要的時(shí)間，單位面積上被磨損單位質(zhì)量所需要的時(shí)間越長，表明材料抗沖磨強(qiáng)度越高、抗沖磨性能越好。本文分析橡膠顆粒摻量、凍融循環(huán)次數(shù)、海水腐蝕天數(shù)、凍融循環(huán)與海水腐蝕的耦合作用對UHPC抗沖磨性能的影響及橡膠顆粒摻量對UHPC抗壓、抗折強(qiáng)度的影響。根據(jù)表1所列各組配合比，分別制作用于上述測試的試件，抗壓強(qiáng)度采用100mm×100mm×100mm的立方體試件，抗折強(qiáng)度采用100mm×100mm×400mm的棱柱體試件，抗沖磨強(qiáng)度采用Φ300mm×100mm的圓柱體試件。試件采用振動(dòng)成型方式，UHPC試件成型后24h脫模，隨后放入高溫養(yǎng)護(hù)箱中85℃蒸汽養(yǎng)護(hù)48h后自然冷卻至室溫。C50鋼纖維混凝土試件成型后24h脫模，隨后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中噴霧養(yǎng)護(hù)28d，養(yǎng)護(hù)室溫度為（20±2）℃，相對濕度為95%以上。本文設(shè)置4組試驗(yàn)，第1組為橡膠顆粒摻量對UHPC性能的影響研究：UHPC試件完成高溫養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行抗壓、抗折和抗沖磨試驗(yàn)；第2組為凍融循環(huán)次數(shù)對UHPC抗沖磨性能的影響研究：UHPC試件完成高溫養(yǎng)護(hù)后在淡水中凍融循環(huán)150、300、450、600次后分別進(jìn)行抗沖磨試驗(yàn)；第3組為海水腐蝕天數(shù)對UHPC抗沖磨性能的影響研究：UHPC試件完成高溫養(yǎng)護(hù)后在海水中浸泡50、100、150、200d后分別進(jìn)行抗沖磨試驗(yàn)；第4組為凍融循環(huán)300次和海水腐蝕50d耦合作用下UHPC與C50鋼纖維混凝土的抗沖磨性能對比：摻10%橡膠顆粒的UHPC試件和C50鋼纖維混凝土試件，高溫養(yǎng)護(hù)后在海水中凍融循環(huán)300次（凍融循環(huán)300次與海水腐蝕50d耦合作用）后分別進(jìn)行抗沖磨試驗(yàn)?？箾_磨強(qiáng)度測試根據(jù)DL/T5150—2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中水下鋼球法進(jìn)行，沖磨試驗(yàn)用水為5倍濃度人工海水；抗壓、抗折強(qiáng)度測試根據(jù)T/CBMF37—2018/T/CCPA7—2018《超高性能混凝土基本性能及試驗(yàn)方法》進(jìn)行；凍融試驗(yàn)方法是根據(jù)GB/T50082—2019《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的快凍法進(jìn)行，每次凍融循環(huán)時(shí)間為4h；海水腐蝕試驗(yàn)是將試件浸泡在海水中。2、結(jié)果與分析

2.1橡膠顆粒摻量對UHPC力學(xué)性能的影響UHPC試件高溫養(yǎng)護(hù)后，進(jìn)行力學(xué)性能測試，橡膠顆粒摻量對UHPC力學(xué)性能的影響如圖1所示。

