范欣宇，史文斌

（依蘭縣水務(wù)局，黑龍江 依蘭 154800）

1 混凝土磨損機理研究與發(fā)展

金屬物體磨損理論認為金屬表面原子受到磨料的撞擊或牽引出，脫離原來的晶格位置。混凝土的磨損機理與金屬物體的磨損機理不同。很難用微觀的分子理論去解釋。對混凝土的磨損機理的研究是一個不斷認識的過程。關(guān)于材料的機械磨損，R.Holm，J.T.Burwell等人相繼提出粘著磨損理論，即認為：兩個相互作用的表面僅在少數(shù)幾個孤立的凸出點發(fā)生接觸，導(dǎo)致這些接觸而產(chǎn)生很高的應(yīng)力，這些微凸體發(fā)生粘著，相對運動時，內(nèi)聚力較弱的一方的微凸體即被對方材料俘獲這一理論指出，材料的磨損與作用面的垂直荷載和滑動距離成正比，而與材料的屈服應(yīng)力成反比。

2 磨損指標

評價混凝土的磨損程度根據(jù)實驗方法、條件的差別而不同。大致有：

1）磨損量G。試件被磨掉的質(zhì)量。這里的磨損時間，荷載重都已確定。

2）磨耗值R[1]。其單值計算按如下公式計算：

式中：G1為試件磨前的質(zhì)量，g；G2為試件磨后的質(zhì)量，g；A為試件的受磨面積，cm2。

3）抗沖磨強度S[2]?？箾_磨強度主要應(yīng)用水利工程中對混凝土的研究。在水利工程中，混凝土要受到含沙水流的沖磨。其沖磨磨損率N的計算公式為：

式中：N——磨損率，單位面積上在單位時間內(nèi)，試件被磨損的質(zhì)量，kg/（h·m2）；M0——試件磨前的質(zhì)量，kg；Mt——歷史t小時沖磨后試件的質(zhì)量，kg；t——試件受磨累計歷時，h；S——試件受磨面積，m2；對于標準試件，受沖磨面積為0.01 m2。

而抗沖磨強度表示的是單位面積上每磨損1 kg所需要的小時數(shù)，按下式計算：

3 耐磨機理

提高混凝土耐磨性的途徑有很多種：加入耐磨劑、對混凝土表面進行精細壓光、或者加入一些抗磨的外加劑等等。

1）高分子合成乳液耐磨劑的耐磨機理

耐磨劑的種類很多，高分子合成乳液和其它表面活性物質(zhì)改善了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)。在攪拌混凝土?xí)r，由于表面活性作用，可以適當?shù)臏p小水灰比，使混凝土更趨密實；在水化過程中，耐磨劑減緩了水分揮發(fā)，改善了混凝土的毛細孔結(jié)構(gòu)，減少了微裂縫的形成和發(fā)展；水泥硬化完成后，高分子合成乳液失水后形成的部分連貫的聚合物相填充了混凝土內(nèi)的部分毛細孔和其它空隙，由于聚合物相彈性模量極低，它可以大量地吸收外力對混凝土所做的功而將其轉(zhuǎn)化為變形能，使混凝土的宏觀韌性得以提高。

2）硅粉的特性及耐磨機理[4]

硅粉是硅鋼廠的副產(chǎn)品，硅粉的成分90%以上是無定形SiO2。其比表面積約為15～20 m2/kg，密度一般為2.2～2.5 g/cm3。

硅粉對混凝土的特殊作用是由于其特殊的形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)和活性火山灰效應(yīng)共同影響的結(jié)果。其作用機理是把硅粉摻入混凝土中后，硅粉的小顆粒改善了顆粒尺寸分布，并與微細填充物中的Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)生成凝膠性的硅酸鈣水化物；火山灰反應(yīng)的結(jié)果改變了混凝土中漿體的孔結(jié)構(gòu)，使大孔減少、小孔增加，孔徑變細，漿體中Ca（OH）2晶體細化，定向程度減弱，界面過渡區(qū)因而變薄，從而使界面處漿體密實，增加了漿體與骨料界面的粘結(jié)強度。由此可見，硅粉在水泥漿體中起水化產(chǎn)物核心作用。由于硅粉與微細填充物中的Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)生成凝膠性的硅酸鈣水化物的強度要高于水泥的水化產(chǎn)物氫氧化鈣的強度，從而提高了混凝土的強度、耐久性及抗沖磨強度。

