粉煤灰對水工混凝土抗沖磨性能影響研究

姚琪欽

（健研檢測集團(tuán)有限公司，福建 廈門 361000）

0 前言

水工建筑物的磨蝕破壞大多是由于在服役過程中水顆粒（粉砂、砂礫和其他固體顆粒）對混凝土表面的沖磨造成[1]。對于經(jīng)常受到?jīng)_磨作用的水工建筑物，維護(hù)成本成為最為突出的問題，并且隨著時(shí)間延長，構(gòu)筑物的服役壽命也大為縮短。為保護(hù)水工混凝土結(jié)構(gòu)免受磨損侵蝕，需要耐用和抗磨損的混凝土。

混凝土的抗沖磨性能受集料性能及用量、混凝土強(qiáng)度、配合比、膠凝材料用量、纖維摻量、養(yǎng)護(hù)條件、表面光潔度等因素的影響[2-4]。諸多研究表明[5]，混凝土的耐磨性主要取決于混凝土的抗壓強(qiáng)度。因此，通過增加膠凝材料用量、活性以及降低水膠比等手段被廣泛用于水工混凝土的配制，但過多的膠凝材料用量會(huì)增加水泥水化過程的放熱量，從而引起溫度裂縫問題。為解決這一問題，粉煤灰、礦粉、硅灰等礦物摻合料被用于水工混凝土的配制，以降低其開裂的風(fēng)險(xiǎn)。為此，本文以粉煤灰等質(zhì)量取代水泥制備水工混凝土，研究了不同水膠比和粉煤灰取代率條件下混凝土的抗沖磨性能，并采用引入磨損因子的方法，加強(qiáng)了水膠比、抗壓強(qiáng)度與磨損深度之間的相關(guān)關(guān)系，其研究成果可為水工混凝土配制及應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：海螺P·O42.5水泥，符合GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求，比表面積339 m2/kg，主要化學(xué)成分見表1；粉煤灰：F類Ⅱ級，細(xì)度（45μm篩篩余）29.52%，主要化學(xué)成分見表1；細(xì)骨料：天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.9，密度2.65 g/cm3，其級配符合GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》中規(guī)定的Ⅱ區(qū)范圍；粗骨料：級配碎石，最大粒徑19 mm，密度2.64 g/cm3；減水劑：江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的高性能聚羧酸減水劑，減水率26.5%，固含量39%；水：自來水。

表1 水泥和粉煤灰的主要化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)配合比

研究了不同水膠比（0.54、0.45、0.33、0.28）以及粉煤灰摻量（0、15%、20%、25%、30%）條件下混凝土的抗沖磨性能，其中粉煤灰等質(zhì)量取代水泥，通過調(diào)整砂率以及減水劑摻量使得混凝土拌合物的出機(jī)坍落度控制在（200±10）mm，并且具有良好的黏聚性和保水性，混凝土配合比見表2。

表2 混凝土的配合比

1.3 測試方法

依據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，相同配比成型3組100 mm×100 mm×100 mm試件，成型后靜置24 h，第2 d拆模后放入混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室[溫度（20±2）℃，相對濕度＞95%]中，養(yǎng)護(hù)至28、60、90、180 d齡期后采用萬能試驗(yàn)機(jī)測試其抗壓強(qiáng)度。

對養(yǎng)護(hù)至28 d和90 d齡期的試件，采用混凝土抗沖磨試驗(yàn)機(jī)對試件的抗沖磨性能進(jìn)行測試，以磨損深度表示。

2 結(jié)果與討論

2.1 水膠比對抗沖磨性能的影響

未摻粉煤灰條件下，不同齡期時(shí)水膠比對磨損深度的影響如圖1所示。

圖1 未摻粉煤灰時(shí)水膠比對磨損深度的影響

由圖1可以看出，無論是28 d齡期還是90 d齡期，磨損深度均隨著水膠比的增加而增大，水膠比從0.28增加到0.53，混凝土的磨損深度增大了約67%，這表明水膠比的增加降低了混凝土的抗沖磨性能。相同水膠比時(shí)，90 d齡期試件的磨損深度比28 d齡期的試件降低了20%以上，這表明隨著水泥水化的進(jìn)行，有利于混凝土構(gòu)件抗磨損性能的提高。

當(dāng)在混凝土配合比中摻入15%～30%粉煤灰后，28 d和90 d齡期時(shí)水膠比對磨損深度影響如圖2所示。

圖2 摻加粉煤灰時(shí)水膠比對磨損深度的影響

由圖2可見，在摻入粉煤灰時(shí)，水膠比與磨損深度存在一定的相關(guān)性，且磨損深度隨著水膠比的增加而增大。水膠比（W/B）與28 d、90 d齡期磨損深度（H28、H90）擬合關(guān)系分別見式（1）和式（2）。

結(jié)合圖1和圖2可知，水膠比對混凝土抗磨損性能的影響在摻或未摻粉煤灰時(shí)均表現(xiàn)出類似結(jié)果。

2.2 抗壓強(qiáng)度與磨損深度的關(guān)系

以28 d、90 d抗壓強(qiáng)度為橫坐標(biāo)，對應(yīng)齡期的磨損深度為縱坐標(biāo)繪圖并進(jìn)行擬合分析，其結(jié)果見圖3。

圖3 抗壓強(qiáng)度與磨損深度的相關(guān)關(guān)系

由圖3可見，在混凝土中摻加0～30%粉煤灰時(shí)，磨損深度均隨著抗壓強(qiáng)度的提高而減小?？箟簭?qiáng)度fc-磨損深度H的擬合關(guān)系見式（3）。