圖1

橡膠粒摻量對UHPC力學(xué)性能的影響由圖1可知，橡膠顆粒摻量0%~15%的UHPC抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度均隨著橡膠顆粒摻量的增加而降低。分析原因：橡膠顆粒是一種彈性體材料，受到壓力時(shí)，容易使體積發(fā)生收縮，形成“孔洞”，導(dǎo)致UHPC結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在較大的孔隙，同時(shí)橡膠顆粒的摻入，增加了UHPC內(nèi)部界面薄弱點(diǎn)，所以橡膠顆粒摻量越多，UHPC的抗壓強(qiáng)度下降越多，楊敏[8]對橡膠顆粒降低混凝土抗壓強(qiáng)度也進(jìn)行了類似的理論分析；橡膠顆粒與水化產(chǎn)物粘結(jié)性能較差，增加了橡膠UHPC內(nèi)部的裂隙，從而使橡膠UHPC的抗折強(qiáng)度要低于不摻橡膠的UHPC，并隨著橡膠顆粒摻量的增多抗折強(qiáng)度降低幅度增大，這些原因也出現(xiàn)在徐敏[9]對橡膠混凝土力學(xué)性能機(jī)理分析中。2.2橡膠顆粒摻量對UHPC抗沖磨性能的影響UHPC試件高溫養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行抗沖磨測試，橡膠顆粒摻量對UHPC抗沖磨性能的影響見表2。

表2UHPC抗沖磨強(qiáng)度由表2可知，高溫養(yǎng)護(hù)后，UHPC抗沖磨強(qiáng)度隨著橡膠顆粒體積摻量的增加先提高后降低，即橡膠顆粒的體積摻量為0%~10%范圍內(nèi)，UHPC的抗沖磨強(qiáng)度逐漸提高，但橡膠顆粒摻量進(jìn)一步提高到15%時(shí)，UHPC的抗沖磨有所降低。分析原因：抗沖磨強(qiáng)度不僅受材料抗壓強(qiáng)度的影響，還受材料韌性的影響，當(dāng)摻入適量橡膠顆粒時(shí)，橡膠顆粒高彈性的優(yōu)勢作用要大于增加界面薄弱點(diǎn)的劣勢作用，提高UHPC的變形能力，從而有效降低和緩解鋼球與UHPC表面摩擦作用產(chǎn)生的摩擦力，減少UHPC的磨耗，所以UHPC的抗沖磨強(qiáng)度提高，這與覃峰等[10]在橡膠粉水泥混凝土路面沖磨性能試驗(yàn)研究中的機(jī)理分析類似；但隨著橡膠顆粒摻量的增加，UHPC內(nèi)部薄弱區(qū)增加，橡膠顆粒的彈性作用小于薄弱點(diǎn)作用時(shí)，在鋼球沖磨作用下，容易被摩擦作用產(chǎn)生的摩擦力帶出，從而增加UHPC的磨耗，降低UHPC的抗沖磨強(qiáng)度，這一原因也出現(xiàn)在黃瓊念等[11]的橡膠混凝土性能研究中。

2.3凍融循環(huán)對UHPC抗沖磨性能的影響不同橡膠摻量的UHPC試件完成高溫養(yǎng)護(hù)后在淡水中凍融循環(huán)150、300、450、600次后分別進(jìn)行抗沖磨試驗(yàn)，凍融循環(huán)測試對UHPC抗沖磨性能的影響如圖2所示。

圖2

不同凍融循環(huán)次數(shù)UHPC的抗沖磨強(qiáng)度由圖2可知，不同橡膠顆粒摻量的UHPC抗沖磨強(qiáng)度在凍融循環(huán)150次之后開始下降；相同凍融循環(huán)次數(shù)后的抗沖磨強(qiáng)度隨著橡膠顆粒摻入量的增加先增加后降低，橡膠顆粒摻量為10%為最佳摻量。分析原因：UHPC內(nèi)部水分發(fā)生低溫凍結(jié)膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力小于水化凝膠與骨料間的結(jié)合力，但是隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，應(yīng)力不斷加載、卸載，反復(fù)循環(huán)，UHPC內(nèi)部損傷不斷積累，UHPC內(nèi)部裂紋逐漸增多，從而在凍融循環(huán)150次之后UHPC的抗沖磨強(qiáng)度逐漸降低；UHPC中摻入適量橡膠顆粒，由于橡膠顆粒是彈性體，當(dāng)UHPC內(nèi)部受膨脹壓力時(shí)可以起緩沖作用，緩解膨脹應(yīng)力對UHPC水化產(chǎn)物的損傷，緩減裂縫的發(fā)展，提高UHPC的抗凍融循環(huán)次數(shù)，這與葉文超[12]在橡膠混凝土的耐久性研究中的結(jié)果一致；橡膠顆粒摻量超過最佳摻量時(shí)，橡膠顆粒與水化產(chǎn)物的粘附力較低，增加UHPC內(nèi)部的薄弱區(qū)，從而薄弱區(qū)的劣化作用大于彈性體的優(yōu)勢作用，大幅度降低UHPC的抗沖磨強(qiáng)度。

