方 鑫, 陳曉清, 陳劍剛, 趙萬玉

(1.中國科學院 山地災害與地表過程重點實驗室, 四川 成都 610041;2.中國科學院 水利部 成都山地災害與環(huán)境研究所, 四川 成都 610041; 3.中國科學院大學, 北京 100049)

在汶川地震和極端暴雨事件的雙重影響下，地震影響區(qū)域內(nèi)的泥石流災害發(fā)生頻繁，呈現(xiàn)出持續(xù)性和群發(fā)性的特點。近年來，對泥石流災害的起動機理、運動過程、監(jiān)測預警、風險評價和防治措施等方面開展了深入的研究[1-8]。同時為保障交通生命線的暢通和保護山區(qū)村鎮(zhèn)人民生命財產(chǎn)的安全，修建了大量的泥石流防治工程。其中常見的防治工程型式包括：谷坊、攔砂壩、明洞、排導槽、渡槽等，這些工程通常會用到大量混凝土材料。20世紀70—90年代，在鐵路泥石流防治工程中，在溢流口等表面易受沖磨損傷的部位較多使用鋼板、鋼軌等做抗沖及耐磨材料，但其中大部分在經(jīng)歷多次泥石流沖磨后，抗沖磨性能仍不能完全滿足要求。例如，為治理成昆線在四川省樂山市大瓦山南麓與漢源縣的邊界上的白熊溝泥石流，20世紀80年代末修建的防治工程中，修建了全襯砌V型排導槽以加強泥石流的宣泄能力，為加強排導槽底的抗沖磨性能，在混凝土中摻入了鋼板、鋼軌等材料?，F(xiàn)行的《泥石流防治工程設計規(guī)范(試行)(T/CAGHP021-2018)》中明確了用于保護鐵路的泥石流防治工程的設計壽命一般按50 a考慮，而根據(jù)2010年(相距白熊溝防治工程建成僅20余年)對白熊溝的現(xiàn)場考察資料發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)該處的全襯砌V型排導槽在經(jīng)歷泥石流沖磨后，產(chǎn)生了較大的損傷，如圖1所示。圖1中A處顯示了在槽底的預埋鋼軌已被沖斷；圖1中B處顯示的損傷，如再經(jīng)歷大規(guī)模泥石流作用，將有可能引發(fā)排導槽地板的揭底破壞，存在失效的風險隱患。

圖1 成昆線白熊溝V型排導槽破損現(xiàn)狀

在現(xiàn)有的研究資料中，泥石流防治工程混凝土的抗沖磨性能研究還較少，如何獲得力學性能穩(wěn)定，且具有較高的抗沖磨強度的混凝土，一直是泥石流防治工程領域亟待解決的一個重要技術問題[9]。圖2—3為2019年8月泥石流對攔砂壩和排導槽造成的沖磨破壞。

圖2 2019年8月泥石流對登溪溝攔砂壩的沖磨破壞

圖3 泥石流對汶川登溪溝排導槽底板的沖磨破壞(矩形槽底)

泥石流防治工程建筑物與泥石流接觸的部位受到的作用力，一部分是泥石流整體對其的摩擦力，另一部分是流體中的巖石顆粒對其的沖擊力，這兩部分作用力共同導致了對建筑物結構表面的沖磨作用[10]。在此作用下，混凝土表面不斷有水泥石微粒脫離，逐漸露出混凝土內(nèi)部的粗骨料并形成粗糙表面。粗糙表面加大了摩擦系數(shù)和沖擊角，導致沖磨力的增強，加速了水泥石微粒的脫離。如此反復循環(huán)，混凝土損傷不斷的積累導致強度降低，最終破壞建筑物結構，嚴重影響泥石流防治工程的安全運行[11]。因此混凝土的抗沖磨性能的優(yōu)劣決定了泥石流防治工程能否長期穩(wěn)定運行。

