冰凌作用下天然浮石混凝土磨损规律研究

王萧萧，冯蓉蓉，荆 磊,2，刘曙光，闫长旺，姜 琳

(1.内蒙古工业大学土木工程学院，呼和浩特 010051；2.内蒙古工业大学，内蒙古自治区土木工程结构与力学重点实验室，呼和浩特 010051；3.生态型建筑材料与装配式结构内蒙古自治区工程研究中心，呼和浩特 010051；4.内蒙古工业大学矿业学院，呼和浩特 010051)

0 引 言

黄河上游内蒙古河段在冬季的封河期和春季的开河期都易发生凌汛，每年约有4～5个月的凌汛期[1]。冰块随着水流的运动会以一定的速度撞击到水工建筑物，水流的推动使得冰与结构物之间连续摩擦，长期累积冰摩擦会导致混凝土材料的胶结性能降低，骨料暴露，随着时间的推移导致保护层逐渐丧失，这不仅降低了严寒区水利工程的服役性能和使用寿命，还带来了巨大的经济损失。

内蒙古地区浮石矿藏极为丰富，仅乌兰哈达火山群形成的浮石储量就在1亿m3以上[2]。利用浮石作为粗骨料可以制备浮石混凝土，其强度可以满足普通混凝土的强度要求[3]，并且能够用于实际工程中。研究[4-7]发现,与普通混凝土相比，天然浮石混凝土具有良好的抗冻性和耐磨性，因此，针对北方寒冷地区水利工程，利用储量丰富的浮石骨料代替天然砂岩配制天然浮石混凝土，并进行凌汛期冰-浮石混凝土的磨损研究具有重要的现实意义。

本文配制了三种不同强度(LC20、LC30、LC40)的天然浮石混凝土，研究了不同强度等级下浮石骨料体积分数、水胶比、胶凝材料硬度这三个因素对冰磨损天然浮石混凝土磨损量的影响规律，并结合显著性分析得出各因素对磨损量的影响程度，借助超景深显微镜观测天然浮石混凝土的表观形貌，分析冰磨损过程中浮石混凝土表面形貌的演变过程。研究可以为天然浮石混凝土在严寒地区的应用提供一定的理论参考。

1 实 验

1.1 原料和配合比

水泥为冀东P·O 42.5普通硅酸盐水泥；粗骨料选用粒径范围在5～20 mm的天然浮石，取自内蒙古呼和浩特市和林县，物理性能见表1；细骨料选用天然河砂，颗粒级配良好，物理性能见表2；粉煤灰选取呼和浩特市金桥热电厂的Ⅰ级粉煤灰；减水剂选用主要成分为β-萘酸钠甲醛高缩聚物的高效减水剂，减水率为20%；水为普通市政自来水。

表1 天然浮石的物理性能

根据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)以及《轻骨料混凝土技术规程》(JGJ 51—2019)，制备强度等级为LC20、LC30、LC40的天然浮石混凝土，配合比见表3。

表3 天然浮石混凝土配合比

1.2 试验方案

1.2.1 天然浮石混凝土-冰磨损试验

图1为天然浮石混凝土-冰磨损试验流程图。试验开始前，制备尺寸为φ45 mm×100 mm的圆柱体冰试样。制备尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的天然浮石混凝土试样(见图1(a))，为满足磨损装置的尺寸要求，将其切割成尺寸为30 mm×45 mm×180 mm的长方体试块(见图1(b))。为加速磨损，选择切锯的天然浮石混凝土表面作为磨损面，在磨损面的纵轴线上等距离标记5个点(见图1(c))，使用电子螺旋测微仪(精确到0.001 mm)测量标记点的初始厚度，记为h。在冰柱上方施加3 MPa的压力，启动磨损装置(见图1(d))，冰柱在天然浮石混凝土表面做往复运动。结合内蒙古地区流凌期的特点及当地流凌情况，选取冰凌磨损路径为16 km[1,14-15]，当冰凌磨损路径达到目标长度时，取出天然浮石混凝土试样并清理表面，测量磨损后标记点的厚度，记为h′。磨损量(H)的计算公式如式(1)所示。

(1)

式中：下标i代表标记点的编号；hi表示第i个标记点的初始厚度，mm；h′i表示磨损后第i个标记点的厚度，mm。

对于“MooN”模型来说，其故障裕度为N-M，故而“1oo2”模型故障裕度为1。即该模型能够容忍一个危险失效。即当系统发生一次危险失效时，不影响其执行安全仪表功能(SIF)。

