摘 要

针对我国大量出现的水工建筑混凝土结构遭到冲磨破坏的现象，本文提出使用高铁水泥作为胶凝材料，蒸汽养护以提高混凝土的耐久性。研究了水泥种类和养护制度对混凝土力学性能、抗氯离子渗透性能、抗冲磨性能的影响。使用高铁水泥、基准水泥、低热水泥制备胶砂，测试28d、60d的抗折抗压强度、抗冲磨强度、抗氯离子渗透系数，并使用SEM电镜观察60d砂浆的微观形貌。

结果表明，高铁水泥胶砂有良好的力学性能、抗冲磨性能，抗氯离子渗透性能稍弱。60d龄期标准养护后抗压强度和抗冲磨强度可达到74.8 MPa和98.9 h·m²/kg。经50 ℃蒸养4小时之后，分别提高至85.6 MPa和166.8 h·m²/kg。但高铁水泥在70 ℃蒸养4小时后各项性能都呈下降趋势，低于50℃蒸养下自身性能。证明高铁水泥在水工工程领域前景广阔，且适当的蒸养制度能有效提高高铁水泥的耐久性。

关键词：高铁水泥；蒸养；抗冲磨性能

Abstract

In view of the phenomenon that a large number of hydraulic concrete structures are damaged by impact wear in our country,this paper puts forward the use of high-ferrite cement as cementing material and steam curing to improve the durability of concrete.The effects of cement type and curing system on the mechanical properties,chloride penetration resistance and abrasion erosion resistance of concrete were studied.Using high-ferrite cement,PⅠ cement and low-heat cement to prepare colloidal sand,and testing the bending strength,compressive strength,abrasion resistance strength and chlorine ion permeability coefficient of mortar for 28d and 60d,and observed the micro-morphology of colloidal sand tested for 60d with SEM electron microscope.

The results show that the high-ferrite cement mortar has good mechanical properties and abrasion resistance resistance,but weak resistance to chloride ion penetration.The compressive strength and abrasion resistance strength after 60 days standard curing can reach 74.8 MPa and 98.9 h·m²/kg.After being steamed at 50 ℃ for 4 hours,they were increased to 85.6 MPa and 166.8 h m²/kg,respectively.However,all properties of high-ferrite cement show a downward trend after being steamed and raised at 70 ℃ for 4 hours,which is lower than its own performance under steam and raised at 50℃.It is proved that high-ferrite cement is a kind of hydraulic cement with great application prospect,and proper steaming and curing system can effectively improve the durability of high-ferrite cement.

Key Words：high­ferrite concrete；steam curing；abrasion erosion characteristic

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究进展 1

1.2.1 高铁相水泥基材料的研究进展 1

1.2.2 水泥基材料蒸养技术的研究进展 2

1.2.3 影响水泥基材料抗冲磨性能的因素 3

1.3 存在的问题 4

1.4 研究目的及研究内容 4

第2章 原材料及试验方法 6

2.1 实验原材料 6

2.1.1 水泥 6

2.1.2 标准砂 7

2.1.3 减水剂 8

2.1.4 试验用水 8

2.1.5 化学试剂 8

2.2 实验仪器 8

2.3 试验方法 9

2.3.1 试件成型 9

2.3.2 试件养护与脱模 10

2.3.3 留样 10

2.4 测试方法 10

2.4.1 力学性能测试 10

2.4.2 抗冲磨性能测试 11

2.4.3 RCM氯离子扩散系数测试 12

2.4.5 微观形貌观察 14

第3章 试验结果与分析 15

3.1 胶砂力学性能 15

3.1.1 水泥品种对胶砂力学性能的影响 15

3.1.2 蒸养温度对胶砂力学性能的影响 16

3.2 胶砂抗氯离子侵蚀性能 17

3.2.1 水泥品种对抗氯离子侵蚀性能的影响 17

3.2.2 蒸养温度对抗氯离子侵蚀性能的影响 19

3.3 胶砂抗冲磨性能 20

3.3.1 水泥品种对抗冲磨性能的影响 20

3.3.2 蒸养温度对抗冲磨性能的影响 21

3.3.3 力学性能与抗冲磨性能的关系 22

第4章 结论与展望 25

4.1 结论 25

4.2 展望 25

参考文献 26

致 谢 29

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

我国是海洋大国，海岸线漫长，海湾、岛屿众多，海洋资源丰富。十八大从战略高度提出“建设海洋强国”。要实现这一目标，需要数量庞大的海工建筑支持。海洋工程建设材料中，用量最大的是水泥混凝土，复杂的海洋环境就要求所使用的水泥混凝土有更加优异的性能。海水中含有大量对混凝土有危害的离子，含砂海水的冲刷也会对混凝土结构造成很大的损坏，我国每年都因为海水腐蚀造成巨大的经济损失^[1]。

