超高性能纖維增強水泥基復(fù)合材料的抗沖磨性能研究

趙正，劉健，徐晶，姚欣，王俊顏，劉國平

（上海羅洋新材料科技有限公司，上海 200092）

超高性能纖維增強水泥基復(fù)合材料的抗沖磨性能研究

趙正，劉健，徐晶，姚欣，王俊顏，劉國平

（上海羅洋新材料科技有限公司，上海 200092）

水工泄洪建筑物的沖磨破壞現(xiàn)象較為普遍，給國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟損失，而當前的技術(shù)手段并不能有效解決問題，迫切需要新材料和新技術(shù)的產(chǎn)生和應(yīng)用．本文主要采用圓環(huán)法和水下鋼球法研究了超高性能纖維增強水泥基復(fù)合材料（UHPFRCC）的抗沖磨性能．結(jié)果表明：UHPFRCC可實現(xiàn)高流動度（擴展度可達690 mm）、超高強度（28 d抗壓強度可達190 MPa）、超高抗沖磨強度（28 d抗沖磨強度可達C50混凝土的5.5倍）．

UHPFRCC；超高強度；抗沖磨強度

0 引言

隨著中國經(jīng)濟的高速增長，能源的消耗量與日俱增，為保證經(jīng)濟的穩(wěn)定增長，能源供應(yīng)成為國家的當務(wù)之急，我國作為水能資源蘊藏量世界第1的國家（理論蘊藏量達60 829億千瓦時/年），水電開發(fā)必然成為能源供應(yīng)的重要組成部分．根據(jù)國家水電開發(fā)規(guī)劃，水電裝機容量在“十三五”末達到3.5億千瓦，2030年達到4.5億千瓦，除西藏外完成全國所有水電開發(fā)，可見在未來20年內(nèi)，大量的水電工程建設(shè)將在各大河流上展開，尤其是金沙江、雅礱江、大渡河、瀾滄江、怒江、黃河上游干流等6個規(guī)劃裝機容量合計超過2億千瓦、開發(fā)率較低的水電基地．

我國江河以含沙量高而聞名，例如黃河多年平均年輸砂量可達16.4億噸．據(jù)統(tǒng)計，我國年輸沙量超過1 000萬噸的河流多達42條．我國華北地區(qū)的河流，主要攜帶泥砂等懸移質(zhì)，尤其在汛期最為集中；而西南地區(qū)的河流，多系山區(qū)河流，河道內(nèi)常堆積大量塊石，這些塊石粒徑可達數(shù)10 cm，有的達1m以上，是造成水工建筑物沖磨破壞的推移質(zhì)的主要來源．推移質(zhì)以滾動、滑動和跳動的方式運動，其破壞力往往較懸移質(zhì)更大，常導(dǎo)致水工建筑物表面混凝土出現(xiàn)大面積脫落，進而使得鋼筋外露，對溢流面、消力池及泄洪洞等水工泄水建筑物造成功能性損傷，引起經(jīng)濟上的巨大損失．在我國的長江中、下游河流中，混凝土的沖磨破壞往往由懸移質(zhì)和推移質(zhì)共同引起．在高速水流過流區(qū)，挾砂水流對建筑物的破壞又表現(xiàn)為沖磨和空蝕2種破壞形式，兩者交替并且相互促進．

抗沖磨破壞給我國帶來巨大的經(jīng)濟損失，而目前的技術(shù)手段很難有效解決問題，因此迫切需要抗沖磨新材料、新技術(shù)的出現(xiàn)．超高性能纖維增強水泥基復(fù)合材料（ultrahigh performance fiber reinforced cementitious composites，UHPFRCC）以其超高強度、超高韌性、超高抵抗變形和開裂能力、超高耐久性和超長服役壽命等特性近年來成為國際復(fù)合材料行業(yè)的研究熱點，UHPFRCC的性能遠超過普通混凝土，可應(yīng)用于各類大跨度輕質(zhì)結(jié)構(gòu)、嚴苛腐蝕或凍融環(huán)境下的結(jié)構(gòu)、高耐磨結(jié)構(gòu)、抗暴抗沖擊國防工程、港口海洋工程、結(jié)構(gòu)抗震、橋梁工程、核電站工程等[1-3]．目前國內(nèi)外對UHPFRCC的抗沖磨性能研究較少，為促進UHPFRCC在水工抗沖磨結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，本文分別采用圓環(huán)法和水下鋼球法研究了UHPFRCC的抗沖磨性能．

