摘 要

针对目前海工混凝土普遍存在的抗冲磨性能不足的问题，本文提出高铁低钙水泥混凝土，研究了硅灰、纤维种类及掺量、蒸汽养护对其力学性能及抗冲磨性能的影响。分别采用高铁低钙水泥和P·I水泥制备C40混凝土，测试混凝土的3、7、28天的抗压强度及劈裂抗拉强度，采用“水下钢球法”测试混凝土28天抗冲磨强度，并在SEM电镜下观察纤维与水泥浆体的结合情况。

结果表明，高铁水泥混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度及抗冲磨强度都优于基准水泥，28 d龄期时分别提高了4.7%、2.8%和22.1%。对于两种水泥混凝土体系，硅灰对高铁低钙水泥混凝土抗冲磨强度的提高效果更好，提高了25.7%。总体上看，PVA纤维混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗冲磨强度最优，与水泥浆体结合最好。PVA体积掺量为0.1%的高铁低钙水泥混凝土抗冲磨强度较对照组强度提高了28.0%。在70 ℃蒸养条件下高铁水泥混凝土的抗冲磨强度略为降低。

关键词：高铁低钙水泥混凝土；抗冲磨性能；纤维；蒸养

Abstract

In view of the current problem of insufficient abrasion resistance of marine concrete, this paper proposed high-ferrite cement and concrete, and studied the effect of silica fume, fiber type and content, steam curing on the mechanical properties and abrasion resistance of high-ferrite concrete. The C40 concrete was prepared using high-ferrite cement and P·I cement, respectively, and the compressive strength and splitting tensile strength of the concrete were measured at 3, 7 and 28 days. Using the Submerged Steel Ball Method to test the abrasion resistance at 28 day and observing the binding of fiber and cement paste by SEM.

The results show that the compressive strength, splitting tensile strength, and abrasion resistance of high-ferrite concrete are better than those of standard cement, and increase by 4.7%, 2.8%, and 22.1% at the 28-day age, respectively. For two cement concrete systems, silica fume has better effect on the abrasion resistance of high-ferrite concrete, the strength of abrasion resistance increased by25.7%. On the whole, PVA fiber concrete has the best compressive strength, splitting tensile strength, and abrasion resistance strength, and is best combined with cement paste. The abrasion resistance strength of high-ferrite concrete with PVA fiber of volume content of 0.1% is increased by 28.0% compared with the control group. The abrasion resistance of high-ferrite concrete decreases slightly at steam curing temperature of 70 °C..