摻加納米二氧化硅[12-14]、微硅粉[12,15]和聚丙烯纖維[15-16]對提高混凝土抗沖磨性能有較好效果，聚丙烯纖維還能夠提高混凝土的沖擊韌性[17]，引氣劑對改善混凝土內(nèi)微結構，減少有害孔隙有積極作用，還可以提高混凝土的抗?jié)B性和抗凍性，但混凝土強度會有輕微損失[18]。為改善混凝土微結構，提高泥石流防治工程混凝土的抗沖磨性能，提出一種新的抗沖磨混凝土配合比設計思路：通過摻入納米二氧化硅、微硅粉改善混凝土粗、細集料和水泥石之間的接觸界面；通過摻入聚丙烯纖維提高混凝土接觸界面的黏附力；通過引氣劑改善混凝土內(nèi)微結構、減少有害孔隙，提高混凝土的和易性，同時摻加上述4種材料以提高混凝土的整體抗沖磨性能。為此，開展了使用納米二氧化硅和微硅粉等質量取代水泥、聚丙烯纖維質量摻量，并摻入引氣劑的試驗，通過混凝土表面受水下流動介質沖磨的相對抗力來評價混凝土的抗沖磨性能，篩選出顯著影響混凝土抗沖磨強度的摻合材料，并識別出各摻合材料的最佳摻量水平，為泥石流防護工程建設中抗沖磨混凝土的配合比設計提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 材料選取

納米二氧化硅選用ZEC牌的氣相納米二氧化硅，比表面積200±15 m2/g，一次粒徑15 nm，松散密度0.1 g/cm3。微硅粉選用成都產(chǎn)的錦祥牌94型微硅粉，二氧化硅含量94.5%。聚丙烯纖維選用束狀單絲15 mm的聚丙烯纖維，密度為0.91 g/cm3。引氣劑選用廣東龍湖的FLOTAGE AE-2型引氣劑。水泥選用成都產(chǎn)的425普通硅酸鹽水泥，密度為3.1 g/cm3；細集料選用細度模數(shù)為2.76的中砂，密度為2.632 g/cm3，含水率為2%；粗集料選用粒徑5～31.5 mm連續(xù)級配的碎石，表觀密度為2.685 g/cm3。因納米二氧化硅比表面積大，吸水性強，選用聚羧酸系高效減水劑(減水率21%)，滿足混凝土施工的和易性要求。

1.2 試驗設計

在原材料不變的條件下，較小水膠比的混凝土密實程度較高，從而有較高的抗沖磨強度。又因為泥石流防治工程中使用的混凝土強度等級普遍在C20—C35之間，考慮到工程經(jīng)濟性，水灰比不宜定得過小，本試驗選擇固定水膠比為0.4，配制強度等級C25的混凝土。根據(jù)肖會剛等人[19]的研究，納米二氧化硅和微硅粉在不同尺度范圍上充當了細小填料，進一步完善了粗、細集料的級配，減少了影響抗沖磨性能的混凝土內(nèi)部有害孔隙。為在相同的砂、石級配條件下比較納米二氧化硅和微硅粉對混凝土抗沖磨強度的影響，選擇了固定砂率0.4。

選定的4因素3水平詳見表1。納米二氧化硅的摻量參照唐明[12]和Nazari等[13]人的研究，選擇1%，1.5%和2%；微硅粉的摻量參照唐明[12]的研究，選擇8%，10%和12%；聚丙烯纖維的摻量參照胡金生[17]和周世華、石妍等人[20]的研究，選擇0.6，1.2和1.8 kg/m3；引氣劑的摻量以生產(chǎn)廠家的推薦值為基礎增加高水平和低水平，選擇0.005%，0.010%和0.015%。

表1 復摻材料混凝土的有關因素和水平

按照表1中各因素各水平值的選擇，可以得到正交試驗表(詳見表2)。

表2 復摻材料混凝土正交試驗參數(shù)

1.3 配合比設計

根據(jù)《普通混凝土配合比設計規(guī)程(JGJ55-2011)》，計算出初步配合比，并于2019年8月19日，在中鐵二局第四工程有限公司工程檢測中心實驗室，進行了初步配合比的4次試拌調(diào)整。由研究資料[21]得知，由于納米二氧化硅的加入會使得水泥凈漿的標準稠度需水量急劇上升，所配制出混凝土的坍落度將顯著降低，因此在配制過程中不斷試拌調(diào)整，選擇使用聚羧酸系高效減水劑，摻量選擇1.85%，以滿足混凝土的工作性要求。最終配制的試驗配合比詳見表3。通過該表所列數(shù)據(jù)配制的混凝土坍落度在20～90 mm不等，基本滿足工作性要求。