1 試驗

1.1 UHPFRCC原材料及配合比

水泥采用PⅡ52.5硅酸鹽水泥，比表面積大于350 m2/kg；礦粉采用比表面積大于750 m2/kg的超細礦粉；硅粉采用比表面積大于20 000 m2/kg的超細硅粉；細集料采用細度模數(shù)為2.4的河砂；外加劑采用高效復(fù)合型外加劑，具有減水、降粘、保坍等多種功能，減水率大于30%；鋼纖維（SF）采用鍍銅超細鋼纖維，長度13 mm，長徑比為65，抗拉強度2 750 MPa，彈性模量200 GPa；聚乙烯醇纖維（PVAF）長度8 mm，直徑38m，抗拉強度1 500 MPa，彈性模量40 GPa．

表1 UHPFRCC組分質(zhì)量比例Tab.1 M ix proportions of UHPFRCC

表2 C50混凝土單方配合比kg/m3Tab.2 M ix proportions of C50 concrete

1.2 C50混凝土原材料及配合比

水泥采用PⅡ52.5硅酸鹽水泥，比表面積大于350m2/kg；粉煤灰采用二級灰；細集料采用細度模數(shù)為2.6的河砂；粗骨料采用5～20 mm的碎石；減水劑為聚羧酸系減水劑，減水率大于20%．

1.3 試驗方法

1）工作性

按照GB/T 50080《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》采用坍落度筒法測試UHPFRCC的擴展度，用鋼尺測量UHPFRCC擴展后最終的最大直徑和最小直徑，在這2個直徑之差小于50mm的條件下，用其算術(shù)平均值作為坍落擴展度值．

2）抗壓強度

UHPFRCC的7 d、28 d抗壓強度采用40 mm×40 mm×40 mm試件，每組6個試件，采用電液式壓力試驗機（符合GB/T 3722），加載速度為5～10 kN/s；C50混凝土7 d、28 d抗壓強度采用150 mm×150 mm× 150 mm試件．

3）圓環(huán)法抗沖磨試驗

按照DL/T 5150《水工混凝土試驗規(guī)程》4.18規(guī)定的試驗方法測試UHPFRCC和C50的抗沖磨強度（h/kg/m2），每組成型3個試件，以3個試件測值的平均值作為試驗結(jié)果，如單個測值與平均值的差值超過15%，則此值應(yīng)剔除，以余下2個測值的平均值作為試驗結(jié)果[4]．

4）水下鋼球法抗沖磨試驗

按照DL/T 5150《水工混凝土試驗規(guī)程》4.19規(guī)定的試驗方法測試UHPFRCC和C50的抗沖磨強度（h/kg/m2），每組成型3個試件，試驗結(jié)果的處理方法同圓環(huán)法抗沖磨試驗[4]．

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 工作性能

UHPFRCC膠凝材料用量較大，水膠比較低，體系粘度較高，但在良好的顆粒級配及高效外加劑作用下可以實現(xiàn)較高的工作性能[5]．由表3可知，3組UHPFRCC的初始擴展度均能達到665mm以上，已經(jīng)達到自流平混凝土的擴展度要求（650～750mm）；在配合比其它組分相同僅纖維種類和摻量不同情況下，UF-3（摻0.5%體積率PVAF）的工作性比UF-1（摻2%體積率SF）差，可見柔性纖維對UHPFRCC的工作性影響更大．

2.2 抗壓強度

UHPFRCC的一個顯著特性就是超高強度，普通養(yǎng)護條件下28 d抗壓強度可達到150～250 MPa，蒸養(yǎng)條件下可以達到更高．UHPFRCC的超高強度是因其極低的水膠比（0.1～0.2）以及原材料達成的緊密堆積，膠凝材料水化后形成極其致密的凝膠結(jié)構(gòu)，總孔隙率達到6%以下．