2.4海水腐蝕對UHPC抗沖磨性能的影響不同橡膠顆粒摻量的UHPC試件完成高溫養(yǎng)護(hù)后在海水中浸泡50、100、150、200d后分別進(jìn)行抗沖磨試驗(yàn)，海水腐蝕對UHPC抗沖磨性能的影響如圖3所示。

圖3

不同海水浸泡天數(shù)UHPC的抗沖磨強(qiáng)度由圖3可知，不同橡膠顆粒摻量的UHPC抗沖磨強(qiáng)度在海水腐蝕50d之后開始降低；相同浸泡時(shí)間的抗沖磨強(qiáng)度隨著橡膠顆粒摻量的增加先增加后降低，且橡膠顆粒最佳摻量為10%。分析原因：海水侵蝕后首先表層未水化膠凝材料成分水化產(chǎn)生水化產(chǎn)物，提高UHPC的膠結(jié)強(qiáng)度，隨著海水腐蝕的進(jìn)行，未水化的水泥與人工海水中的氯離子結(jié)合生成的Friedel's鹽填充了UHPC內(nèi)部的孔隙，這些原因也出現(xiàn)在李師財(cái)[13]等對海水海砂混凝土力學(xué)與耐久性的研究中。當(dāng)海水腐蝕進(jìn)一步進(jìn)行時(shí)，水化產(chǎn)物與硫酸鹽作用產(chǎn)生的石膏和Friedel's鹽造成UHPC內(nèi)部膨脹，膨脹應(yīng)力使其產(chǎn)生破壞裂紋，從而UHPC抗沖磨強(qiáng)度在海水腐蝕50d之后開始降低。UHPC摻適量橡膠顆粒，由于橡膠顆粒是彈性體，在UHPC受海水侵蝕產(chǎn)生石膏、Friedel's鹽產(chǎn)生膨脹壓力過程中可以消耗部分內(nèi)應(yīng)力，緩解對UHPC薄弱區(qū)的破壞，提高UHPC的抗海水腐蝕性能；橡膠顆粒摻量超過最佳摻量時(shí)，橡膠顆粒與水化產(chǎn)物的粘附力較低，形成材料的薄弱區(qū)增加，UHPC受海水侵蝕產(chǎn)生的石膏、Friedel's鹽的膨脹應(yīng)力對薄弱區(qū)的破壞增強(qiáng)，從而降低UHPC的抗沖磨強(qiáng)度。

2.5凍融循環(huán)和海水腐蝕耦合作用下UHPC與C50鋼纖維混凝土的抗沖磨性能對比摻10%橡膠顆粒的UHPC試件和C50鋼纖維混凝土試件，高溫養(yǎng)護(hù)后在凍融循環(huán)300次與海水腐蝕50d耦合作用（海水中凍融循環(huán)300次）后分別進(jìn)行抗沖磨試驗(yàn)，并對比摻10%橡膠顆粒的UHPC在凍融循環(huán)300次與海水腐蝕50d耦合作用、凍融循環(huán)300次和海水腐蝕50d后的抗沖磨強(qiáng)度，不同侵蝕條件下?lián)?0%橡膠顆粒的UHPC和C50鋼纖維混凝土的抗沖磨性強(qiáng)度見表3，摻10%橡膠顆粒UHPC和C50鋼纖維混凝土在凍融循環(huán)300次與海水腐蝕50d耦合作用后抗沖磨前后的表面狀態(tài)如圖4所示。