Key words: high­ferrite concrete, abrasion resistance, fiber, steam curing

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 水泥品种 2

1.2.2 矿物掺合料 2

1.2.3 纤维增强混凝土 2

1.2.4 混凝土蒸养技术 3

1.3 本文研究的目的和内容 4

第2章 实验原材料与实验方法 5

2.1 实验原材料 5

2.1.1 水泥 5

2.1.2 硅灰 5

2.1.3 集料 5

2.1.4 纤维 6

2.1.5 减水剂 6

2.2 实验方法 7

2.2.1 实验原材料预处理 7

2.2.2 混凝土配合比设计 7

2.2.3 混凝土试块的成型与养护 9

2.3 混凝土性能测试 9

2.3.1 工作性能测试 9

2.3.2 力学性能测试 9

2.3.3 抗冲磨强度测试 10

2.3.4 微观测试 10

第3章 混凝土性能研究 11

3.1 混凝土工作性能 11

3.2 混凝土抗压强度 12

3.2.1 不同水泥体系对混凝土抗压强度的影响 12

3.2.2 不同纤维种类和掺量对混凝土抗压强度的影响 14

3.2.3 蒸养制度对混凝土抗压强度的影响 17

3.3 混凝土劈裂抗拉强度 17

3.3.1 不同水泥体系对混凝土劈裂抗拉强度的影响 17

3.3.2 不同纤维种类和掺量对混凝土劈裂抗拉强度的影响 19

3.3.3 蒸养制度对混凝土劈裂抗拉强度的影响 20

3.4 混凝土抗冲磨强度 20

3.4.1 不同水泥体系对混凝土抗冲磨强度的影响 20

3.4.2 不同纤维种类和掺量对混凝土抗冲磨强度的影响 21

3.4.3 蒸养制度对混凝土抗冲磨性能的影响 22

第4章 结论与展望 23

4.1 结论 23

4.2 展望 23

参考文献 24

致谢 26

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

近年来，国家对海域资源的开发越来越重视，加大了远、近海国民经济建设力度，对适用于复杂海洋环境的硅酸盐建筑材料提出了较高的需求。

混凝土作为国民经济建设的核心材料，其耐久性一直广受关注。目前，混凝土耐久性研究中关于抗冲磨性能的研究相对较少，而有关调查表明，近70%的大中型水电工程存在冲磨、空蚀破坏^[1]。因此，在导致水工混凝土破坏的因素中，冲刷磨蚀不容小觑。尤其在海浪、潮汐、腐蚀性盐、离子等复杂海洋环境下，除了渗透、冻融、侵蚀等共同作用，冲刷磨蚀对混凝土造成的破坏也尤为突出。

如果使用普通混凝土进行海洋基础设施建设，其退化现象势必特别严重，且使用寿命远远不及正常环境中的混凝土。工程势必存在极大的潜在安全隐患，不仅人员的人身安全得不到保障，还可能对国民经济造成巨大损失。此外，在复杂的海洋环境下，还面临着原材料不足，施工条件差等问题，多数情况下需要使用混凝土预制构件，于是需要混凝土具备一定的早强。

因此，适用于复杂海洋条件的水泥混凝土必须具备优良的耐腐蚀、抗冲磨性能以及高早强^[2]。目前，已有学者研制出适用于复杂海洋环境的高早强、高抗蚀、低收缩、低水热的高铁低钙水泥。还提到了该水泥具有较强的抗冲磨能力，但并未给出具体说明和测试结果。于是，本课题将研究该高铁低钙水泥作为研究对象，研究是否能通过增强普通水泥混凝土抗冲磨强度的方法来增强高铁低钙水泥混凝土的抗冲磨强度，以及研究混凝土蒸养技术对高铁低钙水泥混凝土体系是否有不同的影响，以求进一步探明与提升高铁低钙水泥混凝土抗冲磨的性能，探究蒸养技术对高铁低钙水泥混凝土性能的影响，使高铁低钙水泥混凝土更好地投入到海洋工程实践应用中发挥优越性能，促进国民经济建设与发展。

1.2 国内外研究现状

目前，我国主要是通过选择合适的水泥品种、加入矿物掺合料和加入纤维来提升混凝土抗冲磨性能；通过蒸养技术快速制备预制构件，然后船运到施工现场以解决当地施工条件恶劣，原材料匮乏等问题。

1.2.1 水泥品种

关于耐侵蚀、耐冲磨、高早强的水泥品种方面的不少研究表明，高铁低钙水泥具有独特优势。黄从运^[3]等学者的研究表明，高铁水泥与普通水泥相比，具有热耗低、干缩小、早期强度高、后期强度稳定增长、抗侵蚀和耐磨性好等优点。冯修吉^[4]等学者的研究发现，铁相不仅可以发挥较高的早期强度，还具有较高的最终强度。C₄AF本身具备很高的水硬活性和强度，而在早强矿物的配合下，或者加入V₂O₅、TiO₂等同周期过渡元素外掺组分后，可以更好地发挥其水硬活性和强度。在高铁水泥熟料中，当铁相含量在30-60%时，在其他矿物的配合下，具有较高水硬活性，使得水泥浆体具备较高的强度^[5]。郭随华^[6]的研究表明，在提高低钙水泥熟料的强度方面，适量提高C₄AF比例比提高C₃S比例更为理想，且早期强度和后期强度都较可观。

1.2.2 矿物掺合料

矿物外加剂主要有粉煤灰、硅灰、矿渣等。我国从20世纪70年代开始在水利工程上使用硅粉混凝土，其强度高，耐磨性和耐久性都比较好。硅灰对混凝土的增强机理主要体有：（1）填充作用：硅灰的细度和比表面积约为水泥的80-100倍，可充分分散到水泥浆体中，使水泥石密实度增加，从而力学性能得到提高；（2）火山灰反应：硅灰作为高活性火山灰物质，可与水泥浆体中CH发生火山灰反应，主要生成C-S-H凝胶，使水泥浆体强度大大提高^[7]。但加入硅灰等矿物掺合料是不利于混凝土的早期强度的，硅灰混凝土早期收缩较大，易开裂，且硅灰价格较高，供不应求；而在混凝土中加入粉煤灰、矿渣，在水化早期基本不发生反应，且其抗压强度和耐冲磨强度都是降低的，但粉煤灰、矿渣的价格低廉，在外加剂的配合使用下，可满足部分工程的要求。