式（3）的相關(guān)系數(shù)為0.863，表明抗壓強(qiáng)度與磨損深度之間存在一定的相關(guān)性，即抗壓強(qiáng)度是磨損深度的影響因素之一，隨著抗壓強(qiáng)度的提高，磨損深度減小。

2.3 粉煤灰摻量的影響

28 d、90 d齡期時(shí)，在不同水膠比條件下粉煤灰摻量與磨損深度的關(guān)系見圖4。

圖4 在不同水膠比條件下粉煤灰摻量與磨損深度的關(guān)系

由圖4可以看出，當(dāng)粉煤灰摻量為15%時(shí)，混凝土的抗沖磨性能與不摻粉煤灰的混凝土基本相當(dāng)；當(dāng)粉煤灰摻量超過15%后，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的磨損深度增加，抗沖磨性能降低。

在不考慮齡期的條件下，對不同粉煤灰摻量時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度與對應(yīng)的磨損深度進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果見圖5，抗壓強(qiáng)度與磨損深度的擬合公式圖見表3。

圖5 不同粉煤灰摻量下抗壓強(qiáng)度與磨損深度的關(guān)系

表3 抗壓強(qiáng)度與磨損深度的擬合公式圖

由圖5和表3可見，抗壓強(qiáng)度與磨損深度的相關(guān)系數(shù)在0.910～0.996，表明在不同粉煤灰摻量時(shí)，抗壓強(qiáng)度與混凝土磨損深度之間具有顯著的相關(guān)關(guān)系，即隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的抗沖磨性能逐漸降低。

結(jié)合本文以及其他研究者的研究結(jié)論可以發(fā)現(xiàn)，抗壓強(qiáng)度是影響混凝土耐磨性能的最主要因素之一[6-7]，這主要是由于混凝土抗壓強(qiáng)度是其密實(shí)度的反映，密實(shí)度越高，強(qiáng)度越高，混凝土在密實(shí)度增加的同時(shí)，減少了骨料-漿體之間界面過渡區(qū)的缺陷數(shù)量，從而有利于混凝土耐磨性的提高。

2.4 磨損深度預(yù)測優(yōu)化

對比圖5和圖3的結(jié)果可知，不同粉煤灰摻量條件下混凝土試件的抗壓強(qiáng)度-磨損深度的相關(guān)性顯著高于無粉煤灰摻量組，這表明在對混凝土抗壓強(qiáng)度和磨損深度進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析時(shí)，粉煤灰摻量是一個(gè)不可忽略的因素。根據(jù)前面的研究結(jié)果，當(dāng)粉煤灰摻量不超過15%時(shí)，粉煤灰對混凝土的磨損性能無明顯影響，當(dāng)粉煤灰超摻量過15%后開始對混凝土抗磨損性能產(chǎn)生不利影響，因此，定義混凝土的有效抗壓強(qiáng)度fce是與粉煤灰摻量（ω，%）有關(guān)的參數(shù)，其計(jì)算方法見式（4）：

式中：k——磨損因子，是與粉煤灰摻量有關(guān)的參數(shù)，當(dāng)粉煤灰摻量不超過15%時(shí)，k=1；當(dāng)超粉煤灰摻量過15%后，k=1+ω。

將圖3根據(jù)式（4）進(jìn)行優(yōu)化后的結(jié)果見圖6，抗壓強(qiáng)度與磨損深度經(jīng)過優(yōu)化的擬合關(guān)系見式（5）。

圖6 優(yōu)化后抗壓強(qiáng)度與磨損深度的關(guān)系

優(yōu)化后式（5）的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.942，明顯高于優(yōu)化前的0.863，經(jīng)過優(yōu)化后的抗壓強(qiáng)度與磨損深度呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)性。

同理，以磨損因子對水膠比進(jìn)行優(yōu)化，定義優(yōu)化后的水膠比為有效水膠比W/Be，其計(jì)算見式（6）：

經(jīng)過優(yōu)化后水膠比與磨損深度的相關(guān)關(guān)系見圖7，28 d、90 d的擬合關(guān)系分別見式（7）和式（8）。

圖7 優(yōu)化后水膠比與磨損深度的相關(guān)關(guān)系

經(jīng)過優(yōu)化后的28 d、90 d齡期的水膠比-磨損深度之間的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到了0.910和0.904，遠(yuǎn)超過優(yōu)化前的0.775和0.626，這表明經(jīng)過優(yōu)化后的水膠比-磨損深度之間呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)性。

綜上分析，通過粉煤灰磨損因子對抗壓強(qiáng)度-磨損深度的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化，其結(jié)果可以對不同強(qiáng)度等級的混凝土的磨損深度進(jìn)行預(yù)測。另外，由于水膠比與混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，采用粉煤灰磨損因子對水膠比-磨損深度的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化，也可以對不同水膠比的混凝土磨損深度進(jìn)行預(yù)測，其結(jié)果具有較高的可信度。

3 結(jié)論

（1）無論是否在混凝土配合比中摻加粉煤灰，不同齡期的磨損深度均隨著水膠比的增加而增大。

（2）抗壓強(qiáng)度是影響磨損深度的重要因素，且無論是否摻加粉煤灰，磨損深度均隨著抗壓強(qiáng)度的提高而減小。

（3）粉煤灰摻量在15%以內(nèi)對混凝土抗磨性能無明顯影響，當(dāng)其摻量超過15%后，隨著粉煤灰摻量增加，混凝土抗磨損性能降低。

（4）通過引入與粉煤灰摻量有關(guān)的磨損因子可以增加水膠比和抗壓強(qiáng)度與磨損深度的相關(guān)性，增加預(yù)測的準(zhǔn)確性。