磨蚀环境下混凝土性能优化研究

2024-11-01 00:00:00亓鹏程
工程机械与维修 2024年4期

摘要:磨蚀是混凝土结构在使用过程中常见的一种破坏形式,对混凝土结构的性能和耐久性造成严重影响。为了提高混凝土在磨蚀环境下的性能,通过对混凝土材料的成分、配合比等方面进行优化研究。研究结果表明:水胶比对混凝土强度和抗磨蚀性能有显著影响,水胶比越低,混凝土强度和抗磨蚀性能越高。骨料种类对混凝土强度和抗磨蚀性能也有显著影响,人工破碎铁矿砂石骨料的混凝土强度和抗磨蚀性能高于天然砂石骨料的混凝土。混凝土的抗磨蚀比是混凝土抗磨蚀性能与混凝土强度的比值,反映了混凝土的耐磨性,水胶比越低,抗磨蚀比越高。人工破碎铁矿砂石骨料的抗磨蚀比,高于天然砂石骨料的抗磨蚀性能。

关键词:磨蚀环境;混凝土;性能优化

0 引言

在磨蚀环境下,混凝土会受到物理、化学和生物的侵蚀作用,导致其强度、耐久性和稳定性降低,甚至造成结构失效[1]。因此,研究混凝土在磨蚀环境下的性能变化及其优化方法,对于提高混凝土结构的安全性和寿命具有重要意义[2]。

磨蚀环境下混凝土性能优化的研究已经吸引了众多学者的关注,并且在过去的几十年中取得了许多重要的研究成果。陈国新等[3]研究调查了水泥类型和填充剂含量对自密实混凝土的耐磨性能的影响。研究结果表明,通过选择合适的水泥类型和适量的填充剂,可以显著提高混凝土的耐磨性能。黄继汤等[4]研究探讨了在混凝土中利用替代胶凝材料来提高其耐磨性能。研究结果表明,使用替代材料(如粉煤灰、矿渣、二氧化硅等)可以显著改善混凝土的耐磨性能。

刘波等[5]综述了荷载与环境共同作用下混凝土耐久性研究的进展情况,主要从影响机理、评价方法、优化措施、数值模拟和试验研究等方面进行介绍,并对混凝土耐久性研究提出了展望。孟涛等[6]研究表明,碳化对含有矿物掺合料混凝土的氯离子扩散的促进作用远远大于普通混凝土,因为矿物掺合料的加入使Ca(OH)2的量减少,碱性物质含量减少导致内部pH值降低。

本文旨通过改变混凝土的配合比、掺加材料等手段来提高混凝土抗磨蚀性能,为进一步推动混凝土在磨蚀环境中的性能优化,可持续发展提供支持和保障。

1 工程概况

本文基于铁力呼兰河铁路特大桥工程,探讨了混凝土抗磨蚀性能的优化方法。该大桥共设墩柱594个,分别为双线一字桥台2个,双线圆端形实体双固定桥墩4个,双线圆端形实体桥墩588个。桥墩台身上部采用C35、C40混凝土,下部采用C40、C45混凝土。墩柱高度范围为3~26.5m。

该地区风力等级≥7级,年风沙天数超过90d,河道汛期含砂量在200~1000kg/m3之间。因水流中含有大量的泥沙,在高速水流的作用下会对桥墩部分混凝土造成冲击和磨损。

2 试验设计

本文通过试验研究了水胶比、骨料种类以及配合比对混凝土强度和抗磨蚀性能的影响。试验混凝土水胶比取0.21、0.26、0.31、0.45,分别选取天然砂石骨料和人工破碎铁矿砂石骨料2种骨料。试验方案如表1所示。配合比设计如表2所示。

3 结果分析

3.1 抗压强度

为了研究不同种类骨料对混凝土抗压强度的影响,本文对2种不同种类的混凝土进行了抗压强度试验,分别是天然砂石骨料混凝土和铁矿砂石骨料混凝土。试验中,保持骨料级配、掺合料用量和拌合时间等因素不变,只改变水胶比,分别制作了不同水胶比的混凝土试件。

3.1.1 抗压强度与水胶比的关系

不同水胶比天然砂石混凝土抗压强度如图1所示。不同水胶比铁矿砂石混凝土抗压强度如图2所示。由图1、图2可知,两种骨料混凝土的抗压强度都随水胶比的减小而提高,这符合水胶比对混凝土强度的影响规律。在水胶比低于0.31的条件下,铁矿砂石骨料混凝土的抗压强度增长更加显著,表明其在低水胶比环境下具有更优越的性能。

当水胶比从0.31降至0.21时,天然砂石骨料混凝土的抗压强度增长呈现平缓趋势,而铁矿砂石骨料混凝土的抗压强度增长则呈现出较为陡峭的趋势。这一现象揭示了在较低水胶比条件下,铁矿砂石骨料混凝土在抗压性能上相较于天然砂石骨料混凝土的明显优势。

3.1.2 抗压强度与养护期的关系

在时间维度上,图1中不同水胶比的线条展示了天然砂石骨料混凝土在3d、7d、28d、和60d不同养护期的抗压强度变化。其中,水胶比为0.21的混凝土在整个养护周期内,均展现出最高的抗压强度。

相较之下,图2显示铁矿砂石骨料混凝土在相同的水胶比和养护时间点下,其抗压强度普遍高于天然砂石骨料混凝土。这说明骨料种类也对混凝土强度有显著影响,人工破碎铁矿砂石骨料的强度和硬度高于天然砂石骨料。降低水胶比能够有效提升混凝土的抗压强度,且这一效应在铁矿砂石骨料混凝土中更为突出。因此在混凝土结构设计和材料选择时,优先考虑使用铁矿砂石骨料作为骨料。

