陳 嫻 白 劍

（1.銀川能源學(xué)院， 寧夏 750000；2.寧夏水務(wù)投資集團(tuán)， 寧夏 750000）

混凝土的抗沖耐磨強(qiáng)度是一個(gè)相對(duì)指標(biāo)，用以比較各類(lèi)混凝土的抗沖耐磨性能。在水流或夾砂石水流的作用，混凝土表面會(huì)產(chǎn)生不同程度的磨損，長(zhǎng)期作用，會(huì)降低混凝土的耐久性。目前，國(guó)內(nèi)外采用的提高混凝土抗沖耐磨性能的主要措施有很多，一方面可以在設(shè)計(jì)時(shí)，改善工程的布置和工程結(jié)構(gòu)，避免直接沖刷，另一方面，就是采用抗沖耐磨的優(yōu)質(zhì)材料，改善混凝土的性能。

納米碳纖維（CNFs）是化學(xué)氣相生長(zhǎng)碳纖維的一種形式，它通過(guò)裂解氣相碳?xì)浠衔锒苽涑龅姆沁B續(xù)石墨纖維[1]，是一種新型碳材料，除了具有普通碳纖維低密度、高比模量、高比強(qiáng)度、高導(dǎo)電、熱穩(wěn)定性等特性外，還具有缺陷數(shù)量非常少、長(zhǎng)徑比大、比表面積大、結(jié)構(gòu)致密等優(yōu)點(diǎn)[2]。理論研究[3]認(rèn)為，CNFs的加入使裂縫的初生需要更大的外，所以可以延緩其形成，由此增強(qiáng)水泥基材料的抗拉性能。

粉煤灰的減水作用可以一定程度的降低混凝土中水泥的用量，對(duì)于一級(jí)粉煤灰來(lái)說(shuō)，它內(nèi)部的微珠含量是比較高的，耐磨性也很好，因此，如果在混凝土中加入合適的粉煤灰，可以有效的削弱混凝土表面的磨損和沖蝕，能夠一定程度的提高混凝土的抗沖耐磨性能。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外有關(guān)納米碳纖維混凝土的研究也在逐漸增多，本文主要通過(guò)試驗(yàn)研究納米碳纖維混凝土，在混凝土中摻入納米碳纖維以改善普通混凝土抗拉強(qiáng)度低、極限拉應(yīng)變小等缺點(diǎn)[4]，對(duì)它的研討可以作為發(fā)展新型的高強(qiáng)高性能混凝土的理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)原材料的選擇

本項(xiàng)目的試驗(yàn)所用水泥選自寧夏某水泥廠生產(chǎn)的強(qiáng)度等級(jí)為 42.5R的普通硅酸鹽早強(qiáng)水泥 ，其性能指標(biāo)均符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；粉煤灰選用寧夏銀欣源熱點(diǎn)工貿(mào)有限公司生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰，其性能指標(biāo)均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；粗骨料采用天然粗骨料人工碎石，粒徑為5～25mm、9.5～20mm、4.75～16mm等三種顆粒級(jí)配，按照9:3:1比例混摻，表觀密度2698（kg/m3），級(jí)配合格；細(xì)骨料采用人工水洗山砂，細(xì)度模數(shù)=2.60，屬中砂；減水劑采用寧夏某公司生產(chǎn)的聚羧酸系高效減水劑（FDN型萘系），摻量為膠凝材料質(zhì)量的0.15%～0.45%；納米碳纖維采用南京先豐納米材料科技有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為XFM60的納米碳纖維產(chǎn)品。

2 試驗(yàn)方法及設(shè)備

因?yàn)楝F(xiàn)有水工混凝土工程中，受到抗沖磨破壞的形式存在差異，所以在試驗(yàn)方法和抗沖磨性能評(píng)定指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)上也有著很大的差異，就目前的方法分析，水工混凝土工程中普遍使用的試驗(yàn)方法，有圓環(huán)法和氣流挾砂噴射法及水下鋼球法。

結(jié)合本項(xiàng)目試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容及試驗(yàn)條件，此次試驗(yàn)選擇國(guó)外常見(jiàn)方法即“水下鋼球法”進(jìn)行試驗(yàn)。所用儀器為天津北辰建工試驗(yàn)儀器廠生產(chǎn)的HKS混凝土抗沖磨試驗(yàn)機(jī)測(cè)定儀，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到DL/T5150-2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。在采用“水下鋼球法”進(jìn)行試驗(yàn)的過(guò)程中，其原理是利用筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)的水流去循壞沖擊筒內(nèi)不同直徑的鋼球，再通過(guò)鋼球帶去的沖擊對(duì)預(yù)制混凝土表面進(jìn)行循壞磨損，以此來(lái)測(cè)定混凝土表面抗水流沖擊磨損的能力。

3 配合比設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)，以C60作為混凝土的強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值。根據(jù)有關(guān)要求和規(guī)程確定相關(guān)配合比。以4因素3水平L9（34）去設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，詳見(jiàn)表1、2所示 ，因素粉煤灰、納米碳纖維的摻入量都是按試驗(yàn)所用的總膠凝材料為計(jì)算基礎(chǔ)，采用百分比計(jì)算。

