超高强混凝土耐钻磨性能研究.pdf

2 0 1 5年第 6期 6月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT P RODUCTS 2 0 1 5 N o 6 J u n e 超高强混凝土耐钻磨性能研究 孙 蓓 ， 林 志翔 ， 桂志伟 ( 中国建筑材料科学研究总院， 绿色建筑材料国家重点实验室 ， 北京 1 0 0 0 2 4 ) 摘 要 ： 分别进行 了水泥石 、 骨料和钢纤维对混凝 土耐钻磨性 能和抗压强度影响的研 究 ， 制备 出高耐钻磨 的超 高强混凝土 ( 抗压强度为 1 9 8 MP a ) 。试验结 果表 明 ， 水胶 比 O 1 8 ， 高强掺 合料掺 量 2 0 ， 棕 刚玉为骨料 ， 体 积掺 量为 1 O ， 钢纤维体积掺量为 1 7 5 时， 超 高强混凝 土耐钻磨性 能和抗 压强度最佳 ， 并对其 高致 密、 高耐钻 磨机 理进行 了 探索。 关键词 ： 超高强混 凝土 ； 耐钻磨 ； 抗压 强度 ； 机 理 Abs t r ac t ：， I 1 l e i n flue n c e s o f c e me nt s t o ne a g g r e g a t e s t e e l f i be r on d ril l -g r i n di ng r e s i s t a n ce a nd c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e a r e s t u d i e d T h e c o n c r e t e i s p r e p a r e d wi t h g o o d d ri l l - g ri n d i n g r e s i s t a n c e a n d h i g h c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f 1 9 8 MP a T h e r e s u l t s s h o w t h a t ， wh e n wa t e r - b i n d e r r a t i o i s 0 1 8 ， t h e d o s a g e o f h i g h s t r e n g t h a d mi x t u r e i s 2 0 ， t h e v o l u me d o s a g e s o f b r o w n c o r u n d u m a s a g g r e g a t e a n d s t e e l fi b e r a r e s e p a r a t e l y 1 0 a n d t 7 5 ， u l t r a h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e h a s b e t t e r d ri l l 一 n d i n g r e s i s t a n c e a n d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h T h e me c h a n i s m o f d ri l l - g ri n d i n g r e s i s t a n c e a n d s t r e n g t h o f c o n - c r e t e i s a l s o r e s e a r c h e d Ke y wo r ：Ul t r a - h i g h s t r e n gth c o n c r e t e ； Dr i l l g r i n d i n g r e s i s t a n c e ； C o mp r e s s i v e s t r e n gth ； Me c h a n i s m 中图分类号 ： T U 5 2 8 3 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 o o O - 4 6 3 7 2 0 1 5 ) 0 6 - 2 4 - 0 5 0前言 材料磨损是 传统材料科学 中不可分割的重要 组成部分 ， 随着 G AT o m l i n s o n的磨损分子理论、 J T B u r w e l l 等人 的黏着磨损理论 、 N P S u h的脱层磨损 等理论 的逐渐提 出，推动了材料耐磨性能 的研究 ， 国内外学者纷纷采用硬质骨料 、 掺加掺合料 、 掺加 纤维等方法提高混凝 土的耐磨性能 ， 并取得较好 的 效果。 