水膠比對(duì)混凝土抗沖磨性能的影響

金自強(qiáng)，朱炎寧，張濤，艾洪祥

（中建西部建設(shè)股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

水膠比對(duì)混凝土抗沖磨性能的影響

金自強(qiáng)，朱炎寧，張濤，艾洪祥

（中建西部建設(shè)股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

本文采用天然石+天然砂、鐵礦石+鐵礦砂兩種骨料組合，以 0.21、0.26、0.31、0.45 四個(gè)水膠比配制混凝土，進(jìn)行抗壓試驗(yàn)和抗沖磨試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析得出：隨著水膠比的減小，混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗沖磨性能逐步提高。但當(dāng)水膠比W/C≤0.31 時(shí)，進(jìn)一步降低水膠比對(duì)于混凝土抗沖磨性能的提高不夠明顯。因此，在實(shí)際工程中，應(yīng)控制其水膠比在較小范圍內(nèi)，但當(dāng)水膠比已經(jīng)控制在較小的情況下，不必刻意追求更低的水膠比。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，當(dāng) W/C≤0.31 時(shí)，水膠比對(duì)不同骨料種類(lèi)混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗沖磨性能的影響不盡相同，骨料種類(lèi)對(duì)混凝土的性能有一定的影響。

混凝土；水膠比；抗沖磨性能

0 前言

眾所周知，降低水膠比可以提高混凝土的密實(shí)程度，改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，減小混凝土中有害孔的數(shù)量和比例[1]。另外，降低水膠比還可以提高混凝土中水泥石及其界面過(guò)渡區(qū)的強(qiáng)度和硬度，從而提高混凝土強(qiáng)度和抗沖磨性能。但是，水膠比過(guò)低，會(huì)極大地提高混凝土的粘聚性，從而導(dǎo)致混凝土坍落度損失加快[2]。在實(shí)際工程運(yùn)用中，由于現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境的差異，常出現(xiàn)施工性能較差、振搗不易、抹面困難等現(xiàn)象，使得施工時(shí)間更加緊迫，同時(shí)也不能保證混凝土的施工質(zhì)量，給現(xiàn)場(chǎng)施工帶來(lái)不便和麻煩。同時(shí)，水膠比過(guò)低時(shí)會(huì)使得混凝土的水泥砂漿過(guò)多，混凝土中水泥石比例變大，粗骨料相對(duì)含量減小。由于水泥石的抗沖磨性能遠(yuǎn)不如粗骨料的抗沖磨性能，混凝土抗沖磨性能可能不增反降[3-4]。因此，很有必要對(duì)混凝土的水膠比進(jìn)行具體研究，探究不同水膠比對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、抗沖磨性能的影響。

1 試驗(yàn)原材料

水泥：新疆天山牌普通硅酸鹽 52.5 水泥。

硅粉：寧夏硅鐵廠生產(chǎn)的微硅粉。

粉煤灰：新疆瑪納斯電廠Ⅰ級(jí)粉煤灰。

減水劑：新疆科能有限責(zé)任公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑，其固含量為 39%。

骨料：采用兩種細(xì)骨料、兩種粗骨料。其中，細(xì)骨料分別為：天然砂，其細(xì)度模數(shù)為 2.69；安徽人工破碎鐵礦砂，其細(xì)度模數(shù)為 3.16。粗骨料分別為天然卵石以及安徽人工破碎鐵礦石，骨料顆粒粒徑為 5～20mm，級(jí)配連續(xù)。

水：烏魯木齊市自來(lái)水。

2 試驗(yàn)方法

2.1 混凝土的拌合及養(yǎng)護(hù)

混凝土拌合采用 HJW–60 強(qiáng)制式單臥軸式混凝土攪拌機(jī)，攪拌機(jī)最大容量為 60L。制作的抗壓試件、抗沖磨試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度為 (18±2)℃，濕度大于 90%）中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù) 24h 后拆模，將拆模后的試件繼續(xù)放入養(yǎng)護(hù)室，養(yǎng)護(hù)至需要齡期，再進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)[5]。

2.2 混凝土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

采用 YAW4206 型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

2.3 混凝土的抗沖磨試驗(yàn)

本文選用水下鋼球法進(jìn)行抗沖磨試驗(yàn)。其具體要求依據(jù)SL 352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》和 DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定[5-6]。

試驗(yàn)儀器為南京水利科學(xué)研究院生產(chǎn)的 HKS–Ⅱ型混凝土抗沖磨試驗(yàn)機(jī)。

混凝土抗沖磨試件為直徑 300mm、高 100mm 的圓柱體。試驗(yàn)前將試塊在水中浸泡 48h 以上，進(jìn)行試驗(yàn)前先測(cè)量抗沖磨試件質(zhì)量，記為 M1；試驗(yàn)后測(cè)其質(zhì)量，記為 M2。評(píng)價(jià)混凝土抗沖磨性能的指標(biāo)為抗沖磨強(qiáng)度和磨損率。