表1 因素水平表

表2 正交試驗(yàn)方案表

4 抗沖耐磨試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)正交試驗(yàn)，篩選出力學(xué)性能最優(yōu)的一組，進(jìn)行抗沖耐磨性能的試驗(yàn)研究。

優(yōu)選組的配合比為：水泥：水：砂：石子：粉煤灰：CNFs：減水劑=1:0.38:1.52：2.48:0.25:0.002:0.004。

在進(jìn)行抗沖耐磨試驗(yàn)時(shí)，每組試驗(yàn)配制三個(gè)試件，在水中至少浸泡 48小時(shí)后，取出試件后，擦干，稱(chēng)量并記錄；取下容器筒，將試件放入容器筒內(nèi)托盤(pán)上，擰緊螺桿，進(jìn)行固定；將鋼球放入試件的表面上，在試樣容器內(nèi)加水至水面高出攪拌槳上端面10～15 mm；啟動(dòng)電機(jī)，每次間隔24小時(shí)，就要在鋼筒內(nèi)加1至2次的水，以保證筒內(nèi)水位與原水位保持一致，減少試驗(yàn)誤差；取出筒內(nèi)已經(jīng)磨損的試件之前，一定要保證試塊在鋼筒內(nèi)沖磨的時(shí)間已經(jīng)累計(jì)達(dá)到了72個(gè)小時(shí)，取出后需要擦干，即可稱(chēng)取磨損后的試件的重量，與初始重量作對(duì)比，記錄數(shù)據(jù)，然后分析。分析的過(guò)程中需要依據(jù)兩個(gè)指標(biāo)——抗沖磨強(qiáng)度和磨損率，具體計(jì)算如下：

（1）抗沖磨強(qiáng)度：

Δ M——經(jīng)時(shí)段沖磨后，試件損失的累計(jì)質(zhì)量，kg；

T ——試驗(yàn)累計(jì)時(shí)間，h；

A——試件受沖磨面積，m2；

（2）磨損率：

式中： L——磨損率，%；

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1所示，對(duì)此混凝土試件進(jìn)行28天的抗沖磨強(qiáng)度和磨損率數(shù)據(jù)結(jié)果比較分析，結(jié)果如圖1和圖2所示。

表1 混凝土抗沖磨性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖1 28d抗沖磨強(qiáng)度對(duì)比圖

圖2 28d混凝土磨損率對(duì)比圖

首先對(duì)表 1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，能夠發(fā)現(xiàn)，加入粉煤灰的混凝土的抗沖耐磨強(qiáng)度與比基準(zhǔn)組混凝土的抗沖耐磨強(qiáng)度高，這說(shuō)明粉煤灰的加入可以減小混凝土表面的磨損和沖蝕，而優(yōu)選組混凝土與基準(zhǔn)組相比較，抗沖耐磨強(qiáng)度上升的趨勢(shì)相對(duì)更大一些，磨損率降低程度也更為明顯；與對(duì)比組相比，混凝土 28d抗沖磨強(qiáng)度也提高了很多，磨損率降低效果較為顯著。

由圖1、圖2分析可得，對(duì)比組與優(yōu)選組組的抗沖耐磨性能均明顯高于基準(zhǔn)組，可見(jiàn)粉煤灰和合理?yè)搅壳曳稚⒑玫募{米碳纖維的摻入可不同程度得使得混凝土的抗沖磨強(qiáng)度有所提高。

6 結(jié)論

（1）對(duì)正交試驗(yàn)的優(yōu)選組進(jìn)行抗沖耐磨性能的試驗(yàn)研究，可以得出本此試驗(yàn)的優(yōu)選組的配合比為：水泥：水：砂：石子：粉煤灰：CNFs：減水劑=1:0.38:1.52：2.48:0.25:0.002:0.004。

（2）沖耐磨性能試驗(yàn)研究表明，優(yōu)選組的磨損率均小于同等條件下對(duì)比組與基準(zhǔn)組的，磨損率較基準(zhǔn)組降低程度明顯，說(shuō)明合理?yè)搅壳曳稚⒑玫募{米碳纖維能夠有效的削弱其表面的磨損和沖蝕，能夠一定程度的提高水工混凝土的抗沖耐磨性能。

（3）經(jīng)濟(jì)效益分析：對(duì)比市場(chǎng)上的納米碳纖維價(jià)格，整體而言還是比較高的，這將在一定程度上會(huì)使得單方混凝土的造價(jià)有所提高，但是從另一個(gè)層面分析，我們可以看到如果采用價(jià)格很低的粉煤灰來(lái)等量代替一定比例的水泥，會(huì)使得水泥的造價(jià)有所減小，這樣的話(huà)，就可以彌補(bǔ)因納米碳纖維的加入而增加的投資費(fèi)用，而且納米碳纖維的少量加入使得混凝土整體的性能都趨于良好，因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)分析，納米碳纖維混凝土還是能帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。