使用VHX-500型超景深显微镜(见图1(e))观测天然浮石混凝土的表面形貌。将浮石混凝土试样磨损面朝上放置于置物平台上，调节X-Y平面的位置，直到标记点处于视野中心，对焦后拍摄冰磨损前后天然浮石混凝土的表观形貌图。

图1 磨损试验流程图。(a)天然浮石混凝土试样;(b)切锯天然浮石混凝土试样;(c)标记天然浮石混凝土试样;(d)磨损装置;(e)超景深显微镜

1.2.2 纳米压痕试验

选用Nano Indenter G200型纳米压痕仪进行胶凝材料硬度试验。试验开始前，制备尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的混凝土试样，为满足纳米压痕仪操作台的尺寸要求，对天然浮石混凝土试样进行取芯操作，取芯尺寸为φ12 mm×20 mm，取芯试样如图2所示。用研磨机对取芯试样的上下表面进行研磨，使其表面光滑平整，对研磨后的试样进行抛光处理，使其呈现出金属光泽。在试样表面胶凝材料上均匀选取3个测点进行纳米压痕试验，取3个点的平均值作为胶凝材料的硬度值。

图2 纳米压痕试样

2 结果与讨论

2.1 浮石骨料体积分数对天然浮石混凝土磨损的影响

图3显示了浮石骨料体积分数对磨损量的影响。由图3可以看出，当浮石骨料体积分数增大时，磨损量均值随之增加。这是因为浮石骨料作为一种多孔粗骨料掺入混凝土中会增加天然浮石混凝土的孔隙率，从而降低天然浮石混凝土的强度。由于切锯后的天然浮石混凝土表面会暴露出大量的浮石骨料，浮石骨料上分布着的大小不一的孔隙使磨损表面粗糙不平。在法向压力的作用下，冰凌会嵌入天然浮石混凝土表面的孔隙中，冰凌对混凝土表面的孔隙反复施加切向应力的作用，导致混凝土表面孔壁破裂，磨损量增加。

图3 浮石骨料体积分数对磨损量的影响

2.2 水胶比对天然浮石混凝土磨损的影响

图4为水胶比对磨损量的影响规律。如图4所示，当水胶比增大时，磨损量均值也会增大。水胶比是影响混凝土孔隙率的重要因素，混凝土在凝结硬化的过程中会形成大量孔隙[16]，低水胶比的天然浮石混凝土具有较低的孔隙率以及更加密实的内部结构。随着水胶比的增加，胶凝材料的掺入量减少，胶凝材料对骨料的黏结力和包裹能力都有所减弱[17]，天然浮石混凝土的密实度也降低。当冰凌在混凝土表面滑动时，更加容易使磨损表面的胶凝材料剥落，附着在冰凌表面，与冰凌一起运动，加速了磨损进程，从而使磨损量增加。

图4 水胶比对磨损量的影响

2.3 胶凝材料硬度对天然浮石混凝土磨损的影响

图5显示了磨损量均值随胶凝材料硬度的变化规律。由图5可知，随着胶凝材料硬度的增大，磨损量均值随之减小。当胶凝材料硬度由0.66 GPa提高到0.83 GPa时，平均磨损量降低了1.79 mm。硬度是影响材料耐磨性的重要因素，胶凝材料抵抗局部塑性变形的能力随着硬度的提高也在不断提高[18]。天然浮石混凝土受到切向应力的作用会发生塑性变形，在冰凌的反复作用下，表层材料损失，磨损量增大。与此同时，通过提高胶凝材料硬度，可以有效地提高天然浮石混凝土抵抗切削磨损的能力[19]，从而提高天然浮石混凝土的耐磨性。

图5 胶凝材料硬度对磨损量的影响

3 天然浮石混凝土磨损影响因素显著性分析

使用灰熵分析方法对天然浮石混凝土磨损影响因素进行显著性分析。灰熵分析是一种通过一定的数据处理，对系统内各因素进行定量分析，从而得到各个因素对系统影响显著性的方法，能有效分辨出对整个系统影响的主要因素和次要因素[20]。具体分析步骤如下：

(1)求灰熵关联系数

设X0={x0(1),x0(2),…,x0(n)}为参考序列。

设Xi={xi(1),xi(2),…,xi(n)}(i=1,2,…，m)为比较序列。

则灰熵关联系数为

(2)

式中：ξ为分辨系数，一般取0.5;k=1,2,…,n。

(2)求灰关联熵

设Ri={ξ[x0,xi(k)]}，则灰关联熵为

(3)

