姚琪钦
（健研检测集团有限公司，福建 厦门 361000）
水工建筑物的磨蚀破坏大多是由于在服役过程中水颗粒（粉砂、砂砾和其他固体颗粒）对混凝土表面的冲磨造成[1]。对于经常受到冲磨作用的水工建筑物，维护成本成为最为突出的问题，并且随着时间延长，构筑物的服役寿命也大为缩短。为保护水工混凝土结构免受磨损侵蚀，需要耐用和抗磨损的混凝土。
混凝土的抗冲磨性能受集料性能及用量、混凝土强度、配合比、胶凝材料用量、纤维掺量、养护条件、表面光洁度等因素的影响[2-4]。诸多研究表明[5]，混凝土的耐磨性主要取决于混凝土的抗压强度。因此，通过增加胶凝材料用量、活性以及降低水胶比等手段被广泛用于水工混凝土的配制，但过多的胶凝材料用量会增加水泥水化过程的放热量，从而引起温度裂缝问题。为解决这一问题，粉煤灰、矿粉、硅灰等矿物掺合料被用于水工混凝土的配制，以降低其开裂的风险。为此，本文以粉煤灰等质量取代水泥制备水工混凝土，研究了不同水胶比和粉煤灰取代率条件下混凝土的抗冲磨性能，并采用引入磨损因子的方法，加强了水胶比、抗压强度与磨损深度之间的相关关系，其研究成果可为水工混凝土配制及应用提供参考。
1.1 原材料
水泥：海螺P·O42.5水泥，符合GB175—2007《通用硅酸盐水泥》的要求，比表面积339 m2/kg，主要化学成分见表1；
粉煤灰：F类Ⅱ级，细度（45μm筛筛余）29.52%，主要化学成分见表1；
细骨料：天然河砂，细度模数2.9，密度2.65 g/cm3，其级配符合GB/T 14684—2011《建设用砂》中规定的Ⅱ区范围；
粗骨料：级配碎石，最大粒径19 mm，密度2.64 g/cm3；
减水剂：江苏博特新材料有限公司生产的高性能聚羧酸减水剂，减水率26.5%，固含量39%；
水：自来水。
表1 水泥和粉煤灰的主要化学成分 %
1.2 试验配合比
研究了不同水胶比（0.54、0.45、0.33、0.28）以及粉煤灰掺量（0、15%、20%、25%、30%）条件下混凝土的抗冲磨性能，其中粉煤灰等质量取代水泥，通过调整砂率以及减水剂掺量使得混凝土拌合物的出机坍落度控制在（200±10）mm，并且具有良好的黏聚性和保水性，混凝土配合比见表2。
表2 混凝土的配合比
1.3 测试方法
依据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》，相同配比成型3组100 mm×100 mm×100 mm试件，成型后静置24 h，第2 d拆模后放入混凝土标准养护室[温度（20±2）℃，相对湿度＞95%]中，养护至28、60、90、180 d龄期后采用万能试验机测试其抗压强度。
对养护至28 d和90 d龄期的试件，采用混凝土抗冲磨试验机对试件的抗冲磨性能进行测试，以磨损深度表示。
2.1 水胶比对抗冲磨性能的影响
未掺粉煤灰条件下，不同龄期时水胶比对磨损深度的影响如图1所示。
图1 未掺粉煤灰时水胶比对磨损深度的影响
由图1可以看出，无论是28 d龄期还是90 d龄期，磨损深度均随着水胶比的增加而增大，水胶比从0.28增加到0.53，混凝土的磨损深度增大了约67%，这表明水胶比的增加降低了混凝土的抗冲磨性能。相同水胶比时，90 d龄期试件的磨损深度比28 d龄期的试件降低了20%以上，这表明随着水泥水化的进行，有利于混凝土构件抗磨损性能的提高。
当在混凝土配合比中掺入15%～30%粉煤灰后，28 d和90 d龄期时水胶比对磨损深度影响如图2所示。
图2 掺加粉煤灰时水胶比对磨损深度的影响
由图2可见，在掺入粉煤灰时，水胶比与磨损深度存在一定的相关性，且磨损深度随着水胶比的增加而增大。水胶比（W/B）与28 d、90 d龄期磨损深度（H28、H90）拟合关系分别见式（1）和式（2）。
结合图1和图2可知，水胶比对混凝土抗磨损性能的影响在掺或未掺粉煤灰时均表现出类似结果。
2.2 抗压强度与磨损深度的关系
以28 d、90 d抗压强度为横坐标，对应龄期的磨损深度为纵坐标绘图并进行拟合分析，其结果见图3。
图3 抗压强度与磨损深度的相关关系
