磨粒形态对水工抗冲磨混凝土磨损程度的影响.pdf

2 0 1 2 年 第 4 期 (总 第 2 7 0 期 ) Nu mb e r 4 i n 2 0 1 2 ( T o 1 No 2 7 0 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原 材料 及辅助 物料 M ATERI AL AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 2 0 4 0 2 6 磨粒形态对水工抗冲磨混凝土磨损程度的影响 高欣欣。蔡跃波，丁建彤 ( 南京瑞迪高新技术有限公司 南京水利科学研究院，江苏 南京 2 1 0 0 2 9 ) 摘要： 磨粒形态是水工混凝土的磨损程度的重要影响因素之一， 为了更好的评价抗冲磨混凝土的使用寿命， 需建立磨粒形态与混凝土 磨损程度之间的关系。 通过改进水下钢球法试验， 研究了在 1 7 - 2 4 m s 流速下， 玄武岩石料对抗冲磨硅粉混凝土磨损率的变化过程。 同时 采用图像采集方法获得石料的形状系数以衡量磨粒形态对混凝土磨损程度的影响。 试验结果表明： 水流流速越大， 磨粒外形越尖锐， 则混 凝土的磨损率越大， 且磨粒形态与混凝土磨损率之间呈现幂函数关系。 关键词： 磨粒形态；抗冲磨混凝土；磨损率 中图分类号 ： T U5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 4 0 0 7 7 0 3 St udy on t he i nf l ue nc e of f or m f a c t or of a br a si on pa r t i cl e s on c onc r e t e GAOXi n- x i n， C AIYu e b o ， DI NG i a n t o n g ( Na n j i n gHy d r a u l i cR e s e a r c hI n s t i t u t e ， Na n j i n gR &DHi g hT e c h n o l o g yC o mp a n y ， Sa n j i n g2 1 0 0 2 9 ， C h i n a ) Ab s t r a ct： Th e form f a c t o r o fa b r a s i o n pa r t i c l e s i s o n e o f t h e mo s t i mp o a n t I n fl ue n c i n g f a c t o r s of a br a s i o n r e s i s ta n c e o f c o n c r e t e I n o r d e r t o e - v a l ua t e t h e s e r v e s l i f e o fc o n ere t e ， a r e l a t i o n s h i p a b o u t t h e f o r m f a c t o r o fa b r a s i o n p a r t i c l e s a n d the we a r d e g r e e O f a b r a s i o n r e s i s t a nc e o fc o n c r e t e s h o u l d be e s t a bl i s h e dW e a r p r o c e s s o f ba s a l t o n c o n c r e t e wa s s tud i e d u n d e r t h e fl o w v e l o c i t y f o r m 1 7 m s t o 2 4 m s b y a i mp r o v e d un de r wa t e r mh o d t e s t e q u i p me n t Me a n wh i l e， an i ma g e a c q u i s i t i o n me tho d wa s u s e d t o g e t t he f o r m f a c t o r o f ba s a l t t o me a s u r e the i n f l u e n c e o ff