矿物掺合料对水工高性能抗冲磨混凝土特性的影响研究

文章编号:1006—2610(2024)01—0008—06
矿物掺合料对水工高性能抗冲磨混凝土特性的影响研究
卢浩丹1,贺晶晶1,2,3,张　勇1,3,刘立峰1,2,陈书军4,包想军4,陈双蛮4
(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安710065;2.西安市清洁能源数字化技术重点实验室,西安710065;3.坝道工程医院西北水电分院,西安710065;4.中国水利水电第三工程局有限公司,西安710024)
摘　要:针对不同种类、不同掺量矿物掺合料的高性能抗冲磨混凝土开展试验研究,探讨矿物掺合料对混凝土抗冲磨性能的影响规律,分析矿物掺合料改善混凝土抗冲磨性能的机理。

结果表明:掺入矿物掺合料后,混凝土的抗压强度、抗冲磨强度均有显著地提高,脆性系数有一定程度的降低;混凝土抗压强度提升高达7%,脆性系数降低了约5%;抗冲磨强度提高了12%~19%。

研究成果可为抗冲磨混凝土配合比设计及工程应用提供参考。

关键词:抗冲磨强度;脆性系数;微观结构
中图分类号:TU528 文献标志码:A DOI :10.3969/j.issn.1006-2610.2024.01.002
Study on the Influence of Mineral Admixtures on the Properties of
Hydraulic High -Performance Abrasion -Resistant Concrete
LU Haodan 1,HE Jingjing 1,2,3,ZHANG Yong 1,3,LIU Lifeng 1,2,CHEN Shujun 4,BAO Xiangjun 4,CHEN Shuangman 4
(1.PowerChina Northwest Engineering Corporation Limited ,Xi'an　710065,China ;2.Xi'an Key Laboratory of Clean Energy Digital Technology ,Xi'an　710065,China ;
3.BeSTDR Infrastructure Hospital of NWE ,Xi'an 710065,China ;
4.PowerChina Sinohydro Bureau 3Co.,Ltd.,Xi'an 710024,China )
Abstract :Experimental study is carried out on high-performance abrasion resistant concrete with different types and different amounts of mineral admixtures to explore the influence of mineral admixtures on the erosion-resistant performance of the concrete and analyze how mineral admixtures improve the abrasion resistant performance mechanism of the concrete.The results show that after adding mineral ad⁃mixtures ,the compressive strength and abrasion resistance of concrete are significantly improved ,and the brittleness coefficient is reduced to a certain extent ;the compressive strength of concrete is increased by up to 7%,and the brittleness coefficient is reduced by 5%;the impact resistance is increased by 12%to 19%.The study results can provide reference for the mix design and engineering application of abrasion resistant concrete.
Key words :abrasion resistance ;brittleness coefficient ;microstructure
收稿日期:2024-09-08
作者简介:卢浩丹(1996-),女,山西省忻州市人,工程师,主要从事水工混凝土材料研发工作.
通信作者:贺晶晶(1985-),男,陕西省西安市人,高级工程师,主要从事水工混凝土材料研发工作.
基金项目:国家自然科学基金(5207090694);陕西省自然科学基础研究计划(2021JQ-983).
随着国家“双碳目标”的提出与实施,抽水蓄能电站作为电力系统的能源“循环器”[1],成为了新型电力系统的重要组成部分,对推动构建清洁能源、安全高效的能源体系具有重大意义[2-5]。

新建的高水头抽蓄电站,其泄流量大、泄流流速高,对水工混凝土的抗冲耐磨性能要求较高。

高速含沙水流、推移
质水流等对水工建筑物混凝土过流面会造成冲刷、磨蚀、气蚀等严重破坏,导致表层混凝土开裂、甚至大面积剥落,严重影响水利水电工程的安全运行和使用寿命[6]。