4 幾種耐磨混凝土的研究方法

1）加耐磨劑——《JC401-91水泥花磚》的耐磨試驗方法[3]

長期以來，混凝土的強度一直被認為是決定其耐磨性的主要因素，隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)混凝土的強度與其耐磨性并不存在簡單的可用某一方程式來表示的函數(shù)關(guān)系。在同樣強度的情況下改善水灰比、灰砂比、集料的粒徑等都有助于耐磨性的提高。混凝土的磨損是一個從表而開始的復(fù)雜過程，在基木不提高（或不大幅度提高）強度的情況卜，如何改善并優(yōu)化混凝土的表面而結(jié)構(gòu)對于提高其耐磨性起著至關(guān)重要的作用。未加耐磨劑混凝土的性能見表1。

表1 未加耐磨劑混凝土的性能

表1顯示混凝土在成型時表面精細壓光的試塊比表面一般性地加以抹平的試塊耐磨性要好得多，證實了混凝土在成型時表面的整修情況將在較大程度上影響其耐磨性。究其原因，這與表面密實性的提高是分不開的。

試驗結(jié)果同時表明，采用石屑砂作為細骨料的混凝土，其耐磨性優(yōu)于黃砂作為細骨料的混凝土。這是由于“石屑——水泥石”之間的界面狀態(tài)或咬合力顯然優(yōu)于“河（海）砂——水泥石”界面狀態(tài)。添加耐磨劑混凝土性能見表2。

表2 添加耐磨劑混凝土性能

表1和表2對比，加入耐磨劑的混凝土的耐磨性明顯優(yōu)于沒有加入耐磨劑的混凝土。 實驗者將自行研制或用國內(nèi)現(xiàn)有的部分高分子合成乳液改性配制而成的三種混凝土耐磨劑暫時命名為耐磨劑A、耐磨劑B和耐磨劑C。將耐磨劑摻入混個凝土后，試驗結(jié)果表明，耐磨劑A對混凝土的抗壓強度影響不大，但耐磨性均有不同程度的提高，尤其以耐磨劑C提高硅的耐磨性最為顯著從表中可以看出，當耐磨劑C的摻量達到水泥用量的6%時，混凝土的耐磨效果提高了一倍以上。

2）超高強耐磨混凝土材料的研究[1]

該實驗研制的超高強、高強的耐磨混凝土主要用于工業(yè)工程，如管道耐磨內(nèi)襯、工廠耐磨地面等。分別采用燒結(jié)鋁礬土、石英砂和黑碳化硅作為混凝土骨料，用正交試驗法探討了集料摻量、集料級配、石英粉摻量和水膠比對混凝土耐磨性的影響。

石英砂：實測密度2.626 g/cm3，用沉積天平測得平均粒徑為50.1。

燒結(jié)鋁礬土：粒徑為 0～2 mm，含量 SiC＞80%，F(xiàn)e2O3＜1.5%。

黑碳化硅：粒徑為0～2 mm，含量SiC＞98%，F(xiàn)e2O3＜0.8%。

正交試驗設(shè)計：混凝土由集料和水泥石兩部分組成，考慮這兩部分對混凝土性能的影響。集料品種不變的條件下，選取集料摻量和集料級配作為兩個因素。水泥石性能的影響因素中，選取石英粉摻量和水膠比作為另外兩個因素。采用正交L9（34）試驗設(shè)計，見表3。