表3 復摻材料混凝土配合比 kg

1.4 混凝土試件制作

2019年8月20日上午，仍在中鐵二局四公司中心試驗室，按試驗1的配合比，使用內(nèi)徑300 mm±2 mm，高100 mm±1 mm的試模，制作了1組3個符合《水工混凝土試驗規(guī)程(SL352-2006)》要求的混凝土試件。在脫模之后，于8月23日運回中國科學院、水利部成都山地災害與環(huán)境研究所試驗大廳常規(guī)養(yǎng)護，用于調(diào)試水下鋼球沖磨試驗機。2019年8月20日下午至22日下午，按表3的配合比，在該實驗室，使用標準試模，制作了每組3個共9組符合《水工混凝土試驗規(guī)程(SL352-2006)》要求的混凝土試件，每組試件脫模后，均送入該中心試驗室的養(yǎng)護室標準養(yǎng)護。8月23日，最后一組試件脫模完畢送入養(yǎng)護室。所有試件標準養(yǎng)護28 d后，于2019年9月20日運至成都山地災害與環(huán)境研究所試驗大廳(圖4)。

圖4 完成養(yǎng)護待沖磨的9組試件

1.5 試驗方法

在泥石流運動過程中，由于鋪床作用[22]，減小了外部的阻力，也減小了防護工程結構體受到的摩擦力，因此當容重在一定范圍內(nèi)時，黏性泥石流比稀性泥石流對建筑物表面混凝土的沖磨作用要小。本試驗采用的水下鋼球法是用葉輪帶動水流高速流動，并挾帶水中的鋼球對試件表面進行沖磨，模擬了特定參數(shù)的泥石流的運動，對泥石流防治工程的耐久(磨)性設計具有一定的參考作用。按照《水工混凝土試驗規(guī)程(SL352-2006)》中，水下鋼球法沖磨試驗的要求，抗沖磨性能指標以抗沖磨強度表示，按公式(1)計算，其數(shù)值越大說明抗沖磨性能越好。

(1)

式中：Ra為抗沖磨強度,即單位面積上被磨損單位質量所需的時間(h·m2/kg);T為試驗累計時間(h)；A為試件受沖磨面積(m2)；MT為試件受沖磨T時段后，累計的損失質量(kg)。

在摻加了納米二氧化硅和微硅粉的混凝土中，隨著混凝土齡期的發(fā)展，水泥水化進程不斷深入，活性二氧化硅微粒不斷與水泥水化生成的氫氧化鈣發(fā)生火山灰反應，將導致混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度隨混凝土齡期發(fā)展而不斷提高，陳永根的研究[23]也印證了這一點。研究發(fā)現(xiàn)，56 d齡期和28 d齡期的單摻硅灰的相變混凝土相比較，抗壓強度增加了14.17%，劈裂抗拉強度增加了43.36%。大量前人研究表明[24-25]，混凝土抗壓強度和抗沖磨強度存在正相關關系，即混凝土試件的抗壓強度越大，抗沖磨強度也越大。而劈裂抗拉強度宏觀反映的是混凝土中的膠凝材料的黏結力，此強度越高，說明膠凝材料與集料之間的黏結力越大，在沖磨過程中需要更長的時間來造成混凝土膠凝材料的質量損失，因此由抗沖磨強度的定義可知，劈裂抗拉強度與抗沖磨強度也存在正相關關系?；谝陨显?，為盡量降低混凝土試件齡期過長，混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度增大對試件抗沖磨強度的影響，避免試驗結果受到較大干擾，參照《水工混凝土試驗規(guī)程(SL352-2006)》標準試驗方法，用沖磨12 h的質量損失，來定性描述各試件的抗沖磨強度。試驗步驟為： ①試驗前，將試件在水盆中浸泡48 h； ②試驗時，取出試件，擦去表面水分，稱量試件沖磨前質量； ③放好鋼筒密封圈，底板上墊兩根φ6 mm的鋼筋后，將試件裝至試驗機中并對中，套上鋼筒； ④安裝攪拌槳，使得槳底部距試件表面約38 mm，調(diào)整轉軸并和鋼筒對中； ⑤在鋼筒內(nèi)放入10個直徑25.4±0.1 mm，35個直徑19.1±0.1 mm，25個直徑12.7±0.1 mm的研磨鋼球于試件表面，加水至水面高出試件表面165 mm； ⑥設定轉軸轉速1 200 r/min，開機。 ⑦累計沖磨12 h，取出試件，清洗干凈并去除表面水分，稱量試件沖磨后質量。

2019年9月30日至10月6日，在中國科學院、水利部成都山地災害與環(huán)境研究所試驗大廳，按照上述試驗步驟，使用如圖5所示的水下鋼球試驗機完成了各組試件的12 h沖磨試驗。

圖5 水下鋼球法試驗裝置

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

試驗開始前測量記錄試件的初始質量，試驗完成后測量記錄試件累計沖磨12 h后的剩余質量，并計算抗沖磨強度一并填入(表4)。沖磨試驗后，試件如圖6所示。

表4 水下鋼球法沖磨試驗數(shù)據(jù)