抗冲磨混凝土的应用对于减轻泄水建筑物磨蚀破坏、延长其结构服役年限等发挥了显著作用。

一般认为混凝土的抗冲磨强度与抗压强度成正比,高性能混凝土在水利水电工程中的研究与应用也取得了一定的成果[7],为解决泄水建筑物冲磨破坏严重问题提供了解决思路。

矿物掺合料可以促进混凝土内部二次水化反应,提高混凝土密实度,改善混凝土抗冲耐磨性能[8-9]。

冯宝君[16]研究了水工混凝土复掺硅粉和粉煤灰的抗冲磨及抗裂性能,研究表明掺硅灰和粉
混凝土材料 西北水电·2024年·第1期
煤灰有利于浆体结构优化和抗冲磨混凝土抗裂性能的提升。

高强混凝土由于水胶比较小、胶凝材料用量大,掺入硅粉等矿物掺合料时,混凝土绝热温升值较高、早期收缩大,易造成早期开裂等工程问题,影响其耐久性能。

崔建明[10]提出高水泥含量是限制超高性能混凝土(UHPC)实现广泛应用的瓶颈,将工农业废渣作为掺合料来替代水泥已成为开发高品质低碳UHPC 的重要途径。

目前,矿物掺合料对混凝土的影响研究主要集中于力学性能和耐久性能方面,对于抗冲耐磨性能的影响研究较少。

赵雅明的研究表明[11],各种矿物掺合料复合后,由于粒度和活性的差异而发生叠加效应,可实现性能优势互补,
从而发挥对混凝土抗冲耐磨性能的改善效果。

因此,通过研究不同种类、不同掺量的矿物掺合料对混凝土抗冲耐磨性能的影响,可获得提高混凝土抗冲磨性能的矿物掺合料最佳种类及掺量。

综上分析,本文通过设计不同矿物掺合料种类及比例的水工高性能抗冲耐磨混凝土,以抗压强度、脆性系数及抗冲磨强度为对比指标,探讨掺合料的种类及掺量对抗冲磨性能的影响规律,分析掺合料对抗冲磨性能的改善机理,为其工程应用提供参考。

1　试验原材料及试验设计
1.1　原材料及制备工艺
原材料主要包括:成品高性能混凝土粉料(自主研发)、甘肃利鑫源微硅粉有限公司生产的SF90型微硅粉、山东盈润智能新材料有限公司生产的1000目超细矿粉、国能宁夏石嘴山发电有限公司生产的F 类粉煤灰。

原材料的外观形态如图1所示,
其性能指标见表1~
4。

图1　原材料的外观形态
表1　高性能混凝土粉料性能指标(0.12水料比)
项目泌水率/%扩展度/mm 扩展度经时损失/mm 扩展时间/s 抗压强度/MPa 3d 28d 高性能混凝土粉料
900
60
8
83.8
115.9
表2　粉煤灰性能指标
项目细度45μm 筛余/%需水量比/%
烧失
量/%含水量/%三氧化硫/%活性指数/%F 类
粉煤灰
9.6
102
4.78
0.44
0.64
74
表3　硅粉性能指标
项目
细度45μm 筛余/%需水量比/%烧失量/%含水量/%二氧化硅/%活性指数/%SF90型
微硅粉
2.1
122
2.2
0.80
91.2
124
表4　矿粉粉性能指标
项目
密度/
(g·cm -3
)流动
比/%
烧失量/%含水量/%三氧化硫/%氯离子/%1000目
超细矿粉
2.86
97
0.87
0.2
2.6
0.03
高性能抗冲耐磨混凝土材料制备工艺:首先,将高性能混凝土粉料置于搅拌机,加入矿物掺合料(SF90型微硅粉、超细矿粉、粉煤灰),搅拌30~40s 使其混合均匀;然后,加入相应份数的水强制搅拌2~3min,其制备工艺流程如图2所示。

图2　制备流程
1.2　试验设计
为获得性能优异的高性能抗冲磨混凝土,以高性能混凝土粉料为基材,通过掺加不同种类及掺量的矿物掺合料成型混凝土,并进行抗折强度、抗压强度及抗冲磨强度试验,分析矿物掺合料种类及掺量对混凝土抗冲磨性能及抗裂性能的影响。