將實驗結(jié)果進行方差分析結(jié)果見表4。

表3 L9（34）試驗方案及試驗結(jié)果

表4 混凝土28 d磨耗值方差分析

由表4可以得出：對給定α=0.05的情況，因素A的F比最大，說明因素A即燒結(jié)鋁礬土摻量是影響28 d磨耗值的主要因素，其次為水膠比、燒結(jié)鋁礬土級配和石英粉摻量。石英砂混凝土石英砂不是耐磨集料，表4中的分析表明，水膠比是影響石英砂混凝土耐磨性最主要的因素，其次是石英砂摻量石英粉摻量和石英砂級配。黑碳化硅混凝土的水膠比對28 d耐磨性的影響最大，其次是石英粉摻量、黑碳化硅摻量和黑碳化硅級配。黑碳化硅為高耐磨材料，表面很光滑，性質(zhì)與普通混凝土集料有很大的區(qū)別，到目前為止很少有針對黑碳化硅集料混凝土的試驗研究。

從上面的分析也可以看出，試驗結(jié)果與燒結(jié)鋁礬土混凝土和石英砂混凝土有很大差別。結(jié)合磨損試驗現(xiàn)象和方差分析做如下分析：觀察試驗后試件的磨損面，可以發(fā)現(xiàn)黑碳化硅集料混凝土中黑碳化硅顆粒凸于磨損面上，這是因為黑碳化硅硬度僅次于金剛石、碳化硼和立方氮化硼，具有很強的硬度和耐磨性?；炷聊p過程中，黑碳化硅顆粒的磨損很少，主要是集料顆粒之間水泥石的磨損，所以其磨耗值取決于水泥石的耐磨性，而本研究選取的試驗因素中水膠比和石英粉摻量是水泥石性能的影響因素，從而導(dǎo)致這種試驗結(jié)果。

3）抗沖耐磨混凝土的研究[4]

耐磨混凝土主要用于道路建筑中，其次就是水利工程，水壩的混凝土不但要耐磨，還要抵抗含沙水流的沖擊。采用控制變量法來研究復(fù)摻硅粉粉煤灰混凝土的抗沖耐磨性能。不同硅粉摻量對復(fù)摻硅粉粉煤灰混凝土抗沖耐磨特性的影響見表5。

表5 硅粉摻量對復(fù)摻硅粉粉煤灰混凝土抗沖耐磨性能的影響

由試驗結(jié)果可以看出：當硅粉摻量從3%增加到5%時，混凝土28 d抗沖磨強度增加29.3%～34.0%。當硅粉摻量從3%增加到8%時，混凝土28 d抗沖磨強度增加61.0%～64.4%?？梢娫诨炷林袚饺牍璺劭梢杂行У靥岣呋炷恋目箾_耐磨特性。

不同等級粉煤灰對復(fù)摻硅粉粉煤灰混凝土抗沖耐磨特性的影響試驗結(jié)果見表6。

表6 粉煤灰等級對復(fù)摻硅粉粉煤灰混凝土抗沖耐磨性能的影響

由試驗結(jié)果可以看出：在混凝土水膠比相同的條件下，摻Ⅰ級粉煤灰混凝土28 d抗沖磨強度比摻II級粉煤灰混凝土28 d抗沖磨強度提高16.4%～18.5%?？梢姡诠璺刍夷林袕?fù)摻Ⅰ級粉煤灰比復(fù)摻II級粉煤灰更有利于提高混凝土的抗沖耐磨特性。

5 結(jié)語

混凝土的耐磨性指標是應(yīng)用中很重要的指標，不同的用途有不同的評價指標。耐磨機理也根據(jù)不同的耐磨方法有不同的解釋。提高混凝土耐磨性的途徑有很多，有加有機高分子聚合物，使混凝土表面密實，提高韌性，進而達到抗磨效果，也有加入硅粉來提高抗磨性。

［1］黃振宇，劉強，超高強耐磨混凝土材料研究，湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報，2009，3（vol31，No.1）.

［2］水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術(shù)規(guī)范，中華人民共和國電力行業(yè)標準，DL/T5207-2005，p23.

［3］陳健、趙志宏，耐磨混凝土及其應(yīng)用研究，混凝土與水泥制品，2001，8（No4）.

［4］楊元慧.復(fù)摻硅粉粉煤灰抗沖耐磨混凝土的性能實驗研究，水電站設(shè)計，2008，9，vol24（No.3）.

［5］KILIC A，ATIS C D，TEYMEN A.et al.The influence of aggregate type on the strength and abrasion resistance of high strength concrete［J］.Cement and Concrete Composites，2008，30（6）：290-296.