根据“十三五”规划要求，我国西部开发、西电东输计划的实施以及一带一路战略的推进，我国的水力水电工程建设规模逐步扩大，高质量水利工程的需求不断提高。河流环境的高速含砂水流对过流面的冲磨破坏是水工建筑物常见的危害之一。导致水利水电工程出现各种隐患，使用寿命缩短，危及工程安全。对其进行修复又需要投入大量的人力物力和资金。为了提高水利水电工程的使用寿命，确保其安全可靠的运行，需要水工混凝土有更高的抗冲磨性能^[2,3]。

我国早些年建造的水利水电工程“按强度设计混凝土”的传统模式，而很少考虑耐久寿命，且由于监管等原因，混凝土结构质量较差，导致大部分坝体都有不同程度的损坏。对其进行修复或重建都需要耗费大量资源。因此改善水工混凝土的抗冲磨性能，提高耐久性，对我国水力水电工程、海洋基础建设工程等都有巨大意义。

1.2 国内外研究进展

1.2.1 高铁相水泥基材料的研究进展

适用于水工建筑的水泥有多个品种，高铁相水泥是其中较为优秀的水泥品种。经过多年的发展，高铁相水泥熟料的矿相比例确定为为C₃S ≤ 50%，C₄AF ≥ 18%，C₃A ≤ 2%，其余为C₂S^[4,5]。高铁早强硅酸盐水泥由美国的Mehta^[6]在上世纪70年代末发明。根据他的研究发现，较低温度下生成的C₄AF的水硬活性强于普通硅酸盐水泥中的C₄AF。之后瑞士的W.A.Borje、日本的福永宏敏等也相继发明了高铁相早强水泥。我国建筑材料科学研究院在80年代初也成功生产了高铁相水泥^[7]。铁相是重要的溶剂矿物，较高的铁相含量可以增加液相量、降低液相黏度，从而降低熟料的煅烧温度。烧成温度温度一般在1300 ℃左右，比普通硅酸盐水泥的熟料烧成温度低约150 ℃，且熟料脆性大、易磨性好，节能环保^[8,9,10]。

早期国内外学者认为，C₄AF等铁相胶凝性不强，主要还是在水泥烧成中起助熔剂的作用^[11]。但我国冯修吉、郭勇等^[9,10]研究发现，铁相有较好的胶凝性能，C₄A₃S、C₁₁A₇·CaF₂可以提供较好的早期强度，C₄AF可以作为主要发挥强度的矿相，因此铁相可以发挥较高的早期强度和最终强度。对高铁水泥熟料的穆斯堡尔参数等分析可知，当C₄AF含量为30%~60%时，在其他矿物的配合下，水化活性较好，能得到较好的力学性能。根据郭随华^[12]的研究也说明，适当铁相的增加有助于强度的提高。

根据黄从运等人^[4]的研究可知，铁相水化生成高抗蚀的水化铁酸钙和密实度较高的铁胶，可提高混凝土结构的密实度，因此高铁相水泥抗含砂水流冲刷性能优良^[13]。而且因为高铁相水泥的水化液相碱度较高（pH gt; 12），用于钢筋混凝土结构中时钢筋表面会形成钝化膜，利于减缓钢筋的锈蚀，耐腐蚀性能优良。综合来看，高铁相水泥非常适合水利水电、海工建筑工程的混凝土结构^[7]。

1.2.2 水泥基材料蒸养技术的研究进展

蒸养养护是21世纪混凝土技术的主要发展方向之一，其广泛应用于各种水工工程中。蒸汽养护可以利用蒸汽的湿热来加热水泥混凝土以促进水泥水化。在促进混凝土早期硬化速率，提高早期强度的同时，还能缩短混凝土制品的养护周期与生产周期，加快模具的周转速率，提高生产效率，因此蒸养已经成为生产混凝土预制构件的重要生产工艺。