3.2 抗磨蚀性能

对2种试验方案各不同配合比混凝土的抗磨蚀试件,养护28d后进行抗磨蚀试验。

3.2.1 抗磨蚀强度与水胶比的关系

两种不同种类骨料混凝土的抗磨蚀强度随水胶比的变化曲线如图3所示。从图3可以看出,两种骨料混凝土的抗磨蚀强度都随水胶比的减小而提高,这符合水胶比对混凝土强度的影响规律。

从图3还可以看出,铁矿砂石骨料混凝土的抗磨蚀强度高于天然砂石骨料混凝土的抗磨蚀强度,这说明骨料种类也对混凝土强度有显著影响,人工破碎铁矿砂石骨料的强度和硬度高于天然砂石骨料,因此提高了混凝土的抗磨蚀强度。

分析认为,铁矿砂石骨料与水泥浆之间的粘结性能较好,能够有效地抵抗冲击荷载和摩擦力,而天然砂石骨料与水泥浆之间的粘结性能较差,容易产生脱粘和剥落现象。因此,骨料种类对混凝土抗磨蚀性能有重要影响,应该根据工程需要选择合适的骨料。

3.2.2 磨损率与水胶比的关系

两种骨料类型混凝土的磨损率与水胶比的关系曲线如图4所示。从图4可以明显看出,无论是铁矿砂石骨料混凝土还是天然砂石骨料混凝土,其磨损率都随着水胶比的降低而降低。这表明水胶比的降低有利于减少混凝土的磨损程度,提高混凝土的耐磨性。

同时从图4也可以发现,铁矿砂石骨料混凝土的磨损率始终低于天然砂石骨料混凝土的磨损率,这表明铁矿砂石骨料混凝土的耐磨性优于天然砂石骨料混凝土的耐磨性,这与骨料类型的差异有关。

3.2.3 抗磨蚀强度与抗压强度的关系

混凝土的抗磨蚀强度与抗压强度之间的关系受水胶比的影响,如图5所示。当水胶比为0.21时,混凝土的抗磨蚀强度随着抗压强度的提高而增加,表明两者呈正相关。

分析认为,水胶比较低时,混凝土的内部结构较紧密,有利于提高其耐磨性。当水胶比为0.31时,混凝土的抗磨蚀强度先随着抗压强度的提高而增加,达到一个最大值,然后随着抗压强度的继续提高而下降,表明两者存在一个最佳匹配点。水胶比过高时,混凝土的内部结构较松散,降低了其耐磨性。

3.2.4 磨损率与抗压强度的关系

如图6所示,混凝土的磨损率与抗压强度之间存在一定的相关性,但这种相关性受水胶比的影响。当水胶比为0.21时,混凝土的磨损率随抗压强度的提高而降低,表明两者呈负相关关系,即抗压强度越高,混凝土越耐磨。

当水胶比为0.31时,混凝土的磨损率随抗压强度的变化呈现出先降后升的趋势,表明两者存在一个最优匹配点,在该点混凝土的磨损率达到最小值。如果抗压强度继续增加,混凝土的磨损率反而会增加,可能是由于水胶比过高造成混凝土内部结构不紧密,降低了其抗磨性能。

4 结束语

本文基于铁力呼兰河大桥工程,通过试验研究了水胶比、骨料种类以及配合比对混凝土强度和抗磨蚀性能的影响。试验混凝土水胶比取0.21、0.26、0.31、0.45,分别选取天然砂石骨料和人工破碎铁矿砂石骨料两种骨料,对达到养护龄期的样品进行抗压强都和抗磨蚀试验。研究结论如下:

铁矿砂石骨料混凝土的抗压强度高于天然砂石骨料混凝土的抗压强度,这说明骨料种类也对混凝土强度有显著影响,人工破碎铁矿砂石骨料的强度和硬度高于天然砂石骨料,因此可以提高混凝土的抗压强度。

铁矿砂石骨料混凝土的磨损率始终低于天然砂石骨料混凝土的磨损率,这表明铁矿砂石骨料混凝土的耐磨性优于天然砂石骨料混凝土的耐磨性。

混凝土的抗磨蚀强度先随着抗压强度的提高而增加,达到一个最大值,然后随着抗压强度的继续提高而下降,表明两者存在一个最佳匹配点。这是因为水胶比过高时,混凝土的内部结构较松散,降低了其耐磨性。

参考文献

[1] 王文龙.提高水工建筑物抗冲磨蚀性能对策探讨[J].中国农村水利水电,2012(10):98-101.

[2] 连晓飞,郭凯.钢纤维增强水工混凝土的水力磨蚀性能研究[J].建筑机械,2023(4):122-126.

[3] 陈国新,唐修生,祝烨然,等.几种抗冲磨混凝土性能试验研究[J].混凝土,2008(3):72-74.

[4] 黄继汤,田立言,李玉柱.在清水及挟沙水流中混凝土等脆性材料抗磨蚀性能的试验研究[J].水利水电技术,1985(9):8-11.

[5] 刘波,董海英.不同的抗冲磨材料对混凝土性能的影响[J].四川建材,2021,47(3):21-22+24.

[6] 孟涛,李双喜,常建军,等.骨料品种对抵抗推移质泥沙颗粒磨蚀的混凝土性能影响[J].水利水电技术,2018,49(S1):54-57.