o rm f a c t o r o f b asa l t 0 nw e a r d e g r e e o f c o n c r e t e T h e r e s u l t s h o ws ： t h e a b r a s i o n r a t e o f c o n c r e t e i s h i g h e r wh e nt h e fl o wv e l o c i tyi s f a s t a n dt h e p a r ti c l ef o r m i s s h a r p e r ， a n d the r e i s a n e x p o n e n t i a l fi mc t i o n r e l a t i o ns hi p b e t we e n p a r t i c l e f o rm s an d a b r a s i o n r a t e KeyWOr ds ： formf a c t o r ； a b r a s i o n r e s i s t anc e o f c o n c r e t e： a b r a s i o n r a t e 0 引言 我国的江河以含砂量高而著称于世。 这些砂石常导致水工 建筑物表面混凝土出现大面积脱落 ， 造成水工建筑物的功能性 损伤 ， 引起经济上的巨大损失_l 1 。 水工混凝土的磨损破坏研究结 果认为影响混凝土磨损程度的几个主要因素依次为磨粒形状、 磨粒的矿物成分、 水流含砂量、 水流速度 、 磨粒粒径 、 磨损时间 和河道形状。 但是 ， 除了磨粒的形态这一影响因素以外， 关于研 究含砂量 、 水流速度 、 磨损时间等因素与混凝土磨损程度之间 的关系的结论已经较为多见。 葛洲坝工程t2 、 长江科学院嘲 均有 相关研究结果。 此在摩擦学领域内， 磨粒的形态是影响材料磨损率的重要 因素。 一般认为， 尖角粒子导致被磨损材料产生更大的磨损率4 1 。 根据 S wa n s o n p 的试验发现， 随着磨粒的尖锐度改变， 被磨损材 料的磨损率可以相差 l O 倍或更高。 根据章磊等人的研究 ， 硬质 颗粒的形状直接影响冲击与切削的效果。 虽然对于磨粒形态对于材料磨损程度的影响已有部分研 究结果， 但是关于磨粒形态对于混凝土磨损程度的影响研究则 较为少见， 以上所述的研究结论仅限于金属材料或者有机材料 领域 ， 在水工混凝土领域仍然较少。 事实上， 在实际水利工程中 已有部分发现 ： 当河流泥砂硬度大 ， 表面又多棱角时， 砂石对混 凝土的磨损就会更大。 因此， 对于水工混凝土受到不同形状磨粒 收稿 日期 ：2 0 1 l _ 1 0 - 3 0 摩擦时 ， 磨粒形态与混凝土磨损程度之间关系的研究具有非常 重要的必要性。 通过研究两者之间的关系， 才能更好的推测混凝 土的磨损程度。 本文通过一系列试验 ， 探求磨粒形态对混凝土磨损程度的 影响。 1 试验材料 与试验方 法 1 1 试验原材料 本次试验采用硅粉混凝土， 水泥为海螺 P 04 2 5 级水泥， 粗、 细骨料分别采用石灰岩和河砂， 混凝配合比具髂数见表 l 。 表 1 混凝土配合 比及抗压强度 配合比 。 。 水泥 硅粉 砂率 减水剂 坍落度 抗压强度 P a 编号水灰 比 ( k g m， ) F DN c m S1 035 3 5 7 7 3 4 04 4 4 0 1 5 4 6 1 2试验 方 法 试验以D L T 5 1 5 0 -2 0 0 1 水工混凝土试验规程 混凝土抗 冲磨试验( 水下钢球法) 为基础 ， 通过更换试验机的电机， 使得 电机转速提高至 1 8 0 0 r mi n以获得更高的水流速度。 同时采用 毕托管试验测定不同电机转速对应的水流速度 ， 测试结果如表2 所示。 试验采用 2 8 d的混凝土试件为研究对象。 采用天然玄武岩作为磨料。 组 1 每 2 4 h更换一批次新的石 料 ， 以保证试验的全部过程所采用的磨料都是棱角较为分明的 7 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 2 水 下钢球 法试验机 电机转速与水流流速对应表 石料 ； 组 2则 7 2 h试验过程中， 均不更换石料， 仅每 2 4 h取出 磨料做图像分析， 并对混凝土试件的磨蚀失重进行量测。 