混凝土耐钻磨性及数学模型研究:混凝土不耐振怎么办

混凝土耐钻磨性及数学模型研究

1.2实验方法 1.2.1混凝土试件制备方法（1）耐钻磨性和抗压强度测 试用试件按照表1基本配合比称量原材料，将固体材料混合 均匀后倒入砂浆搅拌机，混合45s后，加入混合均匀的液体 材料搅拌6min。立即测定非振动下的扩展度，扩展度满足 (260±20)mm时装入40mm×40mm×160mm试模，振动成型试件 两组，自加水搅拌计时(24±2)h脱模，后浸入(20±2)℃水 中养护至28d后，取出擦干备用。（2）水泥石显微硬度测试 用试件参照上述成型方法，进行不同水胶比、高强掺合料掺 量下水泥石（包括硅砂）的成型，扩展度满足(230±10)mm 时装入30mm×30mm×30mm试模，水中养护至28d取出擦干备 用。（3）骨料显微硬度测试用试件取粒径3-5mm的不同硬度骨料各三粒放入Φ20mm×10mm试模底部，用一定比例环氧树 脂和固化剂浇筑成型，硬化(24±2)h后脱模，有骨料显露的 一面进行研磨、抛光，直至骨料断面露出且断面光滑平整， 作为骨料显微硬度测试用试件。1.2.2抗压强度试验方法混 凝土试件抗压强度参照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验 方法》进行测定。1.2.3混凝土耐钻磨性试验方法[4]在固定 压力(15±1)kg，转速(400±10)r/min，钻磨时间2min时， 参照GB/T10947-2006《硬质合金锥柄麻花钻》选取Φ7.5mm 硬质合金麻花钻头在固定好的40mm×40mm×160mm混凝土侧 面中心向下钻磨，每根新钻头只使用一次，每组试件3块。

钻磨深度h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。混凝土耐钻磨性由钻磨硬度（HC）来评 估，钻磨硬度用钻磨深度的倒数（h-1）来表征，钻磨深度 越浅，钻磨硬度越大，即耐钻磨性越好。1.2.4水泥石与骨 料显微硬度试验方法采用上海某公司的显微硬度计进行水 泥石与骨料的显微硬度测试，其测定原理：用金刚石正四棱 锥作压头，在一定载荷下把压头压入试件表面并保持一定时 间后卸去载荷，在试样表面压出一个底面为正方形的正四棱 锥压痕，测量其两条对角线的长度取平均值d，然后按照计 算公式（1）计算出显微硬度值HV。（1）其中，F为试验力 (KN)，d为两对角线d1和d2的算术平均值(mm)，HV为显微硬 度(GPa)。

2试验结果与讨论2.1水泥石硬度对混凝土耐钻磨性（钻磨硬度）和抗压 强度的影响 表2为不同水胶比（W/B）、高强掺合料-胶材比（HSA/B） 对应的水泥石硬度（Nm）、混凝土钻磨硬度（Hc）和抗压强 度（Rc）的试验结果。图1为水泥石硬度变化时混凝土的抗 压强度与钻磨硬度、图2为水泥石硬度与钻磨硬度的关系。

由表2、图1和图2看出，在骨料硬度和体积率不变时，混凝 土钻磨硬度与抗压强度呈一定的线性关系，但相关系数仅为 0.86，而混凝土钻磨硬度与水胶比和高强掺合料掺量变化而 引起的不同水泥石的硬度则呈现更好的线性关系，相关系数 为0.96。这是因为混凝土钻磨硬度与抗压强度形成机理不同， 混凝土的抗压强度大小除了取决于水泥石强度外，还会受到 结构缺陷（如裂缝等）的影响，而这些结构缺陷对混凝土钻 磨硬度的影响显然小于抗压强度。

2.2骨料硬度对混凝土耐钻磨性（钻磨硬度）和抗压强 度的影响 表3为水泥石硬度（Nm）、骨料体积率（Va）不变时， 不同骨料硬度（Na）对应的混凝土钻磨硬度（Hc）和抗压强 度（Rc）的试验结果。图3为骨料硬度变化时混凝土的抗压 强度与钻磨硬度、图4为骨料硬度与钻磨硬度的关系。由表3、 图3和图4可以看出，在水泥石硬度和骨料体积率不变时，即 使骨料硬度逐渐增加，混凝土的抗压强度也没有明显变化 （表3、图3），而钻磨硬度却变化很大（表3、图4），混凝土钻磨硬度与骨料硬度有良好的线性关系，而与抗压强度的 关系很不明显。这是因为混凝土的破坏是从相对弱的组分开 始，当骨料强度小于水泥石强度时，破坏从骨料开始，因此 提高骨料强度（一般情况下骨料硬度越大，强度也越大）将 有利于提高混凝土强度，而当骨料强度大于水泥石强度时， 由于破坏从水泥石开始，因此提高骨料的强度对混凝土的强 度影响就不大。从表3可知，用于本次试验的骨料显微硬度 为2.44-10.85GPa范围，均大于水泥石的显微硬度2.34GPa， 因此改变骨料强度对混凝土强度影响不大。但硬度则不同， 在骨料与水泥石的整体性得到保证的前提下，骨料的硬度越 高抵抗钻磨的阻力也越大，因此提高骨料硬度对改善混凝土 整体硬度的贡献也越大。这一点从图4的混凝土钻磨硬度与 骨料硬度呈良好的线性关系即可证明。

