冰凌作用下天然浮石混凝土磨損規律研究

王蕭蕭，馮蓉蓉，荊 磊,2，劉曙光，閆長旺，姜 琳

(1.內蒙古工業大學土木工程學院，呼和浩特 010051；2.內蒙古工業大學，內蒙古自治區土木工程結構與力學重點實驗室，呼和浩特 010051；3.生態型建筑材料與裝配式結構內蒙古自治區工程研究中心，呼和浩特 010051；4.內蒙古工業大學礦業學院，呼和浩特 010051)

0 引 言

黃河上游內蒙古河段在冬季的封河期和春季的開河期都易發生凌汛，每年約有4～5個月的凌汛期[1]。冰塊隨著水流的運動會以一定的速度撞擊到水工建筑物，水流的推動使得冰與結構物之間連續摩擦，長期累積冰摩擦會導致混凝土材料的膠結性能降低，骨料暴露，隨著時間的推移導致保護層逐漸喪失，這不僅降低了嚴寒區水利工程的服役性能和使用壽命，還帶來了巨大的經濟損失。

內蒙古地區浮石礦藏極為豐富，僅烏蘭哈達火山群形成的浮石儲量就在1億m3以上[2]。利用浮石作為粗骨料可以制備浮石混凝土，其強度可以滿足普通混凝土的強度要求[3]，并且能夠用于實際工程中。研究[4-7]發現,與普通混凝土相比，天然浮石混凝土具有良好的抗凍性和耐磨性，因此，針對北方寒冷地區水利工程，利用儲量豐富的浮石骨料代替天然砂巖配制天然浮石混凝土，并進行凌汛期冰-浮石混凝土的磨損研究具有重要的現實意義。

本文配制了三種不同強度(LC20、LC30、LC40)的天然浮石混凝土，研究了不同強度等級下浮石骨料體積分數、水膠比、膠凝材料硬度這三個因素對冰磨損天然浮石混凝土磨損量的影響規律，并結合顯著性分析得出各因素對磨損量的影響程度，借助超景深顯微鏡觀測天然浮石混凝土的表觀形貌，分析冰磨損過程中浮石混凝土表面形貌的演變過程。研究可以為天然浮石混凝土在嚴寒地區的應用提供一定的理論參考。

1 實 驗

1.1 原料和配合比

水泥為冀東P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；粗骨料選用粒徑范圍在5～20 mm的天然浮石，取自內蒙古呼和浩特市和林縣，物理性能見表1；細骨料選用天然河砂，顆粒級配良好，物理性能見表2；粉煤灰選取呼和浩特市金橋熱電廠的Ⅰ級粉煤灰；減水劑選用主要成分為β-萘酸鈉甲醛高縮聚物的高效減水劑，減水率為20%；水為普通市政自來水。

表1 天然浮石的物理性能

根據《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55—2011)以及《輕骨料混凝土技術規程》(JGJ 51—2019)，制備強度等級為LC20、LC30、LC40的天然浮石混凝土，配合比見表3。

表3 天然浮石混凝土配合比

1.2 試驗方案

1.2.1 天然浮石混凝土-冰磨損試驗

圖1為天然浮石混凝土-冰磨損試驗流程圖。試驗開始前，制備尺寸為φ45 mm×100 mm的圓柱體冰試樣。制備尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的天然浮石混凝土試樣(見圖1(a))，為滿足磨損裝置的尺寸要求，將其切割成尺寸為30 mm×45 mm×180 mm的長方體試塊(見圖1(b))。為加速磨損，選擇切鋸的天然浮石混凝土表面作為磨損面，在磨損面的縱軸線上等距離標記5個點(見圖1(c))，使用電子螺旋測微儀(精確到0.001 mm)測量標記點的初始厚度，記為h。在冰柱上方施加3 MPa的壓力，啟動磨損裝置(見圖1(d))，冰柱在天然浮石混凝土表面做往復運動。結合內蒙古地區流凌期的特點及當地流凌情況，選取冰凌磨損路徑為16 km[1,14-15]，當冰凌磨損路徑達到目標長度時，取出天然浮石混凝土試樣并清理表面，測量磨損后標記點的厚度，記為h′。磨損量(H)的計算公式如式(1)所示。

(1)

式中：下標i代表標記點的編號；hi表示第i個標記點的初始厚度，mm；h′i表示磨損后第i個標記點的厚度，mm。

對于“MooN”模型來說，其故障裕度為N-M，故而“1oo2”模型故障裕度為1。即該模型能夠容忍一個危險失效。即當系統發生一次危險失效時，不影響其執行安全儀表功能(SIF)。