单掺掺合料的试验方案为:硅粉(S)单掺量选择5%、10%、15%,矿粉(M)、粉煤灰(F)单掺量均选择10%、15%、20%。

复掺掺合料总掺量为20%,
9
西北水电·2024年·第1期
复掺掺合料的抗冲磨混凝土试验方案见表5,水料比均为0.12。

表5　复掺掺合料的抗冲磨混凝土试验方案
项目S5F15S10F10S5M15S10M10M10F10M15F5硅粉5%10%5%10% 矿粉 15%10%10%15%粉煤灰
15%
10%
10%
5%
1.3　试验方法
(1)力学强度及脆性系数试验
根据GB /T 17671-2021《水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)》进行试件成型养护至规定龄期,试件尺寸为40mm×40mm×160mm(长×宽×高),分别进行抗折强度、抗压强度试验。

脆性系数是表征混凝土抗裂性能的指标,脆性系数越小,混凝土的韧性越大、抗裂性能越好,而随着混凝土强度的提高,脆性破坏的趋势增大。

因此认为,改善混凝土的抗裂性最重要的是降低其脆性系数[12-13]。

脆性系数K 计算如下[14]:
K =f 压/f 折
(1)
式中:f 压为试件的抗压强度,MPa;f 折为试件的抗折强度,MPa。

(2)抗冲磨试验(水下钢球法)
根据DL /T 5150-2017《水工混凝土试验规程》中的水下钢球法进行混凝土抗冲磨试验,试件尺寸为300mm×100mm(直径×高),冲磨时间为72h。

以抗冲磨强度、磨损率以及冲磨坑深度等指标评价混凝土的抗冲耐磨性能。

(3)配比优选方法
高性能混凝土的抗冲磨强度与抗压强度成正相关[15],因此,以混凝土抗压强度指标对掺合料种类、掺量及掺加方式进行初步筛选。

对于初步筛选出力学性能较优的高性能抗冲磨混凝土配合比进行抗冲耐磨试验,进一步探讨掺合料对高性能混凝土抗冲磨及抗裂性能的影响,并确定最优配比。

(4)SEM 扫描电镜试验
对优选的水泥净浆制备高度≤2mm、长度≤1cm 的试验样品,采用离子溅射镀膜机在每个试样表面均匀喷涂一层金属薄膜,将试样连同基座一并放入扫描电镜样品区,通过调节位置,聚焦选取具有代表性的点进行拍照,获得试样的扫描电镜图像。

2　试验结果与分析
2.1　力学强度及脆性系数
单掺和复掺掺合料的高性能抗冲磨混凝土3、28d 龄期的力学强度试验结果、抗压强度比以及脆性系数计算结果见表6。

表6　高性能抗冲磨混凝土试验结果
编号抗折强度/MPa 3d
28d
抗压强度/MPa 3d
28d
抗压强度比3d
28d
脆性系数3d
28d
JZ
17.117.686.3102.11.001.005.055.80S5
17.317.987.7105.61.021.035.075.90S1017.117.481.998.40.950.964.795.66S15
15.616.273.389.40.850.884.705.52M1018.018.792.4111.41.071.095.135.96M1516.717.485.3104.60.99
1.025.116.01M2017.417.98
2.599.60.960.984.745.56F1016.016.876.492.10.890.904.785.48F1514.315.272.389.70.840.885.065.90F201
3.61
4.368.981.90.800.80
5.075.73S5F1514.515.06
6.6
80.2
0.77
0.794.595.35S10F1016.216.884.9101.30.980.995.246.03S5M1518.119.890.4113.11.051.114.995.71S10M1017.5
18.688.6111.41.031.095.065.99M10F1015.116.880.5
98.6
0.93
0.975.335.87M15F5
15.517.2
85.2104.70.99
1.035.506.09(1)掺合料种类及掺量对混凝土力学强度的影响分析
单掺、复掺掺合料的高性能抗冲磨混凝土的3、
28d 抗压强度比对比如图3、4所示。