2.3骨料体积率对混凝土耐钻磨性（钻磨硬度）和抗压 强度的影响 表4为水泥石硬度（Nm）、骨料硬度（Na）不变时，不 同骨料体积率（Va）对应的混凝土钻磨硬度（Hc）和抗压强 度（Rc）的试验结果。图5为骨料体积率变化时混凝土的抗 压强度与钻磨硬度、图6为骨料体积率与钻磨硬度的关系。

由表4、图5和图6看出，在水泥石和骨料的硬度不变时，随 着显微硬度远远大于水泥石的骨料体积率的增加，混凝土钻 磨硬度呈线性增加趋势（图6），而抗压强度呈先增加后降 低趋势（表4），造成钻磨硬度与抗压强度之间呈非线性关系（图5）。这是由于当骨料强度大于水泥石强度时，混凝 土破坏从水泥石开始，提高骨料体积率，高强度组分的比例 增大和骨料之间的机械咬合作用增大，利于强度的增长；
随 着骨料体积率增大到一定值后，骨料与水泥石界面增加，抑 制强度增长。而骨料与水泥石硬度不变且整体性得到保证的 前提下，较硬组分骨料体积率越大，抗钻磨能力越大，因此 提高骨料体积率对改善混凝土整体硬度的贡献也越大，这结 合图6中混凝土钻磨硬度与骨料体积率呈较好线性关系得以 佐证。综合上述，在骨料硬度大于水泥石硬度前提下，其他 条件不变、水泥石硬度变化时，混凝土钻磨硬度与抗压强度 呈线性关系；
在骨料硬度变化时，两者不存在关系；
而骨料 体积率变化时，两者呈非线性关系。可见，混凝土钻磨硬度 不能简单的由抗压强度表示。但试验结果表明，混凝土钻磨 硬度与水泥石和骨料的硬度以及骨料体积率有着良好的线 性关系。

3混凝土耐钻磨性（钻磨硬度）模型 3.1钻磨硬度模型的建立 利用两相复合材料理论，混凝土可看做由水泥石和骨料 两相构成的复合材料。结合上述耐钻磨性的研究，认为两相 复合材料的混凝土钻磨硬度与构成相水泥石和骨料的硬度 及体积率有关，其中钻磨硬度代表着复合材料的综合性能， 体现了各组分的硬度和界面的粘结性能。由于在混凝土中骨 料与水泥石是随机分布的，故在钻磨过程中，两者主要可以分为串联、并联或者串并联结合分布三种情况，如图7所示。

当两组分完全串联（图7a）时，混凝土硬度与两组分的硬度 和钻磨厚度成正比，则混凝土的硬度模型可以用公式2表示。

3.2模型参数的计算与验证 在相应水泥石和骨料硬度测定的基础上，对表2-表4中 22种编号混凝土参数根据混凝土硬度数学模型（公式5）中 基准硬度Nc0的公式进行计算得出Nc0值，结果如表5所示。

4结论 （1）混凝土的耐钻磨性不能简单的由抗压强度来表示。

在骨料硬度大于水泥石硬度情况下，改变水泥石硬度（强度） 时抗压强度与耐钻磨性有较好的线性关系；
改变骨料硬度时 抗压强度与耐钻磨性没有相关性；
改变骨料体积率时抗压强 度与耐钻磨性呈非线性关系。（2）混凝土的耐钻磨性和水 泥石、骨料的硬度及其体积率有良好的线性关系，影响混凝 土耐钻磨性的主要参数为各组分硬度和体积率。（3）基于 两相复合材料理论建立了混凝土耐钻磨性的数学模型，模型 预测硬度与混凝土实测硬度的偏差大都在20%以内。由此可 根据混凝土中水泥石、骨料的硬度及其体积率来推算混凝土 的耐钻磨性，也为制备高耐钻磨混凝土的材料设计提供有效 的数据依据。