使用VHX-500型超景深顯微鏡(見圖1(e))觀測天然浮石混凝土的表面形貌。將浮石混凝土試樣磨損面朝上放置于置物平臺上，調節X-Y平面的位置，直到標記點處于視野中心，對焦后拍攝冰磨損前后天然浮石混凝土的表觀形貌圖。

圖1 磨損試驗流程圖。(a)天然浮石混凝土試樣;(b)切鋸天然浮石混凝土試樣;(c)標記天然浮石混凝土試樣;(d)磨損裝置;(e)超景深顯微鏡

1.2.2 納米壓痕試驗

選用Nano Indenter G200型納米壓痕儀進行膠凝材料硬度試驗。試驗開始前，制備尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的混凝土試樣，為滿足納米壓痕儀操作臺的尺寸要求，對天然浮石混凝土試樣進行取芯操作，取芯尺寸為φ12 mm×20 mm，取芯試樣如圖2所示。用研磨機對取芯試樣的上下表面進行研磨，使其表面光滑平整，對研磨后的試樣進行拋光處理，使其呈現出金屬光澤。在試樣表面膠凝材料上均勻選取3個測點進行納米壓痕試驗，取3個點的平均值作為膠凝材料的硬度值。

圖2 納米壓痕試樣

2 結果與討論

2.1 浮石骨料體積分數對天然浮石混凝土磨損的影響

圖3顯示了浮石骨料體積分數對磨損量的影響。由圖3可以看出，當浮石骨料體積分數增大時，磨損量均值隨之增加。這是因為浮石骨料作為一種多孔粗骨料摻入混凝土中會增加天然浮石混凝土的孔隙率，從而降低天然浮石混凝土的強度。由于切鋸后的天然浮石混凝土表面會暴露出大量的浮石骨料，浮石骨料上分布著的大小不一的孔隙使磨損表面粗糙不平。在法向壓力的作用下，冰凌會嵌入天然浮石混凝土表面的孔隙中，冰凌對混凝土表面的孔隙反復施加切向應力的作用，導致混凝土表面孔壁破裂，磨損量增加。

圖3 浮石骨料體積分數對磨損量的影響

2.2 水膠比對天然浮石混凝土磨損的影響

圖4為水膠比對磨損量的影響規律。如圖4所示，當水膠比增大時，磨損量均值也會增大。水膠比是影響混凝土孔隙率的重要因素，混凝土在凝結硬化的過程中會形成大量孔隙[16]，低水膠比的天然浮石混凝土具有較低的孔隙率以及更加密實的內部結構。隨著水膠比的增加，膠凝材料的摻入量減少，膠凝材料對骨料的黏結力和包裹能力都有所減弱[17]，天然浮石混凝土的密實度也降低。當冰凌在混凝土表面滑動時，更加容易使磨損表面的膠凝材料剝落，附著在冰凌表面，與冰凌一起運動，加速了磨損進程，從而使磨損量增加。

圖4 水膠比對磨損量的影響

2.3 膠凝材料硬度對天然浮石混凝土磨損的影響

圖5顯示了磨損量均值隨膠凝材料硬度的變化規律。由圖5可知，隨著膠凝材料硬度的增大，磨損量均值隨之減小。當膠凝材料硬度由0.66 GPa提高到0.83 GPa時，平均磨損量降低了1.79 mm。硬度是影響材料耐磨性的重要因素，膠凝材料抵抗局部塑性變形的能力隨著硬度的提高也在不斷提高[18]。天然浮石混凝土受到切向應力的作用會發生塑性變形，在冰凌的反復作用下，表層材料損失，磨損量增大。與此同時，通過提高膠凝材料硬度，可以有效地提高天然浮石混凝土抵抗切削磨損的能力[19]，從而提高天然浮石混凝土的耐磨性。

圖5 膠凝材料硬度對磨損量的影響

3 天然浮石混凝土磨損影響因素顯著性分析

使用灰熵分析方法對天然浮石混凝土磨損影響因素進行顯著性分析。灰熵分析是一種通過一定的數據處理，對系統內各因素進行定量分析，從而得到各個因素對系統影響顯著性的方法，能有效分辨出對整個系統影響的主要因素和次要因素[20]。具體分析步驟如下：

(1)求灰熵關聯系數

設X0={x0(1),x0(2),…,x0(n)}為參考序列。

設Xi={xi(1),xi(2),…,xi(n)}(i=1,2,…，m)為比較序列。

則灰熵關聯系數為

(2)

式中：ξ為分辨系數，一般取0.5;k=1,2,…,n。

(2)求灰關聯熵

設Ri={ξ[x0,xi(k)]}，則灰關聯熵為

(3)

