超高性能纤维增强水泥基复合材料的抗冲磨性能研究

赵正，刘健，徐晶，姚欣，王俊颜，刘国平

（上海罗洋新材料科技有限公司，上海 200092）

超高性能纤维增强水泥基复合材料的抗冲磨性能研究

赵正，刘健，徐晶，姚欣，王俊颜，刘国平

（上海罗洋新材料科技有限公司，上海 200092）

水工泄洪建筑物的冲磨破坏现象较为普遍，给国家带来巨大的经济损失，而当前的技术手段并不能有效解决问题，迫切需要新材料和新技术的产生和应用．本文主要采用圆环法和水下钢球法研究了超高性能纤维增强水泥基复合材料（UHPFRCC）的抗冲磨性能．结果表明：UHPFRCC可实现高流动度（扩展度可达690 mm）、超高强度（28 d抗压强度可达190 MPa）、超高抗冲磨强度（28 d抗冲磨强度可达C50混凝土的5.5倍）．

UHPFRCC；超高强度；抗冲磨强度

0 引言

随着中国经济的高速增长，能源的消耗量与日俱增，为保证经济的稳定增长，能源供应成为国家的当务之急，我国作为水能资源蕴藏量世界第1的国家（理论蕴藏量达60 829亿千瓦时/年），水电开发必然成为能源供应的重要组成部分．根据国家水电开发规划，水电装机容量在“十三五”末达到3.5亿千瓦，2030年达到4.5亿千瓦，除西藏外完成全国所有水电开发，可见在未来20年内，大量的水电工程建设将在各大河流上展开，尤其是金沙江、雅砻江、大渡河、澜沧江、怒江、黄河上游干流等6个规划装机容量合计超过2亿千瓦、开发率较低的水电基地．

我国江河以含沙量高而闻名，例如黄河多年平均年输砂量可达16.4亿吨．据统计，我国年输沙量超过1 000万吨的河流多达42条．我国华北地区的河流，主要携带泥砂等悬移质，尤其在汛期最为集中；而西南地区的河流，多系山区河流，河道内常堆积大量块石，这些块石粒径可达数10 cm，有的达1m以上，是造成水工建筑物冲磨破坏的推移质的主要来源．推移质以滚动、滑动和跳动的方式运动，其破坏力往往较悬移质更大，常导致水工建筑物表面混凝土出现大面积脱落，进而使得钢筋外露，对溢流面、消力池及泄洪洞等水工泄水建筑物造成功能性损伤，引起经济上的巨大损失．在我国的长江中、下游河流中，混凝土的冲磨破坏往往由悬移质和推移质共同引起．在高速水流过流区，挟砂水流对建筑物的破坏又表现为冲磨和空蚀2种破坏形式，两者交替并且相互促进．

抗冲磨破坏给我国带来巨大的经济损失，而目前的技术手段很难有效解决问题，因此迫切需要抗冲磨新材料、新技术的出现．超高性能纤维增强水泥基复合材料（ultrahigh performance fiber reinforced cementitious composites，UHPFRCC）以其超高强度、超高韧性、超高抵抗变形和开裂能力、超高耐久性和超长服役寿命等特性近年来成为国际复合材料行业的研究热点，UHPFRCC的性能远超过普通混凝土，可应用于各类大跨度轻质结构、严苛腐蚀或冻融环境下的结构、高耐磨结构、抗暴抗冲击国防工程、港口海洋工程、结构抗震、桥梁工程、核电站工程等[1-3]．目前国内外对UHPFRCC的抗冲磨性能研究较少，为促进UHPFRCC在水工抗冲磨结构中的应用，本文分别采用圆环法和水下钢球法研究了UHPFRCC的抗冲磨性能．

1 试验

1.1 UHPFRCC原材料及配合比

水泥采用PⅡ52.5硅酸盐水泥，比表面积大于350 m2/kg；矿粉采用比表面积大于750 m2/kg的超细矿粉；硅粉采用比表面积大于20 000 m2/kg的超细硅粉；细集料采用细度模数为2.4的河砂；外加剂采用高效复合型外加剂，具有减水、降粘、保坍等多种功能，减水率大于30%；钢纤维（SF）采用镀铜超细钢纤维，长度13 mm，长径比为65，抗拉强度2 750 MPa，弹性模量200 GPa；聚乙烯醇纤维（PVAF）长度8 mm，直径38m，抗拉强度1 500 MPa，弹性模量40 GPa．

表1 UHPFRCC组分质量比例Tab.1 M ix proportions of UHPFRCC

表2 C50混凝土单方配合比kg/m3Tab.2 M ix proportions of C50 concrete

1.2 C50混凝土原材料及配合比

水泥采用PⅡ52.5硅酸盐水泥，比表面积大于350m2/kg；粉煤灰采用二级灰；细集料采用细度模数为2.6的河砂；粗骨料采用5～20 mm的碎石；减水剂为聚羧酸系减水剂，减水率大于20%．