抗沖磨強(qiáng)度按下式計(jì)算：

式中：

Rn——抗沖磨強(qiáng)度，h/(kg/m2)；

T——試驗(yàn)累計(jì)時(shí)間，h；

A——試件受沖磨面積，m2；

M1、M2——試驗(yàn)前和試驗(yàn)后試件的質(zhì)量，kg。

磨損率按下式計(jì)算：

式中：L——磨損率，%。

3 試驗(yàn)方案及混凝土配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)參照 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》中的質(zhì)量法來(lái)進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)。以計(jì)算的理論配合比為基礎(chǔ)，在實(shí)驗(yàn)室根據(jù)混凝土具體狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，制作抗壓試件和抗沖磨試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，測(cè) 3d、7d、28d、60d、120d 抗壓強(qiáng)度，對(duì)養(yǎng)護(hù) 28d 的抗沖磨試件進(jìn)行抗沖磨試驗(yàn)。不同水膠比的混凝土配合比分別見(jiàn)表 1。

表1　不同水膠比混凝土配合比表

4 試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)果分析

4.1 抗壓試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)兩種不同骨料組合各不同配合比混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表 2，不同齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度變化曲線分別見(jiàn)圖1、圖2。

表2　不同水膠比混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖1　天然砂石骨料混凝土強(qiáng)度曲線

圖2　鐵礦砂石骨料混凝土強(qiáng)度曲線

分析表 2 和圖1、圖2，在硅粉摻量、粉煤灰摻量、骨料種類(lèi)、粗骨料最大粒徑相同的情況下，水膠比變化對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響有以下規(guī)律：

（1）水膠比對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響較大。兩種不同種類(lèi)骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度都隨水膠比的減小而提高。對(duì)于天然砂石骨料混凝土，水膠比由 0.31 減小到 0.26，混凝土3d、7d、28d、60d 強(qiáng)度分別提高 15.53%、15.64%、6.40%、2.23%；水膠比由 0.26 減小到 0.21，混凝土 3d、7d、28d、60d 強(qiáng)度分別提高 7.15%、16.70%、2.21%、4.02%。對(duì)于鐵礦砂石混凝土，水膠比由 0.31 減小到 0.26，混凝土 3d、7d、28d、60d 強(qiáng)度分別提高 24.02%、11.73%、4.39%、4.07%；水膠比由 0.26 減小到 0.21，混凝土 3d、7d、28d、60d 強(qiáng)度分別提高 1.22%、0.89%、9.37%、6.51%。

（2）對(duì)于天然砂石骨料混凝土，當(dāng)水膠比從 0.31 增大到 0.45 時(shí)，其抗壓強(qiáng)度下降較明顯。水膠比由 0.45 減小到 0.31，混凝土 3d、7d、28d、60d 強(qiáng)度分別提高 29.57%、27.82%、36.47%、50.66%。但當(dāng)水膠比 W/C≤0.31 時(shí)，進(jìn)一步降低水膠比，混凝土的抗壓強(qiáng)度增大相對(duì)較小。

（3）當(dāng)水膠比 W/C≤0.31 時(shí)，進(jìn)一步降低水膠比，天然砂石骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的提高程度不如鐵礦砂石骨料混凝土。即在較低水膠比情況下，水膠比對(duì)鐵礦砂石骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響大于其對(duì)天然砂石骨料混凝土的影響。

（4）水膠比對(duì)混凝土強(qiáng)度的前期影響小于其對(duì)混凝土后期的影響。

4.2 抗沖磨試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)兩種不同骨料組合各不同配合比混凝土的抗沖磨試件，養(yǎng)護(hù) 28d 后進(jìn)行抗沖磨試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表 3；混凝土抗沖磨強(qiáng)度、磨損率隨水膠比的變化曲線分別見(jiàn)圖3、圖4；混凝土抗沖磨強(qiáng)度、磨損率隨抗壓強(qiáng)度的變化曲線分別見(jiàn)圖5、圖6。

表3　不同水膠比混凝土抗沖磨試驗(yàn)結(jié)果

圖3　混凝土抗沖磨強(qiáng)度隨水膠比變化圖

圖4　混凝土磨損率隨水膠比變化圖

圖5　混凝土抗沖磨強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系圖

圖6　混凝土磨損率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系圖

分析表 3 和圖3 至圖6，在硅粉摻量、粉煤灰摻量、骨料種類(lèi)、粗骨料最大粒徑相同的情況下，水膠比變化對(duì)混凝土抗沖磨性能的影響有以下規(guī)律：