如 A K i l i c a和 C D A t i s t 对辉长石等 5种不同 硬度 的骨料制备 的硅灰混凝土耐磨性能进行 了研 究 ， 发现硬度最大的辉长石混凝土的耐磨性最好。 N G h a f o o r i tZ J 指出掺加一定量硅灰 ， 混凝土耐磨性效果 有所改善。黄政宇、 王涛等p 卅 将硅粉 、 钢纤维混合配 制 出超 高强混凝土材料 ，并指 出随着钢纤维 的掺 入 ， 混凝土强度 、 耐磨性均有提高。但这些研究仅局 限于混凝土 由于滑动 、擦动摩擦引起的表面磨损 ， 而实际上混凝土也会受到冲击等作用 ， 如军事国防 上钻地 弹等武器对建筑 的破坏磨损或重型钻床等 事故落下引起 的向下钻磨磨损 ， 尽 管 D a n c y g i e r A N 等5 指 出， 在混凝土 中添加钢纤维 、 钢丝网等可显 著提高抗侵彻能力 ， B l u d a u 嘲 指出骨料硬度越大 ， 抗 侵彻阻力越大。但 目前这些研究多集 中于破坏性较 大的子弹或炸弹等对混凝土破坏 的防御上 ， 相关 实 验仅能在与军工相关的大型实验基地才能实现 ， 而 一 2 4一 与侵彻武器等 冲击相应 、 适用于实验室用的钻磨实 验方法 尚无提 出， 在该实验方法下超高强混凝土耐 钻磨性能的研究更是没有开展 。 此外 ， 混凝土可以简单地看做由骨料和水泥石 组成的两相复合材料 ， 提高混凝土耐钻磨性能 的关 键是提高水泥石与骨料的耐钻磨性能 以及二者 的 黏结力【 9 】 。为此 ， 本文提出一种与侵彻武器相应的快 速 、 简便的钻磨实验方法 ， 采用此方法 ， 分别进行水 泥石 、 骨料以及钢纤维对超高强混凝土耐钻磨性能 的影响研究 ， 提出高 耐钻磨 的超高强混凝 土 ， 并对 其高耐钻磨机理进行探索。 1 试 验 1 1 原材 料 水 泥 ： P O 5 2 5 R级 普通 硅 酸盐 水泥 ，密 度 3 1 5 g c m 3 ， 比表面 积 4 4 8 m 2 k g 。 高强掺合料 ： 以硅灰为主 ， 密度 2 2 3 g c m ， 比表 面积 1 3 0 5 mV k g 。 硅 砂 ：粒 径 分 布 范 围为 4 0 3 0 0 目 ，密 度 为 2 6 5 g c m 。 骨料 ： 石英 质河砂 ， 中砂 ， 密度 2 7 1 g c m ， 细度 模数 2 4 。其他不同莫氏硬度骨料 ， 包括石灰石砂 ， 玄武岩砂 ， 石英砂 ， 高铝矾土砂 ， 棕 刚玉砂 ， 其莫 氏 硬度分别为 3 、 6 、 7 、 8 、 9 ， 粒径均在 1 3 mm之间。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 孙蓓 ， 林志翔 ， 桂志伟 超高强混凝土耐钻磨性能研究 钢纤维 ： 平直形镀铜钢纤维 ， 密度 7 8 0 g c m ， 长 度 1 5 m m， 直径 0 2 2 mm， 抗压 强度 2 8 5 0 M P a 。 减 水 剂 ： 聚羧 酸 高 性 能 减 水 剂 ， 液 态 ， 固含 量 2 4 。 1 2试 验方 法 1 2 1 测试用混凝土制备 表 1为混凝土基本配合 比。试验按表 1 称量原 材料 ， 除钢纤维外的固体材料混合均匀后倒入砂浆 搅拌机 ， 混合 4 5 s 后 ， 加入混合均匀的液体材料搅拌 6 mi n ； 如掺加钢纤维则在搅拌 3 m i n时向搅拌机内缓 慢掺加。搅拌好混凝土后立即测定非振动下的扩展 度 ，扩展度范围满足( 2 6 0 2 0 ) m m 时分 两层装 入 4 0 m mx 4 0 mmx 1 6 0 mm试模 ，振动成型试件两组 ， 每 组三块 ，自加水搅 拌计时 2 4 h脱 模 ，脱模后浸 入 2 0 c I = 水中养护至 2 8 d后 ，取出擦干分别进行耐钻磨 性能和抗压强度的测定 。 表 1 混 凝 土基 本 配 合 比 注 ： 减 水 剂 掺量 根 据 非 振 动 下 扩 展 度 达 到 ( 2 6 0 2 0) mm 进 行 适量调整而得 ； 水胶 比、 高强掺合料 、 钢纤 维 、 骨料 掺量有变 化时 ， 请参 考后续图 中说 明。 1 2 2 耐钻磨性能和力学性能的测定方法 图 1为耐钻磨 实验方法示 意 图。