圖4

抗沖磨試驗(yàn)前后試件照片由表3可知，在凍融循環(huán)300次與海水腐蝕50d耦合作用后，摻10%橡膠顆粒的UHPC抗沖磨強(qiáng)度約為C50鋼纖維混凝土的28倍；摻10%橡膠顆粒的UHPC在凍融循環(huán)300次與海水腐蝕50d耦合作用后抗沖磨強(qiáng)度比單獨(dú)凍融循環(huán)300次或海水中浸泡50d后的抗沖磨強(qiáng)度要低。由圖4可知，在凍融循環(huán)300次與海水腐蝕50d耦合作用后，摻10%橡膠顆粒的UHPC表面磨損較少、表面較平整，C50鋼纖維混凝土邊緣表面凹凸不平。分析原因：在凍融循環(huán)300次與海水腐蝕50d耦合作用過程中，海水首先作用在UHPC表層孔隙里，從而讓表層UHPC毛細(xì)孔中水比內(nèi)部要提前達(dá)到飽和，結(jié)冰后產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力增大，隨著凍融性作用不斷進(jìn)行，外部毛細(xì)孔里面的還沒結(jié)冰的水不易朝著其他部位擴(kuò)散，相對里面的未結(jié)冰水來看，外面的未結(jié)冰水產(chǎn)生的靜水壓相對要大得多，微裂縫的產(chǎn)生和延伸更加明顯，因此海水腐蝕和凍融循環(huán)耦合作用下，加速降低UHPC抗沖磨強(qiáng)度，這與肖輝[14]的凍融循環(huán)和氯離子耦合作用加速混凝土損傷的研究結(jié)果一致。由于UHPC比C50鋼纖維混凝土更加致密、毛細(xì)通孔少，抗凍融循環(huán)性能、抗海水腐蝕性能及水化硅酸鈣凝膠強(qiáng)度更高，從而使UHPC在凍融循環(huán)和海水腐蝕耦合作用后進(jìn)行抗沖磨試驗(yàn)時(shí)，僅表面磨損掉薄薄的一層，而C50鋼纖維混凝土表面形成明顯凹坑，這些現(xiàn)象也出現(xiàn)在劉福財(cái)?shù)萚15]的超高性能混凝土抗沖磨性能研究中。

表3

抗沖磨強(qiáng)度m2·h/kg結(jié)論

通過對不同橡膠顆粒摻量的UHPC進(jìn)行力學(xué)和抗沖磨性能測試，對比研究橡膠顆粒摻量、凍融循環(huán)次數(shù)和海水腐蝕天數(shù)對UHPC抗沖磨性能的影響，并對比研究凍融循環(huán)與海水腐蝕耦合作用下，摻10%橡膠顆粒的UHPC和C50鋼纖維混凝土的抗沖磨性能，得出以下主要結(jié)論：（1）橡膠顆粒與水化產(chǎn)物粘結(jié)性能較差，橡膠顆粒增加了UHPC內(nèi)部界面薄弱點(diǎn)和裂隙，因此UHPC抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度分別隨著橡膠顆粒體積摻量的增加而降低。（2）由于橡膠顆粒是高彈性體材料，摻入適量的橡膠顆粒時(shí)，橡膠顆粒高彈性的優(yōu)勢作用要大于增加界面薄弱點(diǎn)的劣勢作用，可提高UHPC的抗沖磨強(qiáng)度；當(dāng)橡膠顆粒摻量過量時(shí)，橡膠顆粒的高彈性優(yōu)勢作用要小于增加界面薄弱點(diǎn)的劣勢作用，UHPC抗沖磨強(qiáng)度下降，因此UHPC抗沖磨強(qiáng)