式中：Ph為灰熵關聯密度值，表示為

(4)

(3)求灰熵關聯度

比較序列Xi的灰熵關聯度為

E(Xi)=H(Ri)/Hmax

(5)

式中：Hmax=lnn，代表由n個元素構成的差異信息列的最大值。

為分析浮石骨料體積分數、水膠比、膠凝材料硬度對天然浮石混凝土磨損量影響的顯著性，選取磨損量為參考序列，選取浮石骨料體積分數、水膠比、膠凝材料硬度為比較序列進行灰熵分析，得到磨損量與浮石骨料體積分數、水膠比、膠凝材料硬度的灰關聯熵和灰熵關聯度，如表4所示。由表4可得，磨損量與浮石骨料體積分數、水膠比、膠凝材料硬度的灰熵關聯度分別為0.990 2、0.990 1、0.985 4，由于浮石骨料體積分數和水膠比的灰熵關聯度均大于0.99，說明浮石骨料體積分數和水膠比對磨損量的影響較大，膠凝材料硬度的影響較小。這是因為浮石骨料體積分數和水膠比是影響天然浮石混凝土強度的直接因素，隨著浮石骨料體積分數的增加和水膠比的提高，天然浮石混凝土的強度降低，混凝土的孔隙率變大，密實度下降。因此當冰凌在法向壓力的作用下對混凝土表面進行切削磨損時，混凝土表面材料更容易剝落，導致磨損量增加。相比之下，膠凝材料硬度對天然浮石混凝土磨損量的影響程度較弱。

表4 灰關聯熵和灰熵關聯度

4 天然浮石混凝土表面形貌磨損分析

圖6為天然浮石混凝土磨損前后的表觀形貌圖，圖6(a)顯示出在磨損前天然浮石混凝土表面孔壁連接完整(圖中方形區域標識)，孔隙結構清楚(圖中圓形區域標識)，膠凝材料緊緊包裹在浮石骨料的周圍。由圖6(b)可以看出，磨損后混凝土表面孔壁破壞嚴重，孔隙的內部結構暴露(圖中圓形區域標識)，相鄰孔隙之間由于失去孔壁的支撐而連通合并成為一個大孔(圖中方形區域標識)。結合切削磨損機制和疲勞磨損機制解釋天然浮石混凝土表觀形貌的演變，圖7為天然浮石混凝土受冰磨損原理示意圖。由圖7可知，由于天然浮石混凝土的表面分布著大小不一的孔隙，在法向應力的作用下，磨損過程中冰凌會嵌入天然浮石混凝土的孔隙中，在切向應力的反復作用下天然浮石混凝土產生塑性變形，導致孔壁脫落，脫落的孔壁以及膠凝材料形成游離的磨粒[21]，游離磨粒在法向壓力的作用下，附著在冰凌表面，對天然浮石混凝土進行切削磨損，造成天然浮石混凝土表層損傷。

圖7 天然浮石混凝土受冰磨損原理示意圖

在冰凌的作用下，天然浮石混凝土呈現出與普通混凝土不同的磨損特征。由圖6可知，經歷冰磨損后，浮石骨料并沒有脫離混凝土表面，而是與膠凝材料共同抵御冰磨損。Jacobsen等[22]的研究表明，普通混凝土受冰磨損作用后，膠凝材料首先受到磨損損傷，從而導致普通骨料從混凝土表面突出。在冰凌的反復作用下，普通骨料與膠凝材料間的黏結力變差，最終導致骨料從混凝土表面脫落。與普通混凝土相比，天然浮石混凝土在磨損過程中表現出較好的完整性，體現了天然浮石混凝土用作耐磨材料的工程適用性。

圖6 天然浮石混凝土冰磨損前后表觀形貌圖

5 結 論

(1)冰凌作用下天然浮石混凝土的磨損量隨浮石骨料體積分數和水膠比的增大而增大，隨膠凝材料硬度的增大而減小。

(2)浮石骨料體積分數和水膠比對冰磨損天然浮石混凝土的磨損量影響較為顯著，其灰熵關聯度均大于0.99。相比之下，膠凝材料硬度對磨損量的影響較弱。

(3)天然浮石混凝土受到冰凌的切削磨損和疲勞磨損產生塑性變形，從而導致表層材料剝落，剝落的表層材料形成游離磨粒,導致磨損表面孔壁斷裂，孔隙內部結構暴露，多個孔隙連通合并。

(4)在天然浮石混凝土冰磨損過程中，浮石骨料不會脫離混凝土，而是與膠凝材料共同抵御磨損。