在 固定 压力 ( 1 5 _+ 1 ) k g ， 转速 4 0 8 r m i n ， 钻磨时间 2 m i n的情况下 ， 参照 G B T 1 0 9 4 7 -2 0 0 6 硬质合金锥柄麻花钻 选 取 0 7 5 mm 的 硬 质 合 金 麻 花 钻 头 在 固 定 好 的 4 0 m mx 4 0 mmx 1 6 0 m m混凝土侧面 中心向下钻磨 ， 每 根新钻头只钻磨使用一次 ， 每组试件 3块。由磨损 深度 h来评定混凝土的耐钻磨性 能。在该系列实验 固定压力 J 钻 床 试 图 1 耐 钻 磨 实 验 方 法 示 意 图 中， 耐钻磨性 能是指钻头对试件磨损 的能力 ， 由磨 损深度来表征 ， 磨损深度越深 ， 其耐钻磨性能越差。 磨损深度 由游标卡尺测量 ， 卡尺垂直插入试件孔洞 中央凹陷处 ， 读数并记录。 混凝土抗压强度参照 G B T 1 7 6 7 1 1 9 9 9 水泥 胶砂强度检验方法 ( I S O法) 进行测定。 1 2 3微 观实 验方 法 从 规定 龄期 的混凝 土 中心 取 3 5 m m 块状 ， 用 无 水 乙醇终止水化 ， 取部分块状研磨 成粉末 ， 一起放 入干燥器备用 。T G D T A、 X R D采 用粉末样 品， S E M 采用平整薄片， MI P分析采用块状 ， 分别利用综合热 分析仪进行 T G D T A分析 ； 利用 X射线衍射仪进行 X R D测试 ；利用场发射环境扫描 电子显微镜进行 S E M测试 ； 利用全 自动压汞仪进行 M I P测试 。 2试 验 结果与 分 析 2 1 水泥石强度对超高强混凝土耐钻磨性能的影 响 图 2为水胶 比对超高强混凝土磨损深 度和抗 压强度 的影响关系 。可 看 出， 在其他条件相 同的 情况下 ， 随水胶 比的增加 ， 超高强混凝 土抗压强度 呈先增加后降低趋势 ， 磨损深度呈先降低后增加趋 势 ， 由于磨损深度越浅 ， 耐钻磨性能越好 ， 即耐钻磨 性能呈先增加后降低趋势 。在水胶 比0 1 8时 ， 耐钻 磨性能和抗压强度均达最大值 。 1 5 1 0 鞲 5 O 罨 慧 水 胶 比 图 2 水胶 比对超高强混凝土性能 的影 响 图 3为高强掺合料 对超高强混凝土磨损深 度 和 抗压 强 度 的影 响 关 系 。 由图 可 以看 出 ， 随着 高强 掺合料掺量的增加 ， 超高强混凝土耐钻磨性能和抗 压强度总体上均呈先增加后降低趋势 ， 高强掺合料 掺量为 2 0 时， 耐钻磨性能和抗压强度均最高 。 2 2 骨料对超高强混凝土耐钻磨性能的影响 图 4为骨料种类对超 高强 混凝 土磨损深度和 一 2 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 6期 混凝土与水泥制品 总第 2 3 0期 2 5 2 O 1 5 蓬1 0 5 0 2 o o 1 8 O 1 6 0 要 暖 1 4 0 墨 1 2 0 l 0 o U 5 l U 1 5 2 U 2 5 3 U 高强掺合料 掺量 图 3 高强掺合料对超高强混凝土性能的影响 抗 压 强 度 的影 响关 系 。可 以看 出 ， 在 骨 料 粒径 级 配 和其他条件相同的情况下 ， 随着骨料莫 氏硬度 的增 加 ，超高强混凝 土耐钻磨性能总体呈增加趋势 ， 抗 压强度变化不显著 ，综合耐钻磨性能和抗压强度 ， 以棕刚玉为最佳骨料 。 在不 同硬度骨料耐钻磨性能 、 抗压强度试验 的 基 础上 ， 选取耐钻磨性能 、 抗压强度较好 的棕刚玉 进行不 同骨料掺量对混凝土耐钻磨等性能影响 的 研究 。由于棕刚玉耐钻磨性能较好 ， 此部分钻磨实 验把 1 2 2小节实验方法 中的作用力改为( 3 0 2 ) k g ， 其他条件不变 。试验结果如图 5所示。 图 5为骨料掺量对超高强混凝土磨损深度 和 抗压强度的影响关系。由图 5可以看出 ， 超高强混 凝土耐钻磨性能和抗 压强度 均随着骨料掺量 的增 加先快速增加 ， 到骨料掺量为 1 0 以后趋于平缓趋 势 ， 综合 耐钻磨 和抗压强度性能 ， 优选棕刚玉体积 掺量为 l O 。 