图3　混凝土28d 抗压强度比(单掺)
由表6和图3分析可知,高性能抗冲磨混凝土的抗压强度随矿物掺合料单掺量的增加而降低。

在相同掺量下,不同矿物掺合料对混凝土28d 抗压强度降低的影响程度为:粉煤灰>硅粉>矿粉。

其中,矿粉
1卢浩丹,贺晶晶,张勇,刘立峰,陈书军,包想军,陈双蛮.矿物掺合料对水工高性能抗冲磨混凝土特性的影响研究
10%掺量时,混凝土28d 抗压强度提高9%;硅粉5%掺量时,混凝土抗压强度提高3%;而掺入粉煤灰后,
混凝土抗压强度降低率约为10%~20%。

图4　混凝土3d 抗压强度比(复掺)
结合表6和图4分析可知,复掺矿物掺合料的掺量均为20%,其中硅粉-矿粉复掺时(S5M15、S10M10)高性能混凝土的抗压强度均提高10%以上。

粉煤灰对高性能混凝土抗压强度的降低影响较大,硅粉、矿粉分别与粉煤灰复掺时,抗压强度随粉煤灰掺量比例的增加而有一定程度地降低。

结合表6和图4分析可知,复掺矿物掺合料的掺量均为20%,其中硅粉-矿粉复掺时(S5M15、S10M10)高性能混凝土抗压强度提高10%~13%。

粉煤灰对高性能混凝土抗压强度的降低影响较大,硅粉、矿粉分别与粉煤灰复掺时,抗压强度随粉煤灰掺量比例的增加而有一定程度地降低。

抗压强度是影响混凝土抗冲耐磨性能的主要因素之一由于混凝土的抗压强度可反映其内部结构密实度,混凝土内部密实度较高时,其骨料与浆体之间的界面过渡区的缺陷数量减少,因此混凝土的抗冲磨性能随抗压强度的提高而提升。

而适量的矿物掺合料(硅粉、矿粉)掺入混凝土后,在其内部发挥“微集料效应”和“火山灰效应”,填充胶凝材料的颗粒孔隙,提高水泥的水化程度,降低混凝土的内部孔隙率,进一步提高混凝土内部结构的密实度,从而使高性能混凝土的抗压强度得到一定程度地提高。

(2)掺合料种类及掺量对混凝土脆性系数的影响分析
单掺掺合料、复掺掺合料的高性能混凝土的脆性系数对比如图5、6所示。

图5　混凝土28d 脆性系数(单掺)
图6　混凝土28d 脆性系数(复掺)
由表6中试验结果可知,3d 时混凝土的脆性系数在4.59~5.50;28d 时混凝土的脆性系数在5.21
~6.42。

高性能混凝土的脆性系数随着龄期的增加
而提高,即混凝土抗压强度越高、脆性系数越大,说明混凝土的抗裂性能随混凝土抗压强度的提高而降低。

也可看出,掺合料对高性能抗冲磨混凝土的脆性系数有一定的影响,但变化范围较小,28d 脆性系数在5.21~6.42,而普通抗冲磨混凝土的脆性系数在5.1~7.5[16]。

这主要是由于在高性能抗冲磨混凝土的水胶比较低,即使在水泥水化程度较低的情况下,其硬化后内部的孔隙率也较低,使其具有较为优异的力学强度;且其中掺入了POMF、BF 两种纤维,纤维在混凝土内部呈三维乱向分布可以约束混凝土的开裂;而矿物掺合料可以填充混凝土内部孔隙,促进二次水化反应生成大量是水化硅酸钙C-S-H,提高了内部结构的密实度,从而降低了混凝土的脆性系数,提升高性能抗冲磨混凝土的抗裂性能。

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由图5可知,单掺矿物掺合料的情况下,混凝土的脆性系数随硅粉单掺掺量的增加而降低,随粉煤灰、矿粉单掺量的增加呈先提高后降低的趋势,说明在合适的掺量下,掺合料在一定程度上可以提高混凝土的抗裂性能。

与基准混凝土相比,单掺10%、15%的硅粉时混凝土的脆性系数分别降低了2.5%、4.9%,单掺10%粉煤灰和单掺20%矿粉时混凝土的脆性系数分别降低了5.5%、4.1%。