圖6 經(jīng)歷12 h沖磨試驗的一個試件

2.2 極差分析

表5 沖磨試驗數(shù)據(jù)極差分析結果

對表5中的數(shù)據(jù)，應用極差法進行分析，可以得到： ①本次正交試驗各因素對應的極差R值從大到小的順序為：A>C>B>D，也即各因素影響混凝土抗沖磨強度的主次順序。可見納米二氧化硅摻量是影響混凝土試件抗沖磨強度的主要因素，其次為聚丙烯纖維，再次是微硅粉，最后是引氣劑。 ②因素A所在列的K2在該列中最大，說明因素A選擇第2個水平比其余兩個水平好，同理可以得到因素B的第3個水平、因素C的第3個水平，因素D的第1個水平比其余的水平好，因此得到最佳的試驗條件為：A2B3C3D1。也即當納米二氧化硅摻量為1.5%，微硅粉摻量為12%，聚丙烯纖維摻量為1.8 kg/m3，引氣劑摻量為0.005%時，所配制的抗沖磨混凝土具有較高的抗沖磨強度。

2.3 納米二氧化硅摻量對抗沖磨強度的影響

納米二氧化硅顆粒直徑一般在1～100 nm，比表面積可達150～300 m2/g，表面有大量不飽和Si-O殘鍵及不同鍵合狀態(tài)的羥基，因表面欠氧而偏離了穩(wěn)態(tài)的硅氧結構，從而具有高反應活性[28]。納米二氧化硅顆粒摻入到混凝土中以后，通過與水泥水化生成的Ca(OH)2發(fā)生火山灰反應，加速硅酸三鈣(C3S)的溶解，并為硅酸鈣水合物(C-S-H)提供成核位置加速C-S-H的生成[29]，改善了膠凝材料與集料的界面結構，極大降低了水化產(chǎn)物中Ca(OH)2的含量，在膠凝材料中生成了更多的鈣礬石，提高了水泥石的密實程度，減少了影響混凝土強度的有害孔隙，從而能夠有效提高混凝土的抗壓強度。由于C-S-H凝膠的生成需要大量水參與反應，摻入納米二氧化硅后，需水量將大大增加。如果納米二氧化硅摻量過高，一是可能導致用水量不足，水泥水化不充分，降低混凝土的抗壓強度；二是可能大大增加了用水量，混凝土硬化產(chǎn)生強度后，未參與水化反應和火山灰反應的水分逸散后留下的有害孔隙將大量增加，降低混凝土的抗壓強度?；谏鲜龇治?，從抗沖磨強度與抗壓強度的正相關關系來看，摻加合適含量的納米二氧化硅能提高混凝土的抗沖磨強度，但摻量過高將降低混凝土的抗沖磨強度。由試驗結果可以看到，納米二氧化硅(因素A)對應的不同摻量水平的K值有以下關系：K2>K3>K1，這說明納米二氧化硅的摻量不是越高越好，當摻量超過一定比例后混凝土的抗沖磨強度反而會降低，和分析結論一致。

2.4 微硅粉摻量對抗沖磨強度的影響

微硅粉顆粒的平均粒徑在0.1～0.3 μm，比表面積為20～28 m2/g，細度和比表面積約為水泥的80～100倍，粉煤灰的50～70倍。微硅粉摻入到混凝土中以后，與納米二氧化硅相類似，其中的活性二氧化硅顆粒也能夠和水泥水化產(chǎn)物中的Ca(OH)2發(fā)生火山灰反應，改善膠凝材料與集料的界面結構，提高混凝土抗壓強度，從而提高抗沖磨強度。

由試驗結果，可以看到微硅粉(因素B)對應的不同摻量水平的K值有以下關系：K3>K2>K1，說明在選擇的摻量范圍內(nèi)，摻入微硅粉以后，混凝土的抗沖磨強度隨微硅粉摻量的增加而增加。但微硅粉摻量過高將可能造成替換的水泥過多，參加水化反應的水泥顆粒不足，導致混凝土的力學強度降低，最終影響混凝土抗沖磨強度。綜合防治工程建設的經(jīng)濟性考慮，在抗沖磨混凝土配合比設計時可在10%～12%中選定實際摻加量。