具体试 验安排如表 3 。 表 3 磨粒形状影响试验安排表 1 3 磨粒外形的评价指标 目前， 对磨粒几何外形的评价办法通常是采用形状系数这 一 概念 。 同时 ， 这一概念也是问世最早 的表征方法 。 形 状系数的 表达式如下【 ： ( 1 ) 式中： A颗粒的最大投影面积； P 颗粒 的周长。 当颗粒为圆形的时候， F = I ； 因此， 当颗粒外形越是接近圆， 形状系数 F的数值就越是趋于 l ； 反之 ， 当颗粒外形越不规则， 即偏离圆的程度越大， 则 F的数值就越小。 该参数可以简便快捷 地对磨粒外形尖锐程度做出良好表征 ， 因此形状系数 这一概 念， 到现在仍被广泛使用。 为了对大量磨粒的几何外形进行快速准确的形状分析， 采 用了 I ma g e P r o P l u s 软件对磨粒的照片进行了分析计算。 试验 中， 每 2 4 h取出石料拍照取样 ， 观察石料形状变化过程。 在观察 石料形状变化的同时， 每 1 2 h称量混凝土试件的质量， 绘制混 凝土磨损率与时间关系变化曲线。 2 试验结果与分析 2 1 磨粒形状 系数 首先需要获得玄武岩磨料的形状系数， 按照上节所述步骤， 根据软件给出的每一个石子的形状系数， 并计算该批次石料的 形状系数的加权平均值。 形状系数 F数值， 见表 4 。 表 4 形状 系数 F历时变化实测值 由表 4可知 ， 组 1 所采用的玄武岩磨料的形状基本相差无 几 ， 形状系数 F数值一般从 O 7 4 7 9之间， 较为均匀。 最终磨 损了 7 2 h 后的 ，数值均在 0 8 3 0 8 9之间。 由此可见， 采用天然石料作为磨料， 石料本身的棱角在前期 损失最多， 损失速度也最快， 而在后期， 当棱角基本被磨平后， 石 78 料的外形就不再产生明显变化。 也就是说 ， 形状系数 F在开始磨 损的2 4 h之内数值迅速变大， 后 4 8 h 缓慢变大， 最终趋于 1 。 2 2 磨粒形状对混凝土磨损发展的影响 磨粒形状对混凝土磨损进程的影响试验结果可见图2 。 图 1 玄武岩石料原始图形采样 图 2 玄武岩磨料 7 2 h图形采样 由图 1可知 ， 磨料形状对混凝土磨损率的影响是较为明显 的。 组 1 因为磨料的不断更新， 形状系数 F基本不变 ， 所以从图3 上看， 组 1 试验的磨损率过程曲线斜率保持在了一个相对稳定 的数值上， 即混凝土的磨损率按照一个固定的速度发展。 从图中 也可看出， 组 2的磨损率过程曲线， 不仅在数值上低于组 1 ， 并 且在后期有很明显的趋缓趋势。 由此可见， 伴随着磨粒的形状系数不断增加 ， 磨粒对混凝 土的磨损程度大大降低， 因而磨损率发展曲线在后期就逐渐趋 缓。 因此， 当磨粒形状较圆， 形状系数值较大时， 其对混凝土的 磨损程度则会降低， 同时降低混凝土磨失速率； 反之， 当磨粒形 状多角， 形状系数较小时， 其对混凝土的磨损程度较之圆形颗 粒会一定程度上增大。 3 磨粒 的形态 系数 与混凝土磨损 率关 系 B a h a d u和 B a d r u d d i n t S 的研究表明材料冲蚀率与形状系数 F呈反比关系。 通过以上试验也可知， 磨料的形状系数与混凝土 的磨损率之间存在一定的联系。 通过一定的数学方法找寻磨损率与形状系数之间的数学 关系， 具体步骤如下 ： 首先 ， 初步假设形状系数与磨损率之间存在某种关系， 即： ：r f 旦1 ， F 2 ( 2 ) 式中： 一共有 4个变量， 分别是 ： ， 、 。 、 和 F 2 。 其中， 代表棱角较为分明、 形状系数 F值较小的磨粒造 成的磨损率， 例如组 1 试验所采用的玄武岩磨料造成的磨损率； 代表形状较圆、 形状系数 F值较大的磨粒造成的磨损率 ， 如 组 2 试验造成的磨损率； 代表数值较小的形状系数 ， 而 代表 数值较大的形状系数。 如果能够建立这 4 个变量之间的数学关 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 5 2 0 芝 1 5 褂 鞲 1 0 0 5 O 墨 褂 雠 0 2 5 2 0 1 5 褂 1 0 0 5 0 2 5 2 0 1 5 祷 1 0 墩 0 5 O 2O 40 6 O 时 间t h ( a ) 8 0 2 0 4 0 6 0 时间t h ( b ) 2 0 40 60 时间t h ( c ) 2 0 4 0 6 0 时间t h ( d ) 图 3 不 同流速 下天然石料对 混凝土屠蚀进程 系的话， 那么在已知其中任意 3个变量的条件下， 即可得知第 四个变量的数值。 