1.2.3 纤维增强混凝土

在混凝土中加入纤维，也是提高混凝土抗冲磨强度与耐侵蚀性能的有效途径。纤维包括钢纤维、PVA纤维、PP纤维、玄武岩纤维等。钢纤维在工程中用得最多，但是其价格高，不易搅拌，易锈蚀。聚乙烯醇（PVA）纤维是新型合成纤维，力学性能优越，较易与水泥基体粘结，耐碱性良好，可在水泥浆体中保持稳定。聚丙烯（PP）纤维是价格实惠、质轻、耐磨、耐腐蚀性好的常用纤维，表面的疏水基团有助于防止纤维团聚成球，但是不耐老化。玄武岩纤维（BF）是典型的新型无机环保纤维，强度高、抗腐蚀、抗磨性能好，且与混凝土结合能力强，是增强混凝土的极佳选择，但目前应用得较少。

不少学者的研究结果表明，纤维的加入，使得混凝土抗压强度轻微降低，但劈裂抗拉强度显著提高，早期干缩减少，抗冲磨、抗冲击强度提高。纤维还可有效抑制混凝土早期塑性开裂，改善混凝土内部应力分布，减少微裂纹尖端应力集中，阻碍裂纹拓展^[8,9,10]。而计涛^[9]等学者研究表明，纤维可使混凝土抗冲磨强度提高，PVA纤维效果优于PP纤维。混凝土抗冲磨强度、抗冲击强度随纤维掺量的增大而增强；长纤维略优于短纤维。Nihat Kabay^[11]的研究也表明，较高掺量的纤维与较长的纤维也有助于抗冲磨强度的提高。李光伟^[12]的实验表明，玄武岩纤维混凝土比PP纤维混凝土的抗冲磨强度高，但未对掺量进行探讨。DTC Madhavi等^[13]的研究表明，PP纤维的合理掺量为0.9 kg/m³，相当于体积掺量0.1%。李晓伟^[14]的研究表明，混凝土中掺入玄武岩纤维，其抗压、抗压和抗折强度随掺量增加有先增加而后下降的趋势，当体积掺量为0.1%时力学性能最优。而张兰芳^[15]等的研究表明，当玄武岩纤维的体积掺量为0.05-0.25%时，混凝土的抗折强度平均提高了7.96%，当纤维掺量为0.2%时，混凝土抗折强度提高17.0%。当玄武岩纤维的体积掺量在0.3%以下时，混凝土3 d、7 d、28 d的抗压和抗折强度都有一定提高，而体积掺量超过0.3%时，混凝土28 d强度呈现出下降趋势。可见，纤维在混凝土中发挥作用的趋势大致相同，但不同种类、掺量、尺寸的纤维对混凝土性能产生不同影响。还有些学者发现，混凝土抗冲磨强度与抗压强度、弯曲强度等存在一定的关系。Wang L^[16]的研究表明，抗压强度越高，混凝土的耐磨强度也越高。Nihat Kabay^[11]的研究表明，拥有较高弯曲强度的混凝土通常具有较低的磨耗值。此外，Wang L等^[16]学者的研究表明，同时加入SF和PVA纤维可使得混凝土试件强度极大提高。通过同时加入适量的SF和PVA纤维可得混凝土拥有良好的力学性能、抗冲磨性能和体积稳定性。其机理可能为：SF可以增强纤维和混凝土的粘接性，从而提升了抗冲磨性能；SF因其约0.2 μm的尺寸有助于纤维在混凝土中的均匀分布^[17]。

1.2.4 混凝土蒸养技术

混凝土蒸养技术可以提升混凝土的初期强度，从而加快模具的运转，提高生产效率。然而，高温高湿的蒸养环境在加快水泥水化速率的同时，也造成了水化产物不均、孔结构粗化等问题，对混凝土后期强度的增长和耐久性产生不利影响^[18]。