1.3 试验方法

1）工作性

按照GB/T 50080《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》采用坍落度筒法测试UHPFRCC的扩展度，用钢尺测量UHPFRCC扩展后最终的最大直径和最小直径，在这2个直径之差小于50mm的条件下，用其算术平均值作为坍落扩展度值．

2）抗压强度

UHPFRCC的7 d、28 d抗压强度采用40 mm×40 mm×40 mm试件，每组6个试件，采用电液式压力试验机（符合GB/T 3722），加载速度为5～10 kN/s；C50混凝土7 d、28 d抗压强度采用150 mm×150 mm× 150 mm试件．

3）圆环法抗冲磨试验

按照DL/T 5150《水工混凝土试验规程》4.18规定的试验方法测试UHPFRCC和C50的抗冲磨强度（h/kg/m2），每组成型3个试件，以3个试件测值的平均值作为试验结果，如单个测值与平均值的差值超过15%，则此值应剔除，以余下2个测值的平均值作为试验结果[4]．

4）水下钢球法抗冲磨试验

按照DL/T 5150《水工混凝土试验规程》4.19规定的试验方法测试UHPFRCC和C50的抗冲磨强度（h/kg/m2），每组成型3个试件，试验结果的处理方法同圆环法抗冲磨试验[4]．

2 试验结果与讨论

2.1 工作性能

UHPFRCC胶凝材料用量较大，水胶比较低，体系粘度较高，但在良好的颗粒级配及高效外加剂作用下可以实现较高的工作性能[5]．由表3可知，3组UHPFRCC的初始扩展度均能达到665mm以上，已经达到自流平混凝土的扩展度要求（650～750mm）；在配合比其它组分相同仅纤维种类和掺量不同情况下，UF-3（掺0.5%体积率PVAF）的工作性比UF-1（掺2%体积率SF）差，可见柔性纤维对UHPFRCC的工作性影响更大．

2.2 抗压强度

UHPFRCC的一个显著特性就是超高强度，普通养护条件下28 d抗压强度可达到150～250 MPa，蒸养条件下可以达到更高．UHPFRCC的超高强度是因其极低的水胶比（0.1～0.2）以及原材料达成的紧密堆积，胶凝材料水化后形成极其致密的凝胶结构，总孔隙率达到6%以下．

表4为UHPFRCC及C50混凝土7 d、28 d抗压强度，数据表明纤维种类和掺量对UHPFRCC的强度影响较大．相同纤维体积掺量下，UF-2的7 d、28 d抗压强度分别比UF-3高11.5%和26.6%，可见纤维的材质和性能对UHPFRCC力学性能有重要影响；UF-1的SF掺量高于UF-2，7 d、28 d抗压强度分别比UF-2高26.3%和19.3%，这表明SF掺量提高可以显著提高UHPFRCC的力学性能．

2.3 抗冲磨性能

材料的抗冲磨性能与材料的微观结构及宏观力学性能有密切关系，一般来说微观结构越致密、化学键越强、分子力越大，宏观力学性能越高，材料抗冲磨强度也就越高．目前水工泄洪建筑物的抗冲磨混凝土设计主要通过提高强度等级来增强抗冲磨性能，常用的抗冲磨混凝土为C40～C60，即便如此混凝土的冲磨破坏依然十分严重，因此亟需更高抗冲磨性能的材料的出现[6]．

2.3.1 圆环法

圆环法试验是模拟水流介质中悬移质对水工材料的磨蚀破坏，图1为UHPFRCC和C50混凝土圆环法试验结果，结果表明：UF-1的7 d、28 d抗冲磨强度最高，UF-2、UF-3次之，C50最低，UF-1的7 d、28 d抗冲磨强度分别为C50的3.2倍、3.7倍，UF-2的7 d、28 d抗冲磨强度分别为C50的2.5倍、2.6倍，UF-3的7 d、28 d抗冲磨强度分别为C50的2.5和2.4倍，可见UHPFRCC与普通混凝土相比具有超高的抗冲磨性能．结合表4和图1可知，抗冲磨强度与抗压强度存在正相关关系，通过线性回归法得出两者之间存在较好的线性关系（见图2），R2值为0.954 7，非常接近1，说明曲线拟合程度和可靠性很高，因此可通过图2中的方程推算已知抗压强度的水泥基材料的抗冲磨强度[7]．