表4為UHPFRCC及C50混凝土7 d、28 d抗壓強度，數(shù)據(jù)表明纖維種類和摻量對UHPFRCC的強度影響較大．相同纖維體積摻量下，UF-2的7 d、28 d抗壓強度分別比UF-3高11.5%和26.6%，可見纖維的材質(zhì)和性能對UHPFRCC力學(xué)性能有重要影響；UF-1的SF摻量高于UF-2，7 d、28 d抗壓強度分別比UF-2高26.3%和19.3%，這表明SF摻量提高可以顯著提高UHPFRCC的力學(xué)性能．

2.3 抗沖磨性能

材料的抗沖磨性能與材料的微觀結(jié)構(gòu)及宏觀力學(xué)性能有密切關(guān)系，一般來說微觀結(jié)構(gòu)越致密、化學(xué)鍵越強、分子力越大，宏觀力學(xué)性能越高，材料抗沖磨強度也就越高．目前水工泄洪建筑物的抗沖磨混凝土設(shè)計主要通過提高強度等級來增強抗沖磨性能，常用的抗沖磨混凝土為C40～C60，即便如此混凝土的沖磨破壞依然十分嚴重，因此亟需更高抗沖磨性能的材料的出現(xiàn)[6]．

2.3.1 圓環(huán)法

圓環(huán)法試驗是模擬水流介質(zhì)中懸移質(zhì)對水工材料的磨蝕破壞，圖1為UHPFRCC和C50混凝土圓環(huán)法試驗結(jié)果，結(jié)果表明：UF-1的7 d、28 d抗沖磨強度最高，UF-2、UF-3次之，C50最低，UF-1的7 d、28 d抗沖磨強度分別為C50的3.2倍、3.7倍，UF-2的7 d、28 d抗沖磨強度分別為C50的2.5倍、2.6倍，UF-3的7 d、28 d抗沖磨強度分別為C50的2.5和2.4倍，可見UHPFRCC與普通混凝土相比具有超高的抗沖磨性能．結(jié)合表4和圖1可知，抗沖磨強度與抗壓強度存在正相關(guān)關(guān)系，通過線性回歸法得出兩者之間存在較好的線性關(guān)系（見圖2），R2值為0.954 7，非常接近1，說明曲線擬合程度和可靠性很高，因此可通過圖2中的方程推算已知抗壓強度的水泥基材料的抗沖磨強度[7]．

2.3.2 水下鋼球法

水下鋼球法試驗是模擬水流介質(zhì)中推移質(zhì)對水工材料的磨蝕破壞，圖3為UHPFRCC和C50混凝土水下鋼球法試驗結(jié)果，結(jié)果表明：UF-1的7 d、28 d抗沖磨強度最高，UF-2、UF-3次之，C50最低，UF-1的7 d、28d抗沖磨強度分別為C50的5.5倍、5.4倍，UF-2的7 d、28 d抗沖磨強度分別為C50的4.3倍、4.5倍，UF-3的7 d、28 d抗沖磨強度分別為C50的4.1和3.8倍，可見UHPFRCC與普通混凝土相比具有超高的抗沖磨性能，且在推移質(zhì)作為沖磨介質(zhì)條件下UHPFRCC的抗沖磨性能優(yōu)勢更加突出．結(jié)合表4和圖3可知，水下鋼球法抗沖磨強度與抗壓強度存在正相關(guān)關(guān)系，通過線性回歸法得出兩者之間存在較好的線性關(guān)系（見圖4），R2值為0.980 6，說明曲線擬合程度和可靠性很高，因此可通過圖4中方程推算已知抗壓強度的UHPFRCC的抗沖磨強度．

表3 UHPFRCC的工作性能Tab.3 Workability of UHPFRCC

表4 UHPFRCC及C50混凝土7 d、28 d抗壓強度Tab.4 Compressive strengths of UHPFRCC and C50 concrete at 7 and 28 days

圖1 UHPFRCC和C50混凝土抗沖磨強度（圓環(huán)法）Fig.1 Abrasion resistance strengths(ring test)of UHPFRCC and C50 concrete