混凝土蒸养主要分成四个阶段：

1）静停阶段：也称预养阶段，为混凝土混料拌和到初凝的时间段。混凝土初凝时才能开始蒸养，以保证混凝土稳定性，提升混凝土抵御蒸汽与水分热膨胀损伤的作用，减少有害孔数量，在节省时间的同时保障混凝土早期强度。

2）升温阶段：升温过程比较关键，易产生结构缺陷。混凝土受热、水化反应、水与水蒸气受热等过程都会产生膨胀作用，若升温过快，可能造成较大内应力，影响混凝土质量。升温速率宜控制在10-30 ℃/h。

3）恒温阶段:该阶段是混凝土强度提升的主要阶段，温度保持在设定的最高温度，水泥水化快速进行，混凝土强度迅速提高。温度不应超过70 ℃，否则会造成延迟钙矾石的形成（delayed ettringite formation，DEF）^[19]。恒温时间不应超过8 h，因为孔隙率和有害孔数量随恒温时间增加而增加。

4）降温阶段：该阶段降温速率不应过快，宜小于20 ℃/h，防止热应力导致混凝土内部出现裂纹，影响混凝土强度。

目前岛礁建设用的混凝土预制构件生产基本都采用蒸养技术，该技术的研究与应用目前也较为成熟，但对高铁低钙水泥混凝土的蒸养性能研究较少。

1.3 本文研究的目的和内容

本文研究的高铁低钙水泥是一种新型的海工抗冲磨水泥，通过提高C₄AF的比例、降低C₃S的比例以及加入高铁低钙Q相，得到了优越的抗海水侵蚀性能、高早强以及稳定的后期强度。而目前关于高铁低钙水泥混凝土抗冲磨性能的研究较少，对如何进一步提高其抗冲磨性能以及相关机理还不够了解。本文将围绕上述问题设计实验展开研究。

混凝土的工作性能对成型和质量控制有着重要意义，本设计将所有实验组混凝土的坍落度控制在50-70 mm范围内，满足成型和质量要求，同时便于根据减水剂用量来比较工作性能，总结相关规律。

为探明不同种类和掺量的纤维混凝土的宏观、微观性能和抗海水冲磨性能的影响，以及其在不同水泥混凝土体系中发挥的效果，本设计从性能、经济、环保等方面考虑，选择PVA纤维、PP纤维、玄武岩纤维作为研究对象，根据相关文献以及标准TGJ/T 211-2010，选择 0.1%、0.3%、0.5%作为纤维体积掺量，设计实验进行研究。

混凝土的力学性能以及抗冲磨性能与其微观结构一定有着重大关联。为了从微观角度分析高铁低钙水泥混凝土力学性能与抗冲磨性能的规律，本设计选取具有代表性的样品进行SEM微观测试与分析。

为探究高铁低钙水泥混凝土的蒸养性能，本文设计对照试验。由于实验条件限制，只探究蒸养温度为70 ℃时的高铁低钙水泥混凝土和基准水泥混凝土的性能。

综上所述，本课题将在以下几个方面进行研究与探讨：

（1）探究纤维种类、掺量对混凝土工作性能的影响；

（2）探究不同纤维种类和掺量对高铁低钙水泥混凝土的宏观和微观性能及抗海水冲磨性能的影响；

（3）探究70 ℃蒸汽养护对高铁低钙水泥混凝土性能的影响；

（4）根据实验结果，得出提升高铁低钙水泥混凝土抗海水冲磨性能的纤维种类和掺量的最优解。

第2章 实验原材料与实验方法

2.1 实验原材料

2.1.1 水泥

本文基准水泥采用山东鲁城水泥有限公司生产P•I 42.5硅酸盐水泥，其各项指标均符合国标GB8076-2008。高铁水泥采用广西鱼峰水泥股份有限公司生产的高铁低钙水泥，本文用GT表示。水泥的化学成分如表2.1，水泥的矿相组成如表2.2。

表2.1 水泥的化学成分（%）

表2.2 水泥的矿相组成（%）

2.1.2 硅灰

本文采用90硅铁的工业硅灰，符合国家标准GB/T27690-2011，其化学成分如表2.3。

表2.3 硅灰的化学成分（%）

2.1.3 集料

目前，优质的混凝土原材料日益减少，为了更接近于工程实际，本研究采用中建商品混凝土有限公司搅拌站的生产原材料。

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