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 墩 1 0 0 2 O HD 1 8 0 1 6 0 芝 憩 l 4 o 墨 1 2 0 1 o o O 5 1 0 1 5 2 O 2 5 3 O 骨料掺量， 图 5 骨料掺量对超高强混凝土性能的影响 2 3 钢纤维对超高强混凝土耐钻磨性能的影响 一 26 2 5 2 O 1 5 账 鬓1 0 5 0 2 0 0 1 8 O 1 6 0 螽 鳗 出 1 4 0 1 2 O 1 0 O O 7 9 莫 氏硬度 图 4骨料种类对超高强混凝土性能的影响 图 6为钢 纤 维 掺 量 对 超 高 强 混 凝 土磨 损 深 度 和抗压强度的影响关 系。由图可以看 出， 在其他条 件相 同的情况下 ， 随着钢纤维掺量 的增加 ， 超高强 混凝土耐钻磨性能和抗压强度呈先 增加后 平缓或 降低趋势 ， 钢纤维掺量为 1 7 5 时为转折点。 综合磨 损深度 、 抗压强度 ， 钢纤维体积掺量为 1 7 5 时为最 佳掺量 。 6 鬟4 越 2 O 2 0 0 1 8 0 1 6 0 骥 出 1 4 0 1 2 0 l o 0 OO 05 1 O 1 5 2 0 2 5 钢纤维掺量 图 6 钢纤维掺量对超高强混凝 土性 能的影响 2 - 4 机理分 析 为了探索超高强混凝土高耐钻磨性能 、 高强度 的机理 ， 选取本研究 中的超高强混凝土和水灰 比为 0 4 0的普 通混 凝 土进行 相应 的微 观对 比。 2 4 1 D T A分析 图 7为超高强和普通混凝土的 D T A曲线。 超高 强混凝土 D T A曲线中分别在 1 7 5 和 4 5 2 C 附近各 有 1 个显著 和微小 吸热峰 ，普通混凝土 中分别在 1 6 5 和 4 4 1 o C 附近各有 1个显著 吸热 峰 。其 中在 4 2 0 4 6 0 C附近 ， 吸热峰主要是 由 C a ( O H ) ： 的分解造 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 6期 混凝土与水泥制品 总第 2 3 0期 磨性能和抗压强度的提高， 这与 S E M 和显微硬度分 析结果相呼应。 结合 D T A、 S E M、 显微硬度和 MI P分析 ， 可以看 出普 通 混凝 土骨 料 与水 泥 石 之 间 存 在 多 孔 的过 渡 区 ， 整体结构疏松 ， 不利于混凝土 的耐钻磨性能和 抗 压 强度 。而所研 究超 高强 混凝 土骨料 与水 泥石 之 间不存在薄弱界面过渡 区， 水泥石和界面硬度均较 高 ， 同时钢纤维与水泥石黏结较 好 ， 且骨料硬度较 高 ， 使得混凝土能最大程度地发挥骨料高硬度的作 用 ， 从而促进超高强混凝土耐钻磨性 能和抗压强度 的提 高 。 1 0 0 8 0 警 毫 6 0 圣 4 0 2 0 O 超 高 强 混 凝 土 晋 通棍 凝 土 种类 图 1 0 超高强和普通混凝土 的孔径分布 3结 论 ( 1 ) 随着水胶 比的增加 ， 超高强混凝土耐钻磨 性能 和抗压强度均呈先增加后降低趋势 ， 在水胶 比 0 1 8时 ， 耐钻磨和强度最佳。 ( 2 ) 超高强混凝土耐钻磨性能和抗压强度总体 上随着高强掺合料掺量的增加先增加后降低 ， 高强 掺合料掺量 2 0 时， 各性能最佳。 ( 3 ) 不同莫 氏硬度骨料代替河砂 ， 超 高强混 凝 土耐钻磨性能和抗 压强度随着莫 氏硬度 的增加 总 体上呈增加趋 势 ， 抗压强度改善不显著 ， 综合 耐钻 磨和抗压强度性能 ， 优选棕刚玉。 ( 4 ) 随着棕 刚玉骨料掺量 的增加 ， 超 高强混凝 土耐钻磨性能和抗 压强度呈先增加后趋 于平缓 趋 势 ， 综合 耐钻磨 和抗压强度性能 ， 优选棕刚玉体 积 掺量为 1 0 。 ( 5 ) 随着钢纤 维掺量 的增加 ， 超 高强混凝 土耐 钻 磨 性 能 和 抗 压 强 度 呈 先 增 加后 趋 于平 缓 或 下 降 趋势 ， 钢纤维最佳体积掺量为 1 7 5 。 ( 6 ) 超高强混凝土耐钻磨性能和抗压强度较高 ， 这主要是 由于在超低水胶 比下 ， 以硅灰为主要成分 一 2 8一 的高强掺合料与 C a ( O H ) ： 反应 ， 消耗了强度较低 的 C a ( O H ) z ， 从而生成 了强度较高的 C S H凝胶 ， 并促 进水化 ， 使水泥石和骨料界 面不存在普通混凝 土中 常见 的疏松过渡 区， 水泥石结构致 密 ， 整体硬度增 高 ， 使得混凝土能最大程度地发挥骨料高硬度 的作 用 ，同时硬度较高的钢纤维与水泥石黏结较好 ， 进 一 步促进超高强混凝土耐钻磨性能和抗压强度 的 提 高 。 