耐磨混凝土的研究

范欣宇，史文斌

（依兰县水务局，黑龙江 依兰 154800）

1 混凝土磨损机理研究与发展

金属物体磨损理论认为金属表面原子受到磨料的撞击或牵引出，脱离原来的晶格位置。混凝土的磨损机理与金属物体的磨损机理不同。很难用微观的分子理论去解释。对混凝土的磨损机理的研究是一个不断认识的过程。关于材料的机械磨损，R.Holm，J.T.Burwell等人相继提出粘着磨损理论，即认为：两个相互作用的表面仅在少数几个孤立的凸出点发生接触，导致这些接触而产生很高的应力，这些微凸体发生粘着，相对运动时，内聚力较弱的一方的微凸体即被对方材料俘获这一理论指出，材料的磨损与作用面的垂直荷载和滑动距离成正比，而与材料的屈服应力成反比。

2 磨损指标

评价混凝土的磨损程度根据实验方法、条件的差别而不同。大致有：

1）磨损量G。试件被磨掉的质量。这里的磨损时间，荷载重都已确定。

2）磨耗值R[1]。其单值计算按如下公式计算：

式中：G1为试件磨前的质量，g；G2为试件磨后的质量，g；A为试件的受磨面积，cm2。

3）抗冲磨强度S[2]。抗冲磨强度主要应用水利工程中对混凝土的研究。在水利工程中，混凝土要受到含沙水流的冲磨。其冲磨磨损率N的计算公式为：

式中：N——磨损率，单位面积上在单位时间内，试件被磨损的质量，kg/（h·m2）；M0——试件磨前的质量，kg；Mt——历史t小时冲磨后试件的质量，kg；t——试件受磨累计历时，h；S——试件受磨面积，m2；对于标准试件，受冲磨面积为0.01 m2。

而抗冲磨强度表示的是单位面积上每磨损1 kg所需要的小时数，按下式计算：

3 耐磨机理

提高混凝土耐磨性的途径有很多种：加入耐磨剂、对混凝土表面进行精细压光、或者加入一些抗磨的外加剂等等。

1）高分子合成乳液耐磨剂的耐磨机理

耐磨剂的种类很多，高分子合成乳液和其它表面活性物质改善了混凝土的微观结构。在搅拌混凝土时，由于表面活性作用，可以适当的减小水灰比，使混凝土更趋密实；在水化过程中，耐磨剂减缓了水分挥发，改善了混凝土的毛细孔结构，减少了微裂缝的形成和发展；水泥硬化完成后，高分子合成乳液失水后形成的部分连贯的聚合物相填充了混凝土内的部分毛细孔和其它空隙，由于聚合物相弹性模量极低，它可以大量地吸收外力对混凝土所做的功而将其转化为变形能，使混凝土的宏观韧性得以提高。

2）硅粉的特性及耐磨机理[4]

硅粉是硅钢厂的副产品，硅粉的成分90%以上是无定形SiO2。其比表面积约为15～20 m2/kg，密度一般为2.2～2.5 g/cm3。

硅粉对混凝土的特殊作用是由于其特殊的形态效应、微集料效应和活性火山灰效应共同影响的结果。其作用机理是把硅粉掺入混凝土中后，硅粉的小颗粒改善了颗粒尺寸分布，并与微细填充物中的Ca（OH）2发生反应生成凝胶性的硅酸钙水化物；火山灰反应的结果改变了混凝土中浆体的孔结构，使大孔减少、小孔增加，孔径变细，浆体中Ca（OH）2晶体细化，定向程度减弱，界面过渡区因而变薄，从而使界面处浆体密实，增加了浆体与骨料界面的粘结强度。由此可见，硅粉在水泥浆体中起水化产物核心作用。由于硅粉与微细填充物中的Ca（OH）2发生反应生成凝胶性的硅酸钙水化物的强度要高于水泥的水化产物氢氧化钙的强度，从而提高了混凝土的强度、耐久性及抗冲磨强度。

4 几种耐磨混凝土的研究方法

1）加耐磨剂——《JC401-91水泥花砖》的耐磨试验方法[3]

长期以来，混凝土的强度一直被认为是决定其耐磨性的主要因素，随着研究的深入，人们发现混凝土的强度与其耐磨性并不存在简单的可用某一方程式来表示的函数关系。在同样强度的情况下改善水灰比、灰砂比、集料的粒径等都有助于耐磨性的提高。混凝土的磨损是一个从表而开始的复杂过程，在基木不提高（或不大幅度提高）强度的情况卜，如何改善并优化混凝土的表面而结构对于提高其耐磨性起着至关重要的作用。未加耐磨剂混凝土的性能见表1。

表1 未加耐磨剂混凝土的性能

表1显示混凝土在成型时表面精细压光的试块比表面一般性地加以抹平的试块耐磨性要好得多，证实了混凝土在成型时表面的整修情况将在较大程度上影响其耐磨性。究其原因，这与表面密实性的提高是分不开的。

试验结果同时表明，采用石屑砂作为细骨料的混凝土，其耐磨性优于黄砂作为细骨料的混凝土。这是由于“石屑——水泥石”之间的界面状态或咬合力显然优于“河（海）砂——水泥石”界面状态。添加耐磨剂混凝土性能见表2。