通过这样的办法， 就可以对磨粒的形状系数与 混凝土磨损率的关系做出定量分析。 W p 将式( 2 ) 简化 ， 令 Wo - ， 则可将式( 2 ) 表达为 ： W 2 ，1 ) ( 3 ) 当 数值越大， 代表两组试验数据所用的磨料的形状系数 比值越大； 。 数值越大， 代表两组试验的磨损率数值相差越大， 比值越大。 具体数值见表 5 。 根据表 5中的试验结果， 计算出 。 和 并绘制成图， 并根 据图中数据点的分布趋势， 选择幂函数进行拟合 ， 结果见图 3 ， 拟合公式为： W 0 = 0 0 0 3 8 e ， R Z =- 0 8 0 6 。 由图4可见， 随着 的增加， 迅速增加， 。 和 之间呈 现出幂函数关系。 当 数值增加时， 的增加速率在不断提高。 也就是说 ， 当磨料的棱角越分明， 形状系数越小时， 混凝土的磨 失速率迅速加大。 通过以上试验结果与试验分析可知 ， 通过研究磨粒的形态 系数变化过程 ， 可以建立磨粒形态系数与混凝土磨损率的关系， 表 5 玄武岩磨料形状系数与磨损率 趔 丑 瓣 辎 襁 形状 系数 比值 图 4 形状 系数与磨损率关 系 为预测混凝土磨损程度奠定基础。 4结论 在一定范围内， 水流速度越大， 磨粒的运动越活跃， 对材料 的磨损也会更加严重。 但是当流速超过该范围时， 磨粒对混凝 土的磨损程度反而会下降。 磨粒形状对混凝土磨损率有较大影响。 通过采用玄武岩石 料作为磨料的试验表明， 磨粒的形状系数越趋于 1 ， 混凝土的磨 失速率越小。 磨料的形状系数越小， 对混凝土造成的磨损率越大。 通过试 验和计算可知， 混凝土磨损率与磨粒的形状系数呈现幂函数关系。 参考文献 ： 1 1孟健宁， 李传林， 陈少雄 ， 等 国内水工建筑物磨蚀破坏调查研究 R 北京： 水利水电部水利水电建设总公司， 1 9 8 1 2 乔生祥 ， 黄华平水工混凝土缺陷检测和处理【 M 】 北京： 中国水利水 电出版社， 1 9 9 7 3 】3 陈万桂 ， 张远曙， 邵天祥丹江口试验基地的混凝土抗冲耐磨性能试 验研究 J 】 水利水电技术， 1 9 8 5 ( 9 ) ： 1 7 1 9 【 4 】刘家浚 ， 李诗卓材料磨损原理及其耐磨性【 M 北京 ： 清华大学出版 社 ， 1 9 9 3 5 5 S WA N S ON P A， KL A N N R T h e me a s u r e me n t o f p a r t i c l e s h a p e a n d i t s e f f e c t o n w e r J A S L E T r a n s ， 1 9 8 5 ( 2 ) ： 2 2 5 - 2 3 0 6 】章磊， 毛志远 钢的冲蚀磨损与机械性能的关系及其磨损机理的研 究叨 浙江大学学报， 1 9 9 1 ， 2 5 ( 2 ) ： 1 8 9 1 9 4 f 7 】C O X E P A me t h o d o f a s s i g n i n g n u m b e r r i e a l a n d p e r c e n t a g e v a l u e s t o t h e d e g e r e e of r o u n d n e s s o f s a n d g r a i n s J J o u rna l of P a l e o n o l o g y ， 1 9 2 7 ， 1 ( 3 ) ： 1 7 9 1 8 3 8 董刚， 张九渊 固体粒子冲蚀磨损研究进展 J 材料科学与工程学报， 2 1 ( 2 ) ： 3 0 7 3 1 2 作者简介： 高欣欣( 1 9 8 5 一 ) ， 女， 助理工程师， 主要从事与混凝土耐久 性方面的研究。 联系地址： 江苏省南京市鼓楼区虎踞关 3 4 号 南京水科院瑞迪高新 技术有限公司( 2 1 0 0 2 9 ) 联 系电话 ： 1 3 7 7 0 8 4 6 2 3 6 7 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m