参 考 文 献 ： 【 1 A K i l i c ， C D A t i s ， A T e y me n ， e t a 1 T h e i n f l u e n c e o f a g g r e g a t e t yp e o n t he s t r e ng t h a n d a b r a s i o n r e s i s t a n c e o f hi g h s t r e n g t h c o n c r e t e J C e m e n t a n d C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 0 7 ， 3 0 ( 4) ： 2 9 0 2 9 6 2 N G h a f o o r i ， H D i a w a r a A b r a s i o n r e s i s t a n c e o f fi n e a g g r e g a t e r e p l a c e d s i l i c a f u me c o n c r e t e 【 J 1 A C I Ma t e r i a l s J o u rna l ， 1 9 9 9， 9 6 ( 5 ) ： 5 5 9 5 6 7 - 【 3 】 黄政字 ， 刘强 超高强 高耐磨混凝 土材料 研究【 J 湘潭 大 学 自然科学学报 ， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 1 ) ： 9 2 - 9 7 【 4 】 王涛 铁 质渣 球超高强高耐磨混凝 土材料的研究 J 建筑 石膏与胶凝材料 ， 2 0 0 5 ( 6 ) ： 5 - 9 【 5 A N D a n c y g i e r ， D Z Y a n k e l e v s k y H i g h s t r e n g t h c o n c r e t e r e s p o n s e t o h a r d p r o j e c t i l e i m p a c t J I n t e r n a t i o n a l J o u rna l of I m p a c t E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 6 ， 1 8( 6 ) ： 5 8 3 5 9 9 【 6 K A MA L I M， E L T E HE WY P r o j e c t i l e p e n e t r a t i o n o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e b l o c k s ： T e s t a n d a n a l y s i s J T h e o r A p p l F r a c t Me c h ， 2 0 1 2 ( 6 0 ) ： 3 1 - 3 7 【 7 刘瑞朝， 吴飚， 张 晓忠， 等 高强高 含量钢 纤维 混凝 土抗 侵彻性能实验研究 J 爆炸与冲击， 2 0 0 2 ， 2 2 ( 4 ) ： 3 6 8 - 3 7 2 8 B L U D A U C ，K E U S E R M，K U S T E R M A N N A P e r f o r a t i o n r e s i s t a n c e of h i 出 一 s t r e n gt h c o n c r e t e p a n e l s【 J 1 A C I S t r u c t J ， 2 0 0 6 ( 1 0 3 ) ： 1 8 8 - 1 9 5 9 冯乃谦 实用混凝土大全 M】 北京： 科 学出版社 ， 2 0 0 1 1 0 】内川 I 浩 ， 羽原 俊事 占， 池木 大介 混 合 七 、 乇， L ， 少， L ， 及 2 2、夕 l J 硬化体 耩造 强 度发现性 状 I ： 及6 寸 影 警 J 七 、 j、夕 I J 谕文集 ， 1 9 9 0 ( 4 4 ) ： 3 3 0 33 5 收 稿 日期 ： 2 01 5 0 4 2 8 作者简介 ： 孙蓓 ( 1 9 8 0 一 ) ， 女 ， 博士 。 通讯地址 ： 北 京市 朝阳区管 庄东里 l 号 联 系 电话 ： 1 5 9 0 1 2 6 9 0 4 3 E - ma U ： s u n b e i mlj 1 2 6 c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m