由图6可知,在复掺掺合料的掺量均为20%的情况下,不同掺合料种类和比例对高性能抗冲磨混凝土的脆性系数有一定的影响。

与基准混凝土相比,复掺掺合料种类及比例为S5F15、S5M15时混凝土的脆性系数有所降低。

因此,复掺5%硅灰和15%矿粉(S5M15)具有提高抗冲磨混凝土抗压强度和抗裂性能的双重作用。

2.2　抗冲耐磨强度
根据不同掺合料配比下的高性能抗冲磨混凝土的抗压强度及脆性系数试验结果,优选两种单掺掺合料比例S5、M10,两种复掺掺合料比例S5M15、S10M10进行抗冲磨试验(水下钢球法),并与高性能混凝土粉料(基材)进行试验结果对比,试验结果见表7,混凝土冲磨破坏形态如图7所示。

表7　混凝土的抗冲磨试验结果
编号硅粉掺量/%矿粉掺量/%抗冲磨强度/(h/(kg·m -2
)相对抗冲磨强度/%磨损率/%相对磨损率/%72h 冲磨坑深
度/mm JZ
　27.5　
1.10　
7S10
10　
32.81.190.950.863M10
　1030.81.121.020.934S5M15
51531.81.160.970.884S10M10
1010
26.8
0.971.17
1.06
9
图7　混凝土试件冲磨破坏形态
由表7中混凝土抗冲磨试验结果可知,未掺矿物掺合料的基准高性能混凝土抗冲磨强度为27.5h /(kg /m 2);单掺10%、混掺20%掺合料的高性能混凝土抗冲磨强度为26.8~32.8h /(kg /m 2)。

与基准高性能混凝土相比,S10、M10、S5M15的抗冲磨强度均大于30h /(kg /m 2),提高了12%~19%;而S10M10的抗冲磨强度略有降低,约3%。

S10、M10矿物掺合料总掺量为10%,S5M15高性能混凝土的总掺量为20%。

在相同等级的混凝土抗冲磨强度时,复掺5%硅粉和15%矿粉可显著降低高性能混凝土粉料用量,且对高性能混凝土的抗裂性能及抗冲磨性能有所提升。

因此,S5M15的综合性能指标较优。

混凝土的抗冲磨性能与水泥石自身的耐磨性以及水泥石与集料的粘结力有关。

抗冲耐磨混凝土破坏时的表现形式主要有以下两种:表面骨料暴露状、集料剥落状。

混凝土试件冲磨72h 后的,观察试验后的混凝土试块表面(见图7)可知,不同掺合料比例的混凝土试块表面呈现凹凸不平的圆轮状冲磨痕迹,
最深冲磨深度为3~9mm,其中S10、S5M15的最深冲磨深度分别为3、4mm,且冲磨痕迹比较平整。

而S10M10的冲磨痕迹较为明显,边缘凹凸不平整度高,最深冲磨深度为9mm,表面骨料裸露明显,且骨料磨损程度较大,但未出现明显的集料剥落。

综上可知,在相同的试验条件及冲磨时间内,单掺10%硅灰、复掺5%硅灰和15%矿粉的情况下,高性能混凝土的抗冲磨性能较优。

2.3　微观结构分析
在表7中优选试验配合比的同时成型相应的水泥净浆,养护至28d 后取样进行扫描电子显微镜(SEM)测试分析。

由于本次SEM 试验较多,选取基准水泥净浆(J-J)及抗冲磨性能较优的J -S10、J-S5M15进行分析,试验结果如图8~10。

由图8可知,水泥基J-J 试样在28d 龄期时生成
明显的柱状钙矾石,分布较为均匀,但其中也有少量大块未水化熟料。

在图9、10中,掺入矿物掺合料后改变了水泥石结构及水化产物形貌,28d 龄期时水化产物钙矾石和水化硅酸钙C-S-H 凝胶生成量较多,
2
1卢浩丹,贺晶晶,张勇,刘立峰,陈书军,包想军,陈双蛮.矿物掺合料对水工高性能抗冲磨混凝土特性的影响研究
分布较为均匀,提高了硬化浆体结构的密实度。