2.3.2 水下钢球法

水下钢球法试验是模拟水流介质中推移质对水工材料的磨蚀破坏，图3为UHPFRCC和C50混凝土水下钢球法试验结果，结果表明：UF-1的7 d、28 d抗冲磨强度最高，UF-2、UF-3次之，C50最低，UF-1的7 d、28d抗冲磨强度分别为C50的5.5倍、5.4倍，UF-2的7 d、28 d抗冲磨强度分别为C50的4.3倍、4.5倍，UF-3的7 d、28 d抗冲磨强度分别为C50的4.1和3.8倍，可见UHPFRCC与普通混凝土相比具有超高的抗冲磨性能，且在推移质作为冲磨介质条件下UHPFRCC的抗冲磨性能优势更加突出．结合表4和图3可知，水下钢球法抗冲磨强度与抗压强度存在正相关关系，通过线性回归法得出两者之间存在较好的线性关系（见图4），R2值为0.980 6，说明曲线拟合程度和可靠性很高，因此可通过图4中方程推算已知抗压强度的UHPFRCC的抗冲磨强度．

表3 UHPFRCC的工作性能Tab.3 Workability of UHPFRCC

表4 UHPFRCC及C50混凝土7 d、28 d抗压强度Tab.4 Compressive strengths of UHPFRCC and C50 concrete at 7 and 28 days

图1 UHPFRCC和C50混凝土抗冲磨强度（圆环法）Fig.1 Abrasion resistance strengths(ring test)of UHPFRCC and C50 concrete

图2 抗压强度与抗冲磨强度（圆环法）线性回归曲线Fig.2 Linear regression curve of compressive strengths and abrasion resistance strengths(ring test)

图3 UHPFRCC和C50混凝土抗冲磨强度（水下钢球法）Fig.3 Abrasion resistance strengths(underw ater steel balls method)of UHPFRCC and C50 concrete

图4 抗压强度与抗冲磨强度（水下钢球法）线性回归曲线Fig.4 Linear regression curve of compressive strengths and abrasion resistance strengths(underwater steel balls method)

3 结论

1）UHPFRCC在良好颗粒级配及高效复合外加剂作用下可实现较高流动性能，扩展度可达到690mm．

2）UHPFRCC具有超高强度的特性，UF-1的7 d抗压强度可达到170 MPa以上、28 d抗压强度可达到190 MPa以上；纤维的材质和掺量对UHPFRCC的抗压强度影响较大，SF掺量提高可增加UHPFRCC的抗压强度．

3）UHPFRCC具有超高的抗冲磨性能，圆环法和水下钢球法抗冲磨试验结果表明，UHPFRCC的7 d抗冲磨强度分别可以达到C50混凝土的2.5倍至3.2倍、4.1倍至5.5倍，28d抗冲磨强度分别可以达到C50混凝土的2.4倍至3.7倍、3.8倍至5.4倍；线性回归分析表明圆环法和水下钢球法试验抗冲磨强度与抗压强度均存在良好的线性关系，可通过线性回归方程推算抗冲磨强度．

[1]RedaM M，Shrive NG，GillottJE．M icrostructuralinvestigationof innovativeUHPC[J]．Cementand ConcreteResearch，1999，29（3）：323-329．

[2]Horszczaruk E．Abrasion resistance of high-strength concrete in hydraulic structures[J]．Wear，2005，259（1-6）：62-69．

[3]戎志丹，孙伟，陈惠苏，等．超高性能水泥基材料的力学行为及机理分析[J]．深圳大学学报理工版，2010，27（1）：88-94．

[4]DL/T 5150，水工混凝土试验规程[S]．

[5]Yu R，Spiesz P，Brouwers H J H．M ix design and properties assessment of U ltra-High Performance Fibre Reinforced Concrete(UHPFRC)[J]．Cement and Concrete Research，2014，56（2）：29-39．

[6]Horszczaruk E．Hydro-abrasive erosion of high performance fiber-reinforced concrete[J]．Wear，2009，267（1-4）：110-115．

[7]Horszczaruk E．M athem atical model of abrasive wear of high perform ance concrete[J]．Wear，2008，264（1-2）：113-118．

[责任编辑 杨屹]

Research on abrasion resistance strengths of ultra high performance fiber reinforced cementitious composites

ZHAO Zheng，LIU Jian，XU Jing，YAO Xin，WANG Junyan，LIU Guoping

(Shanghai Royang Innovative M aterial Technologies Co Ltd,Shanghai 200092,China)

Damageofhydraulic structurescaused by abrasion is very common and brings huge economic loss,however technologies available at present can hardly solve the problems effectively,so new materials and technologies are strongly needed.Ring tests and underwater steel balls methods are undertaken in this paper to research on the abrasion resistance strengths of UHPFRCC.The results indicate that UHPFRCC can be designed to have a very high flowability(reach a slum p flow of690mm),ultrahighstrengths(w ith compressive strength of 190MPa at28 d),ultrahigh abrasion resistance strengths(5.5 times of C50 concrete at 28 d).

UHPFRCC;ultra high strength;abrasion resistance strength

TU 528.58

A

1007-2373(2015)06-0108-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.06.021

2014-09-27

国家自然科学基金（51378011）；上海市引进技术的吸收与创新年度计划（13Ⅺ-41）

赵正（1986-），男（汉族），工程师，aaron.zhao@royang.com．