由图3可见，在混凝土中掺加0～30%粉煤灰时，磨损深度均随着抗压强度的提高而减小。抗压强度fc-磨损深度H的拟合关系见式（3）。
式（3）的相关系数为0.863，表明抗压强度与磨损深度之间存在一定的相关性，即抗压强度是磨损深度的影响因素之一，随着抗压强度的提高，磨损深度减小。
2.3 粉煤灰掺量的影响
28 d、90 d龄期时，在不同水胶比条件下粉煤灰掺量与磨损深度的关系见图4。
图4 在不同水胶比条件下粉煤灰掺量与磨损深度的关系
由图4可以看出，当粉煤灰掺量为15%时，混凝土的抗冲磨性能与不掺粉煤灰的混凝土基本相当；
当粉煤灰掺量超过15%后，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的磨损深度增加，抗冲磨性能降低。
在不考虑龄期的条件下，对不同粉煤灰掺量时混凝土的抗压强度与对应的磨损深度进行相关分析，结果见图5，抗压强度与磨损深度的拟合公式图见表3。
图5 不同粉煤灰掺量下抗压强度与磨损深度的关系
表3 抗压强度与磨损深度的拟合公式图
由图5和表3可见，抗压强度与磨损深度的相关系数在0.910～0.996，表明在不同粉煤灰掺量时，抗压强度与混凝土磨损深度之间具有显著的相关关系，即随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的抗冲磨性能逐渐降低。
结合本文以及其他研究者的研究结论可以发现，抗压强度是影响混凝土耐磨性能的最主要因素之一[6-7]，这主要是由于混凝土抗压强度是其密实度的反映，密实度越高，强度越高，混凝土在密实度增加的同时，减少了骨料-浆体之间界面过渡区的缺陷数量，从而有利于混凝土耐磨性的提高。
2.4 磨损深度预测优化
对比图5和图3的结果可知，不同粉煤灰掺量条件下混凝土试件的抗压强度-磨损深度的相关性显著高于无粉煤灰掺量组，这表明在对混凝土抗压强度和磨损深度进行数据关联分析时，粉煤灰掺量是一个不可忽略的因素。根据前面的研究结果，当粉煤灰掺量不超过15%时，粉煤灰对混凝土的磨损性能无明显影响，当粉煤灰超掺量过15%后开始对混凝土抗磨损性能产生不利影响，因此，定义混凝土的有效抗压强度fce是与粉煤灰掺量（ω，%）有关的参数，其计算方法见式（4）：
式中：k——磨损因子，是与粉煤灰掺量有关的参数，当粉煤灰掺量不超过15%时，k=1；
当超粉煤灰掺量过15%后，k=1+ω。
将图3根据式（4）进行优化后的结果见图6，抗压强度与磨损深度经过优化的拟合关系见式（5）。
图6 优化后抗压强度与磨损深度的关系
优化后式（5）的相关系数达到了0.942，明显高于优化前的0.863，经过优化后的抗压强度与磨损深度呈现强相关性。
同理，以磨损因子对水胶比进行优化，定义优化后的水胶比为有效水胶比W/Be，其计算见式（6）：
经过优化后水胶比与磨损深度的相关关系见图7，28 d、90 d的拟合关系分别见式（7）和式（8）。
图7 优化后水胶比与磨损深度的相关关系
经过优化后的28 d、90 d龄期的水胶比-磨损深度之间的相关系数分别达到了0.910和0.904，远超过优化前的0.775和0.626，这表明经过优化后的水胶比-磨损深度之间呈现强相关性。
综上分析，通过粉煤灰磨损因子对抗压强度-磨损深度的相关关系进行优化，其结果可以对不同强度等级的混凝土的磨损深度进行预测。另外，由于水胶比与混凝土抗压强度呈现强相关关系，采用粉煤灰磨损因子对水胶比-磨损深度的相关关系进行优化，也可以对不同水胶比的混凝土磨损深度进行预测，其结果具有较高的可信度。
（1）无论是否在混凝土配合比中掺加粉煤灰，不同龄期的磨损深度均随着水胶比的增加而增大。
（2）抗压强度是影响磨损深度的重要因素，且无论是否掺加粉煤灰，磨损深度均随着抗压强度的提高而减小。
（3）粉煤灰掺量在15%以内对混凝土抗磨性能无明显影响，当其掺量超过15%后，随着粉煤灰掺量增加，混凝土抗磨损性能降低。
（4）通过引入与粉煤灰掺量有关的磨损因子可以增加水胶比和抗压强度与磨损深度的相关性，增加预测的准确性。
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