图8　J-J 水化28d
SEM
图9　J-S10水化28d
SEM
图10　J-S5M15水化28d SEM
3　结　论
本文通过抗压强度、脆性系数以及抗冲磨强度
作为高性能抗冲耐磨混凝土的评价指标,探讨了不同掺合料种类及掺量比例对高性能抗冲磨混凝土性能的影响,并通过微观结构分析了矿物掺合料对抗冲磨性能的改善机理,形成主要结论如下:
(1)在相同掺量下,单掺不同矿物掺合料对混
凝土抗压强度降低的影响程度为:粉煤灰>硅粉>矿粉;当10%矿粉或5%硅粉时,混凝土抗压强度分别提高9%、3%;硅粉-矿粉复掺时(S5M15、S10M10)混凝土抗压强度均提高10%以上。

(2)脆性系数随硅粉、矿粉单掺量的增加而降低,随粉煤灰单掺量的增加而提高;与高性能混凝土基材相比,复掺掺合料种类及比例为S5F15、S5M15时,混凝土的脆性系数降低了约5%。

(3)S10、M10、S5M15的抗冲磨强度均高于30h /(kg /m 2),与基材相比,提高了12%~19%,且其微观结构中水化产物钙矾石和水化硅酸钙C-S-H 凝胶生成量较多,分布较为均匀,提高了硬化浆体结构的密实度。

因此,硅灰5%、矿粉15%复掺时,高性能抗冲磨混凝土的综合性能达到最优。

参考文献院
[1]　张李,孙帆.抽水蓄能电站节能评估问题探讨[J].西北水电,
2018(2):5-8.
[2]　姚金雄,王芝麟,张涵.陕西电网新能源消纳问题研究[J].西
北水电,2018(4):89-92.
[3]　胡静,王小红,杨艳平,等.泰安抽水蓄能电站静止变频启动控
制系统调试及设计优化[J].大电机技术,2023(4):63-71.[4]　岳蕾,王丹迪.以新能源为主体的新型电力系统背景下抽水蓄
能标准体系建设的思考[J].西北水电,2022(1):78-81.
[5]　王君利.混凝土面板堆石坝设计技术进步及安全理念展望
[J].西北水电,2020(1):11-18.
[6]　仲从春,李双喜,孟远远,等.超高性能混凝土抗冲磨性能试验
研究[J].人民黄河,2022,44(1):129-133.
[7]　赵明宇,方兴旺,李志强,等.机制砂高抗冲磨超高性能混凝土(UH⁃
PC)的组成设计与工程应用[J].混凝土,2023(1):159-164.
[8]　高浩,曾力.复掺粉煤灰和硅粉抗冲磨混凝土配合比设计及抗
裂性能[J].中国农村水利水电,2017(9):164-168,172.
[9]　毕亚丽,刘艳,张勇.粉煤灰和天然火山灰对胶砂性能影响对
比试验研究[J].西北水电,2012(1):70-72.
[10]　崔建明.超高性能混凝土中的掺合料应用研究[J].合成材料
老化与应用,2022,51(6):132-134,4.
[11]　赵雅明,张振,王畔,等.矿物掺合料对UHPC 性能的影响
[J].硅酸盐通报,2022,41(9):3170-3175.
[12]　李广,李北星,黄安,等.养护温度和矿物掺合料对蒸养混凝
土脆性的影响[J].硅酸盐通报,2023,42(2):487-495.
[13]　E.Ringot,A.Bascoul.About the Analysis of Microcracking in Con⁃
crete.Cement and Concrete Composites[J].2001(23):261-266.[14]　李广,李北星,黄安,等.养护温度和矿物掺合料对蒸养混凝
土脆性的影响[J].硅酸盐通报,2023,42(2):487-495.
[15]　孙蓓,林志翔,桂志伟.超高强混凝土耐钻磨性能研究[J].混
凝土与水泥制品,2015(6):24-28.
[16]　冯宝君.水工混凝土复掺硅粉与粉煤灰的抗冲磨及抗裂性研
究[J].地下水,2022,44(2):141-143,204.
3
1西北水电·2024年·第1期。