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，結果表明：UHPC具有極高的力學性能，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，兼備良好的施工性能。

關鍵詞：超高性能混凝土；抗沖磨性能；力學性能

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，常出現修補后短時間內被沖磨破壞而再次進行修補的情況。新疆和田地區烏魯瓦提水利樞紐工程設計的抗沖耐磨混凝土強度等級偏低，最初設計值僅為C35，在修建完成后投入使用的第一年便出現了嚴重的沖磨破壞，導致工程需要進行大面積修復，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，經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，修建初期渠底設計為漿砌石結構，但在運行期間渠底漿砌石結構破壞嚴重，砌石被大量淘出被水流沖走，導致青年渠渠首渠底部位每年都需要修葺。2008年將渠底襯砌結構進行替換，采用強度為C60以上的高強度抗沖耐磨混凝土進行修復，修葺后1a經歷了大洪水的考驗，試驗段渠底抗沖耐磨混凝土整體完好平整，未出現之前的沖磨破壞現象[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，經過多年運行，混凝土未出現大面積破損及開裂，說明高強抗沖耐磨混凝土應用在閘底板沖磨破壞維修領域具有可行性[6-7]。這些經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沖磨的有效方法。

但當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，采用標號為C60的高強混凝土也存在破壞現象，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）結構基礎上研發的一種水泥基特殊材料，通過提高混凝土內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，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域，制造抗沖擊、抗爆炸裝置等[8-10]。當前國內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）力學性能試驗檢測。根據《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《水工混凝土試驗規程》（SL 352—2006）相關規定，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《水工混凝土試驗規程》（SL352—2006）的相關規定進行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《水工混凝土試驗規程》（SL352—2006）和《水工混凝土試驗規程》（DL/T 5150—2017）的相關規定，采用水下鋼球法進行抗沖耐磨試驗。

（4）凍融循環試驗測試。依據《水工混凝土試驗規程》（SL352—2006）的相關規定進行UHPC、普硅混凝土及HF混凝土的抗凍性試驗。

2 試驗結果分析

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部孔隙，使其內部結構密實；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較其他長鋼纖維根數多，在混凝土內部構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，表現出混凝土脆性破壞的特性，原因是其內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。可見UHPC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，呈現整體沖磨趨勢。在相同沖磨時間內，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，并且會出現表面銹蝕嚴重的情況。抗沖耐磨試驗發現，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的質量損失大部分是鋼纖維被帶出導致的，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，應采用平板振搗器進行平面振搗。UHPC應注重前期養護，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護毯進行澆水養護，防止直接覆蓋養護毯導致UHPC表面凹凸不平，降低其抗沖磨效果，亦可在UHPC澆筑后1d開閘流水養護，以降低養護成本。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應順著底板水流方向澆筑。

2.3 抗裂性能試驗分析

在相同養護條件下，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，微鍍銅鋼纖維的數量可以達到860萬根以上，而相同體積摻量的普通鋼纖維數量在230萬根左右，極高的鋼纖維數量能夠使得UHPC內的鋼纖維分散到更多的內部空間中。

2.4 抗凍融循環試驗分析

在相同養護條件下，將養護至28d的試件進行抗凍融循環試驗及彈性模量測試，結果見表3～表5。通過抗凍融循環試驗及動彈性模量測試可以看出，在0～100次凍融循環時，3種不同混凝土試件的質量損失較小，在100～200次凍融循環時，試件質量損失加快，其中UHPC的質量損失率最小，普硅混凝土和HF混凝土質量損失率較為接近；UHPC在凍融循環200次后質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100次的質量損失還小。

在0～200次凍融循環過程中，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。在經歷200次凍融循環試驗后，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，在凍融循環破壞后其結構依然具有極高的完整性，抗凍性能相較其他兩種的好。

3 抗沖擊試驗結果及分析

3.1 抗沖擊試驗結果

將3種混凝土同條件養護至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 骨料界面結構情況

通過電鏡設備對不同混凝土內部結構及骨料與水泥石之間的黏結界面進行觀測，掃描圖像見圖1～圖4。UHPC的內部結構比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在凍融循環過程中水分不易進入內部，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發生反應生成針狀鈣礬石，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，所以其宏觀表現出的強度有所提高，但強度的提高有限，養護至28d的抗壓強度僅為50MPa。內部結構密實、孔隙少、骨料與水泥石之間的黏結性好的UHPC的28d抗壓強度可達130.59MPa。

5 結 論

UHPC在28d的抗壓強度可達130.59MPa，其優異的流動性能使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，未出現普通抗沖磨混凝土出現的大面積凹坑，能夠很好地解決大顆粒推移質帶來的沖磨問題；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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【責任編輯 呂艷梅】