2.5 聚丙烯纖維摻量對抗沖磨強度的影響

聚丙烯纖維質量輕，纖維直徑小。摻加聚丙烯纖維后，在混凝土強度發(fā)展的早期階段，纖維在混凝土中呈均勻亂向分布相互交叉搭接，抑制了混凝土的粗骨料下沉，不但減少結構缺陷、提高了混凝土的均勻性，還能通過阻斷逸出通道減少水分的散失[30]。混凝土硬化形成穩(wěn)定結構后，由于纖維與混凝土中膠凝材料基體之間的黏結強度較高，纖維本身也有一定的塑性，對混凝土結構具有一定的約束作用，又因為在混凝土受到?jīng)_磨時，纖維在混凝土中的雜亂分布有利于將沖磨面受到的荷載傳導到未受沖磨的部分，因此沖磨力需要克服這些約束作用后才會使混凝土發(fā)生磨損，這使混凝土整體的抗沖磨強度得到了一定程度的提高。由試驗結果可以看到，聚丙烯纖維(因素C)對應的不同摻量水平的K值有以下關系：K3>K1>K2。表明在摻入聚丙烯纖維后，混凝土的抗沖磨強度隨聚丙烯纖維的摻量增加先降低后升高。這是因為在纖維摻量水平較低時，還未在混凝土中廣泛形成相互交叉搭接的網(wǎng)狀結構，在這個階段，摻入的纖維是作為影響混凝土力學性能的雜質存在，因此混凝土抗沖磨強度隨摻量的增加而降低；而摻量達到一定水平后，網(wǎng)狀結構開始廣泛形成，隨著纖維摻量的增加，約束作用的不斷增強，混凝土抗沖磨強度也開始不斷增強。因此在抗沖磨混凝土的配合比設計中，每方混凝土的聚丙烯纖維摻量可選擇在1.8 kg左右，并通過進一步的試配試驗確定其抗壓強度、抗沖磨強度及經(jīng)濟性是否滿足設計要求。

2.6 引氣劑摻量對抗沖磨強度的影響

由于混凝土在攪拌時將空氣帶入到混凝土漿體內(nèi)，容易形成一些大小不一，不均勻的氣泡?；炷劣不?，部分氣泡在混凝土內(nèi)形成密閉空腔，成為結構缺陷，氣泡直徑、氣泡間距等參數(shù)直接影響了混凝土強度。引氣劑是一種憎水性表面活性劑，溶于水后加入混凝土拌合物內(nèi)，在攪拌過程中可以使混凝土攪拌時產(chǎn)生的氣泡直徑大大減少，分布均勻，還能提高混凝土的和易性。摻入引氣劑后增加了混凝土的孔隙率，隨著引氣劑摻量的變化，混凝土的力學強度、抗沖磨性能均會受到影響。由于摻加的納米二氧化硅需水量大，混凝土攪拌時和易性和工作性不好，為解決這一困難，需要加入少量引氣劑。由試驗結果可以看到，引氣劑(因素D)對應的不同摻量水平的K值有以下關系：K1>K3>K2。摻入引氣劑后隨著引氣劑摻量的增加，混凝土抗沖磨強度先減小后增加。需要注意的是，引氣劑不宜摻入過多，而試驗結果顯示，4個因素中引氣劑的影響最不顯著，因此在防護工程的抗沖磨混凝土配合比設計時，引氣劑的摻量可選擇0.005%。

3 結 論

通過正交試驗設計，選擇納米二氧化硅、微硅粉、聚丙烯纖維、引氣劑的不同摻量水平，分組配制成抗沖磨混凝土試件后，使用水下鋼球試驗法對各試件進行了沖磨試驗，并對試驗結果進行了分析，復摻納米二氧化硅、微硅粉、聚丙烯纖維、引氣劑時，最合適的摻量分別是為1.5%，12%，1.8 kg/m3，0.005%。本試驗得出的結果反映了C25強度的混凝土試件抵抗特定的流速、容重、最大粒徑、固體顆粒配比的固液兩相流體連續(xù)沖磨的能力，缺乏普適性，只是定性表征了混凝土材料在此類流體下的抗沖磨能力，為泥石流防治工程中抗沖磨混凝土配合比的設計提供了一些思路。需要注意的是在泥石流防治工程的混凝土設計中，不僅需要按照所在防治地區(qū)發(fā)生過的泥石流的運動特征參數(shù)作進一步的現(xiàn)場或模擬沖磨試驗，驗證所設計混凝土的實際抗沖磨能力是否能滿足設計要求，還應進行力學強度、沖擊韌性等試驗，驗證其力學性能是否滿足結構穩(wěn)定性的要求。