磨蝕環境下混凝土性能優化研究

摘要：磨蝕是混凝土結構在使用過程中常見的一種破壞形式，對混凝土結構的性能和耐久性造成嚴重影響。為了提高混凝土在磨蝕環境下的性能，通過對混凝土材料的成分、配合比等方面進行優化研究。研究結果表明：水膠比對混凝土強度和抗磨蝕性能有顯著影響，水膠比越低，混凝土強度和抗磨蝕性能越高。骨料種類對混凝土強度和抗磨蝕性能也有顯著影響，人工破碎鐵礦砂石骨料的混凝土強度和抗磨蝕性能高于天然砂石骨料的混凝土。混凝土的抗磨蝕比是混凝土抗磨蝕性能與混凝土強度的比值，反映了混凝土的耐磨性，水膠比越低，抗磨蝕比越高。人工破碎鐵礦砂石骨料的抗磨蝕比，高于天然砂石骨料的抗磨蝕性能。

關鍵詞：磨蝕環境；混凝土；性能優化

0 引言

在磨蝕環境下，混凝土會受到物理、化學和生物的侵蝕作用，導致其強度、耐久性和穩定性降低，甚至造成結構失效[1]。因此，研究混凝土在磨蝕環境下的性能變化及其優化方法，對于提高混凝土結構的安全性和壽命具有重要意義[2]。

磨蝕環境下混凝土性能優化的研究已經吸引了眾多學者的關注，并且在過去的幾十年中取得了許多重要的研究成果。陳國新等[3]研究調查了水泥類型和填充劑含量對自密實混凝土的耐磨性能的影響。研究結果表明，通過選擇合適的水泥類型和適量的填充劑，可以顯著提高混凝土的耐磨性能。黃繼湯等[4]研究探討了在混凝土中利用替代膠凝材料來提高其耐磨性能。研究結果表明，使用替代材料（如粉煤灰、礦渣、二氧化硅等）可以顯著改善混凝土的耐磨性能。

劉波等[5]綜述了荷載與環境共同作用下混凝土耐久性研究的進展情況，主要從影響機理、評價方法、優化措施、數值模擬和試驗研究等方面進行介紹，并對混凝土耐久性研究提出了展望。孟濤等[6]研究表明，碳化對含有礦物摻合料混凝土的氯離子擴散的促進作用遠遠大于普通混凝土，因為礦物摻合料的加入使Ca（OH）2的量減少，堿性物質含量減少導致內部pH值降低。

本文旨通過改變混凝土的配合比、摻加材料等手段來提高混凝土抗磨蝕性能，為進一步推動混凝土在磨蝕環境中的性能優化，可持續發展提供支持和保障。

1 工程概況

本文基于鐵力呼蘭河鐵路特大橋工程，探討了混凝土抗磨蝕性能的優化方法。該大橋共設墩柱594個，分別為雙線一字橋臺2個，雙線圓端形實體雙固定橋墩4個，雙線圓端形實體橋墩588個。橋墩臺身上部采用C35、C40混凝土，下部采用C40、C45混凝土。墩柱高度范圍為3～26.5m。

該地區風力等級≥7級，年風沙天數超過90d，河道汛期含砂量在200～1000kg/m3之間。因水流中含有大量的泥沙，在高速水流的作用下會對橋墩部分混凝土造成沖擊和磨損。

2 試驗設計

本文通過試驗研究了水膠比、骨料種類以及配合比對混凝土強度和抗磨蝕性能的影響。試驗混凝土水膠比取0.21、0.26、0.31、0.45，分別選取天然砂石骨料和人工破碎鐵礦砂石骨料2種骨料。試驗方案如表1所示。配合比設計如表2所示。

3 結果分析

3.1 抗壓強度

為了研究不同種類骨料對混凝土抗壓強度的影響，本文對2種不同種類的混凝土進行了抗壓強度試驗，分別是天然砂石骨料混凝土和鐵礦砂石骨料混凝土。試驗中，保持骨料級配、摻合料用量和拌合時間等因素不變，只改變水膠比，分別制作了不同水膠比的混凝土試件。

3.1.1 抗壓強度與水膠比的關系

不同水膠比天然砂石混凝土抗壓強度如圖1所示。不同水膠比鐵礦砂石混凝土抗壓強度如圖2所示。由圖1、圖2可知，兩種骨料混凝土的抗壓強度都隨水膠比的減小而提高，這符合水膠比對混凝土強度的影響規律。在水膠比低于0.31的條件下，鐵礦砂石骨料混凝土的抗壓強度增長更加顯著，表明其在低水膠比環境下具有更優越的性能。

當水膠比從0.31降至0.21時，天然砂石骨料混凝土的抗壓強度增長呈現平緩趨勢，而鐵礦砂石骨料混凝土的抗壓強度增長則呈現出較為陡峭的趨勢。這一現象揭示了在較低水膠比條件下，鐵礦砂石骨料混凝土在抗壓性能上相較于天然砂石骨料混凝土的明顯優勢。

3.1.2 抗壓強度與養護期的關系

在時間維度上，圖1中不同水膠比的線條展示了天然砂石骨料混凝土在3d、7d、28d、和60d不同養護期的抗壓強度變化。其中，水膠比為0.21的混凝土在整個養護周期內，均展現出最高的抗壓強度。

相較之下，圖2顯示鐵礦砂石骨料混凝土在相同的水膠比和養護時間點下，其抗壓強度普遍高于天然砂石骨料混凝土。這說明骨料種類也對混凝土強度有顯著影響，人工破碎鐵礦砂石骨料的強度和硬度高于天然砂石骨料。降低水膠比能夠有效提升混凝土的抗壓強度，且這一效應在鐵礦砂石骨料混凝土中更為突出。因此在混凝土結構設計和材料選擇時，優先考慮使用鐵礦砂石骨料作為骨料。