但是蒸养制度控制不当很容易对预制构件造成损伤。高温蒸养不会改变生成的水化产物，但是会改变水化产物的结构。马保国^[14]指出，当水化初期低密度的AFt向高密度的AFm转变时，会导致孔隙率增加，导致强度、抗渗性等性能降低。而当蒸养结束后，和Al³ 、SO₄^2-、AFm从C-S-H凝胶析出生成AFt发生膨胀，会导致混凝土开裂。蔡安兰等人^[15]研究发现，虽然较高的养护温度可以促进水化，但是温度增加会增加大体积孔隙的数量，降低混凝土的抗渗等性能。2011年耿建等人^[16]针对蒸养制度对水泥石孔结构的影响做了重点探究。研究发现，随着升温速率从10 ℃/h增加到30 ℃/h时，水泥石的总孔隙率先增大后减小，但是有害的的50~200 nm孔和多害的大于200 nm孔明显增多，破坏了混凝土的内部孔结构。分析认为过快的升温速率会加速表面水向内部迁移，生成贯通孔，会造成水化过程过快，水化结晶粗大且分布不均匀，并且升温过快会导致混凝土内外温差过大，应力增大，加剧孔结构的破坏。Detwiler^[17]等的研究证明，较高温度下养护的混凝土其水泥浆体中孔结构变粗，抗氯离子渗透性能会明显降低。

针对蒸养出现的问题，齐莉莉等^[18]提出可在蒸养前进行静停预养护。预养护时间在4 h内时，随预养护时间增加，抗氯离子渗透性能也随之增加。而超过4 h，因为混凝土早强逐渐增加，抑制温度损伤的能力逐渐增强，预养护的作用不再明显。贺智敏等^[19]对混凝土的毛细吸水特性进行研究表明，降低水胶比、掺入粉煤灰、硅灰等混合材可有效改善混凝土的毛细孔结构。使用土工布覆盖成型面、蒸养后浸水养护也可显著改善成型表面质量。何巍巍^[20]的研究中，进行蒸养的轨枕混凝土构件也拥有较好的长期性能，证明合适的蒸养制度可以降低对混凝土后期发展造成的负面影响。

1.2.3 影响水泥基材料抗冲磨性能的因素

冲磨破坏本质属于砂砾撞击混凝土表面造成破坏，水泥混凝土属于脆性材料，抗冲击性能较差。纤维属于韧性材料，掺入混凝土可以提高其的韧性。邓中正^[21]对多种纤维进行了试验，证明掺入纤维可以减少混凝土内部的原生裂缝。谢祥明等^[22]对聚丙烯纤维增强水泥进行了较为深入的探究，高分子纤维有较高抗拉强度和低弹性模量，分布在混凝土内可形成三维网络体系，当受到冲击时纤维网络可以吸收能量，减少裂纹尖端应力集中，抑制微裂纹的扩展。纤维的粘连性也可减缓砂浆的剥落。加入橡胶颗粒同样可以起到改善韧性的作用，但是研究表明加入橡胶颗粒会对机械强度造成影响，因此橡胶混凝土仍需要进一步的研究^[23,24]。

混凝土内部会有大小不一的空隙，Li、Tang等^[25,26]的研究表明，混凝土的抗压强度同孔隙率和孔隙分布有十分密切的关系。Wang等^[27]通过实验证明，抗压强度与抗冲磨强度都会随着孔隙率的升高而下降，且有较好的线型关系。张弛等^[28]的研究表明，孔隙率同样会影响混凝土的抗渗性能。适量加入粉煤灰、硅灰等活性掺料可以有效改善混凝土的密实度。王磊等^[29]对加入了硅灰的混凝土进行了微观分析，发现硅粉的加入使C-S-H结构有序性增强，胶凝性增强，孔隙结构得到改善，堆积结构密实，增强了力学性能的同时提高了抗冲磨性能。

混凝土通常被看作由粗骨料、水泥石、过渡区三部分组成，过渡区是混凝土界面中最薄弱的环节，王欣^[30]提出使用细集料钢渣代替天然砂作为骨料，细颗粒钢渣集料孔隙率高，骨料水泥石界面粗糙度增大，成型时水泥会渗入孔隙中，起到“锚固”作用，水泥石与骨料的粘结强度高，并且钢渣的掺入可以改善过渡区厚度，因此抗冲磨强度优异。