圖2 抗壓強度與抗沖磨強度（圓環(huán)法）線性回歸曲線Fig.2 Linear regression curve of compressive strengths and abrasion resistance strengths(ring test)

圖3 UHPFRCC和C50混凝土抗沖磨強度（水下鋼球法）Fig.3 Abrasion resistance strengths(underw ater steel balls method)of UHPFRCC and C50 concrete

圖4 抗壓強度與抗沖磨強度（水下鋼球法）線性回歸曲線Fig.4 Linear regression curve of compressive strengths and abrasion resistance strengths(underwater steel balls method)

3 結(jié)論

1）UHPFRCC在良好顆粒級配及高效復(fù)合外加劑作用下可實現(xiàn)較高流動性能，擴展度可達到690mm．

2）UHPFRCC具有超高強度的特性，UF-1的7 d抗壓強度可達到170 MPa以上、28 d抗壓強度可達到190 MPa以上；纖維的材質(zhì)和摻量對UHPFRCC的抗壓強度影響較大，SF摻量提高可增加UHPFRCC的抗壓強度．

3）UHPFRCC具有超高的抗沖磨性能，圓環(huán)法和水下鋼球法抗沖磨試驗結(jié)果表明，UHPFRCC的7 d抗沖磨強度分別可以達到C50混凝土的2.5倍至3.2倍、4.1倍至5.5倍，28d抗沖磨強度分別可以達到C50混凝土的2.4倍至3.7倍、3.8倍至5.4倍；線性回歸分析表明圓環(huán)法和水下鋼球法試驗抗沖磨強度與抗壓強度均存在良好的線性關(guān)系，可通過線性回歸方程推算抗沖磨強度．

[1]RedaM M，Shrive NG，GillottJE．M icrostructuralinvestigationof innovativeUHPC[J]．Cementand ConcreteResearch，1999，29（3）：323-329．

[2]Horszczaruk E．Abrasion resistance of high-strength concrete in hydraulic structures[J]．Wear，2005，259（1-6）：62-69．

[3]戎志丹，孫偉，陳惠蘇，等．超高性能水泥基材料的力學(xué)行為及機理分析[J]．深圳大學(xué)學(xué)報理工版，2010，27（1）：88-94．

[4]DL/T 5150，水工混凝土試驗規(guī)程[S]．

[5]Yu R，Spiesz P，Brouwers H J H．M ix design and properties assessment of U ltra-High Performance Fibre Reinforced Concrete(UHPFRC)[J]．Cement and Concrete Research，2014，56（2）：29-39．

[6]Horszczaruk E．Hydro-abrasive erosion of high performance fiber-reinforced concrete[J]．Wear，2009，267（1-4）：110-115．

[7]Horszczaruk E．M athem atical model of abrasive wear of high perform ance concrete[J]．Wear，2008，264（1-2）：113-118．

[責(zé)任編輯 楊屹]

Research on abrasion resistance strengths of ultra high performance fiber reinforced cementitious composites

ZHAO Zheng，LIU Jian，XU Jing，YAO Xin，WANG Junyan，LIU Guoping

(Shanghai Royang Innovative M aterial Technologies Co Ltd,Shanghai 200092,China)

Damageofhydraulic structurescaused by abrasion is very common and brings huge economic loss,however technologies available at present can hardly solve the problems effectively,so new materials and technologies are strongly needed.Ring tests and underwater steel balls methods are undertaken in this paper to research on the abrasion resistance strengths of UHPFRCC.The results indicate that UHPFRCC can be designed to have a very high flowability(reach a slum p flow of690mm),ultrahighstrengths(w ith compressive strength of 190MPa at28 d),ultrahigh abrasion resistance strengths(5.5 times of C50 concrete at 28 d).

UHPFRCC;ultra high strength;abrasion resistance strength

TU 528.58

A

1007-2373(2015)06-0108-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.06.021

2014-09-27

國家自然科學(xué)基金（51378011）；上海市引進技術(shù)的吸收與創(chuàng)新年度計劃（13Ⅺ-41）

趙正（1986-），男（漢族），工程師，aaron.zhao@royang.com．