3.2 抗磨蝕性能

對2種試驗方案各不同配合比混凝土的抗磨蝕試件，養護28d后進行抗磨蝕試驗。

3.2.1 抗磨蝕強度與水膠比的關系

兩種不同種類骨料混凝土的抗磨蝕強度隨水膠比的變化曲線如圖3所示。從圖3可以看出，兩種骨料混凝土的抗磨蝕強度都隨水膠比的減小而提高，這符合水膠比對混凝土強度的影響規律。

從圖3還可以看出，鐵礦砂石骨料混凝土的抗磨蝕強度高于天然砂石骨料混凝土的抗磨蝕強度，這說明骨料種類也對混凝土強度有顯著影響，人工破碎鐵礦砂石骨料的強度和硬度高于天然砂石骨料，因此提高了混凝土的抗磨蝕強度。

分析認為，鐵礦砂石骨料與水泥漿之間的粘結性能較好，能夠有效地抵抗沖擊荷載和摩擦力，而天然砂石骨料與水泥漿之間的粘結性能較差，容易產生脫粘和剝落現象。因此，骨料種類對混凝土抗磨蝕性能有重要影響，應該根據工程需要選擇合適的骨料。

3.2.2 磨損率與水膠比的關系

兩種骨料類型混凝土的磨損率與水膠比的關系曲線如圖4所示。從圖4可以明顯看出，無論是鐵礦砂石骨料混凝土還是天然砂石骨料混凝土，其磨損率都隨著水膠比的降低而降低。這表明水膠比的降低有利于減少混凝土的磨損程度，提高混凝土的耐磨性。

同時從圖4也可以發現，鐵礦砂石骨料混凝土的磨損率始終低于天然砂石骨料混凝土的磨損率，這表明鐵礦砂石骨料混凝土的耐磨性優于天然砂石骨料混凝土的耐磨性，這與骨料類型的差異有關。

3.2.3 抗磨蝕強度與抗壓強度的關系

混凝土的抗磨蝕強度與抗壓強度之間的關系受水膠比的影響，如圖5所示。當水膠比為0.21時，混凝土的抗磨蝕強度隨著抗壓強度的提高而增加，表明兩者呈正相關。

分析認為，水膠比較低時，混凝土的內部結構較緊密，有利于提高其耐磨性。當水膠比為0.31時，混凝土的抗磨蝕強度先隨著抗壓強度的提高而增加，達到一個最大值，然后隨著抗壓強度的繼續提高而下降，表明兩者存在一個最佳匹配點。水膠比過高時，混凝土的內部結構較松散，降低了其耐磨性。

3.2.4 磨損率與抗壓強度的關系

如圖6所示，混凝土的磨損率與抗壓強度之間存在一定的相關性，但這種相關性受水膠比的影響。當水膠比為0.21時，混凝土的磨損率隨抗壓強度的提高而降低，表明兩者呈負相關關系，即抗壓強度越高，混凝土越耐磨。

當水膠比為0.31時，混凝土的磨損率隨抗壓強度的變化呈現出先降后升的趨勢，表明兩者存在一個最優匹配點，在該點混凝土的磨損率達到最小值。如果抗壓強度繼續增加，混凝土的磨損率反而會增加，可能是由于水膠比過高造成混凝土內部結構不緊密，降低了其抗磨性能。

4 結束語

本文基于鐵力呼蘭河大橋工程，通過試驗研究了水膠比、骨料種類以及配合比對混凝土強度和抗磨蝕性能的影響。試驗混凝土水膠比取0.21、0.26、0.31、0.45，分別選取天然砂石骨料和人工破碎鐵礦砂石骨料兩種骨料，對達到養護齡期的樣品進行抗壓強都和抗磨蝕試驗。研究結論如下：

鐵礦砂石骨料混凝土的抗壓強度高于天然砂石骨料混凝土的抗壓強度，這說明骨料種類也對混凝土強度有顯著影響，人工破碎鐵礦砂石骨料的強度和硬度高于天然砂石骨料，因此可以提高混凝土的抗壓強度。

鐵礦砂石骨料混凝土的磨損率始終低于天然砂石骨料混凝土的磨損率，這表明鐵礦砂石骨料混凝土的耐磨性優于天然砂石骨料混凝土的耐磨性。

混凝土的抗磨蝕強度先隨著抗壓強度的提高而增加，達到一個最大值，然后隨著抗壓強度的繼續提高而下降，表明兩者存在一個最佳匹配點。這是因為水膠比過高時，混凝土的內部結構較松散，降低了其耐磨性。

參考文獻

[1] 王文龍.提高水工建筑物抗沖磨蝕性能對策探討[J].中國農村水利水電，2012（10）：98-101.

[2] 連曉飛，郭凱.鋼纖維增強水工混凝土的水力磨蝕性能研究[J].建筑機械，2023（4）：122-126.

[3] 陳國新，唐修生，祝燁然，等.幾種抗沖磨混凝土性能試驗研究[J].混凝土，2008（3）：72-74.

[4] 黃繼湯，田立言，李玉柱.在清水及挾沙水流中混凝土等脆性材料抗磨蝕性能的試驗研究[J].水利水電技術，1985（9）：8-11.

[5] 劉波，董海英.不同的抗沖磨材料對混凝土性能的影響[J].四川建材，2021，47（3）：21-22+24.

[6] 孟濤，李雙喜，常建軍，等.骨料品種對抵抗推移質泥沙顆粒磨蝕的混凝土性能影響[J].水利水電技術，2018，49（S1）：54-57.