（1）兩種不同種類(lèi)骨料混凝土的抗沖磨強(qiáng)度都隨水膠比的減小而提高，磨損率隨水膠比的減小而減小。由于混凝土的抗沖磨性能隨抗沖磨強(qiáng)度的增大而變大，隨磨損率的減小而增大，因此，兩種不同種類(lèi)骨料混凝土的抗沖磨性能都隨水膠比的減小有所提高；但是，總體而言，在水膠比 W/ C≤0.31 情況下，進(jìn)一步降低水膠比對(duì)于混凝土抗沖磨性能的提高不夠明顯。

（2）兩種不同種類(lèi)骨料混凝土抗沖磨性能對(duì)水膠比變化的敏感程度略有不同，在水膠比 W/C≤0.31 情況下，進(jìn)一步降低水膠比，天然砂石骨料混凝土抗沖磨性能的提高程度不如鐵礦砂石骨料混凝土。即在較低水膠比情況下，水膠比對(duì)鐵礦砂石骨料混凝土抗沖磨性能的影響大于其對(duì)天然砂石骨料混凝土的影響。

（3）對(duì)于天然砂石骨料混凝土，當(dāng)水膠比從 0.31 增大到 0.45 時(shí)，其抗沖磨性能顯著下降，說(shuō)明在實(shí)際工程中若采用天然砂石骨料混凝土?xí)r，應(yīng)控制其水膠比在較低范圍內(nèi)。

（4）水膠比對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響大于其對(duì)混凝土抗沖磨性能的影響。隨水膠的減小，各不同水膠比混凝土之間的抗壓強(qiáng)度都有比較明顯的差異；但當(dāng) W/C≤0.31 時(shí)，減小水膠比，對(duì)混凝土抗沖磨性能的提高程度相對(duì)較小。

5 小結(jié)

通過(guò)前文試驗(yàn)可以得到以下結(jié)論：

（1）降低水膠比，有利于提高混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗沖磨性能。用于抵抗推移質(zhì)泥沙沖磨的混凝土，應(yīng)控制其水膠比在較小范圍內(nèi)。

（2）試驗(yàn)發(fā)現(xiàn) W/C=0.31、0.26、0.21 時(shí)，混凝土抗沖磨性能相差較小。說(shuō)明在水膠比 W/C≤0.31 的情況下，進(jìn)一步降低水膠比對(duì)于混凝土抗沖磨性能的提高不夠明顯。

（3）當(dāng) W/C≤0.31 時(shí)，水膠比對(duì)鐵礦砂石骨料混凝土抗壓強(qiáng)度、抗沖磨性能的影響大于其對(duì)天然砂石骨料混凝土的影響。當(dāng) W/C≥0.31 時(shí)，水膠比對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響大于其對(duì)混凝土抗沖磨性能的影響。

[1] 霍亮，張濤，藺喜強(qiáng)，等． 低水膠比混凝土力學(xué)性能及水化物相微觀結(jié)構(gòu)[J]．混凝土，2014,(3): 55-58+63．

[2] 王國(guó)輝． 關(guān)于高性能混凝土的研究探討[J]．江西建材，2014, (24): 2．

[3] 廖碧娥，白福來(lái)．影響混凝土耐沖磨性若干因素的試驗(yàn)研究[J]．水利水電技術(shù)，1985, 12(9): 11–16．

[4] Suresh A, Harsha A P,Ghosh M K. Solid particle erosion of unidirectional fibre reinforced thermoplastic composites[J]. Wear, 2009, 267(9):1516–1524.

[5] SL 352—2006．水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程[S]．

[6] DL/T 5150—2001．水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程[S]．

［通訊地址］新疆烏魯木齊市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)丹霞山街 666號(hào)（830000）

The influence of water-binder ratio on the anti scouring and abrasive resistant performance of concrete

Jin Ziqiang, Zhu Yanning, Zhang Tao, Ai Hongxiang
(China West Construction Group Company, Xinjiang Urumqi 830000)

This paper used two aggregate combinations which are natural stone & natural sand, iron ore & iron sand, and four concrete water-binder ratio ( 0.21, 0.26, 0.31, 0.45 ) to produce concrete, then tested their compressive strength and abrasion resistance. The test results show that, with the decrease of water cement ratio, the compressive strength and wear resistance of concrete are increased gradually. But when water-binder ratio is less than or equals to 0.31, further reducing water binder ratio the anti abrasion performance improvement is not obvious. Therefore, in the actual project, it should be controlled in a smaller range of water cement ratio, but when the water-binder ratio has been controlled in a small case, it does not have to deliberately pursue lower water cement ratio. It is also found that when the water-binder ratio is less than or equals to 0.31, the influence of water-binder tratio on different kinds of aggregate concretes, the’ compressive strength and abrasion resistance properties is different, aggregate types have some influence on the performance of concrete.

concrete; water-binder ratio; abrasion resistance property

金自強(qiáng)（1960—），男，本科學(xué)歷， 工程師，現(xiàn)任中建西部建設(shè)新疆有限公司董事長(zhǎng)，長(zhǎng)期從事混凝土生產(chǎn)質(zhì)量管理和混凝土技術(shù)的研究工作。