除此之外，多篇文章^[31]也提到抗冲磨性能同力学性能间有正向关系，因此提高混凝土的力学性能也可以在一定程度上改善抗冲磨性能。

作为一种相对比较恶劣的环境，含砂水流对混凝土结构的冲磨破坏受众多因素的影响。高欣欣等人^[32]通过水下钢球法对冲磨破坏的外因进行了探究，发现水流速度与磨损率近似成指数关系，磨损率与磨损粒径呈现类似抛物线关系。黄细彬等^[33]做了更全面的研究。高速水流能提供给磨料更多动能，对过流面造成更大破坏；泥沙颗粒的硬度、形状、矿物成分也会对磨损率造成较为复杂的影响。过流面设计不当，过于粗糙，会导致水流流态恶劣，颗粒运动规律更加混乱，偏离水流流线，与过流面碰撞角度增大。根据蔡新华等^[34]的研究，磨损率随撞击角增大而增大。

1.3 存在的问题

高铁水泥同基准水泥相比，C₃S含量较少，基准水泥中C₃S对早期强度的提高起主要作用，因此高铁水泥制备混凝土可能会出现早期强度不足的问题。并且高铁水泥作为近些年才受到重视的水泥，各方面的研究还不充分，想应用于水工建筑混凝土预制构件中，其力学性能、抗冲磨性能、耐久性等都不明确。

众多文献都提出，蒸汽养护会对混凝土的长期性能造成不利影响，在何种蒸养制度下能获得最好的早期性能并对后期性能造成的破坏降到最低，是一个困难并值得探究的问题。

1.4 研究目的及研究内容

一直以来，含砂水流的冲磨破坏都是水工建筑面临的主要问题之一，尤其是在海洋等复杂环境下，与腐蚀、冻融等因素联合作用造成的混凝土建筑耐久性问题越来越突出，造成了严重的经济损失。高铁相水泥是近些年较为热门的优秀水泥品种，其较高的铁相含量能提供很好的早强和长期强度，较为密实的结构可以提高抵抗含砂水流的冲刷破坏的能力，也有较好的抗氯离子侵蚀性能。综合来看高铁相水泥比较符合水工混凝土的性能需求，而近些年对于高铁相水泥应用于水工混凝土的研究较少，有很大的研究意义。

各类研究都证明抗冲磨性能同力学性能关系密切。蒸汽养护是水工混凝土预制构件的主要养护手段，利用高温蒸汽促进水化，加速硬化获得优秀的早期强度，在生产建设上起到了很大的作用。但是由于蒸养温度过高、升温速率过快等问题，虽然获得了较高的早期强度，为生产、施工等提供了便利，却“用力过猛”导致后期结构破坏，强度、耐久性等下降，为混凝土构件的长期使用埋下了隐患。不过有研究表明，将蒸养效果控制在一个适当的程度，也可以获得较好的长期性能。希望可以通过本次试验探究出合理的蒸养温度，扬长避短，既能获得早强，又能减缓甚至消除对混凝土结构的长期损伤，得到良好的长期力学性能，充分发挥蒸汽养护的优势，提高混凝土的抗冲磨性能。

为了探究蒸养高铁相水泥是否适合应用于水工建筑，本文设计了对照试验。从以下几个方面展开研究：

（1）使用基准水泥、同样广泛应用于水工建筑的低热水泥和高铁水泥三种水泥成型砂浆试件。探究不同水泥品种力学性能、抗冲磨性能、抗氯离子性能的差别；

（2）采用常规养护、50 ℃-4 h、70 ℃-4 h三种蒸养制度对砂浆试件进行养护，探究不同养护条件对水泥砂浆力学性能、抗冲磨性能、抗氯离子性能的影响；

（3）对砂浆进行微观结构形貌分析，从微观角度对宏观性能测试结果做出分析解释，探究高铁相水泥应用于水工建筑的优势所在、蒸养对于水泥混凝土抗冲磨性能的影响，并尝试找出适合于高铁相水泥的蒸养温度。

第2章 原材料及试验方法

2.1 实验原材料

2.1.1 水泥

试验过程使用广西鱼峰水泥股份有限公司使用的高铁水泥（GT），山东鲁城水泥有限公司生产的基准水泥（PI），葛洲坝石门特种水泥有限公司生产的低热水泥（DR）。使用X射线荧光光谱分析得到熟料化学成分表如表2.1所示，使用鲍格计算法得矿相组成如表2.2所示。使用激光粒度分析得到粒径分布如图2.1所示。

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