式中：Ph为灰熵关联密度值，表示为

(4)

(3)求灰熵关联度

比较序列Xi的灰熵关联度为

E(Xi)=H(Ri)/Hmax

(5)

式中：Hmax=lnn，代表由n个元素构成的差异信息列的最大值。

为分析浮石骨料体积分数、水胶比、胶凝材料硬度对天然浮石混凝土磨损量影响的显著性，选取磨损量为参考序列，选取浮石骨料体积分数、水胶比、胶凝材料硬度为比较序列进行灰熵分析，得到磨损量与浮石骨料体积分数、水胶比、胶凝材料硬度的灰关联熵和灰熵关联度，如表4所示。由表4可得，磨损量与浮石骨料体积分数、水胶比、胶凝材料硬度的灰熵关联度分别为0.990 2、0.990 1、0.985 4，由于浮石骨料体积分数和水胶比的灰熵关联度均大于0.99，说明浮石骨料体积分数和水胶比对磨损量的影响较大，胶凝材料硬度的影响较小。这是因为浮石骨料体积分数和水胶比是影响天然浮石混凝土强度的直接因素，随着浮石骨料体积分数的增加和水胶比的提高，天然浮石混凝土的强度降低，混凝土的孔隙率变大，密实度下降。因此当冰凌在法向压力的作用下对混凝土表面进行切削磨损时，混凝土表面材料更容易剥落，导致磨损量增加。相比之下，胶凝材料硬度对天然浮石混凝土磨损量的影响程度较弱。

表4 灰关联熵和灰熵关联度

4 天然浮石混凝土表面形貌磨损分析

图6为天然浮石混凝土磨损前后的表观形貌图，图6(a)显示出在磨损前天然浮石混凝土表面孔壁连接完整(图中方形区域标识)，孔隙结构清楚(图中圆形区域标识)，胶凝材料紧紧包裹在浮石骨料的周围。由图6(b)可以看出，磨损后混凝土表面孔壁破坏严重，孔隙的内部结构暴露(图中圆形区域标识)，相邻孔隙之间由于失去孔壁的支撑而连通合并成为一个大孔(图中方形区域标识)。结合切削磨损机制和疲劳磨损机制解释天然浮石混凝土表观形貌的演变，图7为天然浮石混凝土受冰磨损原理示意图。由图7可知，由于天然浮石混凝土的表面分布着大小不一的孔隙，在法向应力的作用下，磨损过程中冰凌会嵌入天然浮石混凝土的孔隙中，在切向应力的反复作用下天然浮石混凝土产生塑性变形，导致孔壁脱落，脱落的孔壁以及胶凝材料形成游离的磨粒[21]，游离磨粒在法向压力的作用下，附着在冰凌表面，对天然浮石混凝土进行切削磨损，造成天然浮石混凝土表层损伤。

图7 天然浮石混凝土受冰磨损原理示意图

在冰凌的作用下，天然浮石混凝土呈现出与普通混凝土不同的磨损特征。由图6可知，经历冰磨损后，浮石骨料并没有脱离混凝土表面，而是与胶凝材料共同抵御冰磨损。Jacobsen等[22]的研究表明，普通混凝土受冰磨损作用后，胶凝材料首先受到磨损损伤，从而导致普通骨料从混凝土表面突出。在冰凌的反复作用下，普通骨料与胶凝材料间的黏结力变差，最终导致骨料从混凝土表面脱落。与普通混凝土相比，天然浮石混凝土在磨损过程中表现出较好的完整性，体现了天然浮石混凝土用作耐磨材料的工程适用性。

图6 天然浮石混凝土冰磨损前后表观形貌图

5 结 论

(1)冰凌作用下天然浮石混凝土的磨损量随浮石骨料体积分数和水胶比的增大而增大，随胶凝材料硬度的增大而减小。

(2)浮石骨料体积分数和水胶比对冰磨损天然浮石混凝土的磨损量影响较为显著，其灰熵关联度均大于0.99。相比之下，胶凝材料硬度对磨损量的影响较弱。

(3)天然浮石混凝土受到冰凌的切削磨损和疲劳磨损产生塑性变形，从而导致表层材料剥落，剥落的表层材料形成游离磨粒,导致磨损表面孔壁断裂，孔隙内部结构暴露，多个孔隙连通合并。

(4)在天然浮石混凝土冰磨损过程中，浮石骨料不会脱离混凝土，而是与胶凝材料共同抵御磨损。