表2 添加耐磨剂混凝土性能

表1和表2对比，加入耐磨剂的混凝土的耐磨性明显优于没有加入耐磨剂的混凝土。 实验者将自行研制或用国内现有的部分高分子合成乳液改性配制而成的三种混凝土耐磨剂暂时命名为耐磨剂A、耐磨剂B和耐磨剂C。将耐磨剂掺入混个凝土后，试验结果表明，耐磨剂A对混凝土的抗压强度影响不大，但耐磨性均有不同程度的提高，尤其以耐磨剂C提高硅的耐磨性最为显著从表中可以看出，当耐磨剂C的掺量达到水泥用量的6%时，混凝土的耐磨效果提高了一倍以上。

2）超高强耐磨混凝土材料的研究[1]

该实验研制的超高强、高强的耐磨混凝土主要用于工业工程，如管道耐磨内衬、工厂耐磨地面等。分别采用烧结铝矾土、石英砂和黑碳化硅作为混凝土骨料，用正交试验法探讨了集料掺量、集料级配、石英粉掺量和水胶比对混凝土耐磨性的影响。

石英砂：实测密度2.626 g/cm3，用沉积天平测得平均粒径为50.1。

烧结铝矾土：粒径为 0～2 mm，含量 SiC＞80%，Fe2O3＜1.5%。

黑碳化硅：粒径为0～2 mm，含量SiC＞98%，Fe2O3＜0.8%。

正交试验设计：混凝土由集料和水泥石两部分组成，考虑这两部分对混凝土性能的影响。集料品种不变的条件下，选取集料掺量和集料级配作为两个因素。水泥石性能的影响因素中，选取石英粉掺量和水胶比作为另外两个因素。采用正交L9（34）试验设计，见表3。

将实验结果进行方差分析结果见表4。

表3 L9（34）试验方案及试验结果

表4 混凝土28 d磨耗值方差分析

由表4可以得出：对给定α=0.05的情况，因素A的F比最大，说明因素A即烧结铝矾土掺量是影响28 d磨耗值的主要因素，其次为水胶比、烧结铝矾土级配和石英粉掺量。石英砂混凝土石英砂不是耐磨集料，表4中的分析表明，水胶比是影响石英砂混凝土耐磨性最主要的因素，其次是石英砂掺量石英粉掺量和石英砂级配。黑碳化硅混凝土的水胶比对28 d耐磨性的影响最大，其次是石英粉掺量、黑碳化硅掺量和黑碳化硅级配。黑碳化硅为高耐磨材料，表面很光滑，性质与普通混凝土集料有很大的区别，到目前为止很少有针对黑碳化硅集料混凝土的试验研究。

从上面的分析也可以看出，试验结果与烧结铝矾土混凝土和石英砂混凝土有很大差别。结合磨损试验现象和方差分析做如下分析：观察试验后试件的磨损面，可以发现黑碳化硅集料混凝土中黑碳化硅颗粒凸于磨损面上，这是因为黑碳化硅硬度仅次于金刚石、碳化硼和立方氮化硼，具有很强的硬度和耐磨性。混凝土磨损过程中，黑碳化硅颗粒的磨损很少，主要是集料颗粒之间水泥石的磨损，所以其磨耗值取决于水泥石的耐磨性，而本研究选取的试验因素中水胶比和石英粉掺量是水泥石性能的影响因素，从而导致这种试验结果。

3）抗冲耐磨混凝土的研究[4]

耐磨混凝土主要用于道路建筑中，其次就是水利工程，水坝的混凝土不但要耐磨，还要抵抗含沙水流的冲击。采用控制变量法来研究复掺硅粉粉煤灰混凝土的抗冲耐磨性能。不同硅粉掺量对复掺硅粉粉煤灰混凝土抗冲耐磨特性的影响见表5。

表5 硅粉掺量对复掺硅粉粉煤灰混凝土抗冲耐磨性能的影响

由试验结果可以看出：当硅粉掺量从3%增加到5%时，混凝土28 d抗冲磨强度增加29.3%～34.0%。当硅粉掺量从3%增加到8%时，混凝土28 d抗冲磨强度增加61.0%～64.4%。可见在混凝土中掺入硅粉可以有效地提高混凝土的抗冲耐磨特性。

不同等级粉煤灰对复掺硅粉粉煤灰混凝土抗冲耐磨特性的影响试验结果见表6。

表6 粉煤灰等级对复掺硅粉粉煤灰混凝土抗冲耐磨性能的影响

由试验结果可以看出：在混凝土水胶比相同的条件下，掺Ⅰ级粉煤灰混凝土28 d抗冲磨强度比掺II级粉煤灰混凝土28 d抗冲磨强度提高16.4%～18.5%。可见，在硅粉灰凝土中复掺Ⅰ级粉煤灰比复掺II级粉煤灰更有利于提高混凝土的抗冲耐磨特性。

5 结语

混凝土的耐磨性指标是应用中很重要的指标，不同的用途有不同的评价指标。耐磨机理也根据不同的耐磨方法有不同的解释。提高混凝土耐磨性的途径有很多，有加有机高分子聚合物，使混凝土表面密实，提高韧性，进而达到抗磨效果，也有加入硅粉来提高抗磨性。

［1］黄振宇，刘强，超高强耐磨混凝土材料研究，湘潭大学自然科学学报，2009，3（vol31，No.1）.

［2］水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规范，中华人民共和国电力行业标准，DL/T5207-2005，p23.

［3］陈健、赵志宏，耐磨混凝土及其应用研究，混凝土与水泥制品，2001，8（No4）.

［4］杨元慧.复掺硅粉粉煤灰抗冲耐磨混凝土的性能实验研究，水电站设计，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.