引言水工建筑物受到高速挾砂水流或挾帶推移質水流撞擊并經歷一定運轉周期后，常常會出現不同程度的磨蝕沖擊破壞或氣蝕破壞，導致混凝土表面大面積剝落，尤其是我國北方沿海地區、青海鹽湖地區等，在長期鹽侵蝕和凍融循環的耦合作用下，混凝土劣化速度加快，出現內部損傷、表面混凝土剝落、承載力下降以及使用功能退化等問題[1-2]。據調查，我國運行中的大壩泄水建筑物中大約有70%存在不同程度的沖磨破壞問題[3]。為了提高水工建筑物的抗沖磨性能，在水工建筑物的過流面應用抗沖磨材料，現有抗沖磨材料有硅灰耐沖磨混凝土、纖維增強混凝土、粉煤灰混凝土、環氧砂漿、不銹鋼板、鑄石板等，但都存在不同缺點[4]。超高性能混凝土（簡稱UHPC）是近年來發展起來的一種超高性能水泥基復合材料，是由水泥、活性礦物摻合料、砂、高性能減水劑、鋼纖維等材料組成，具有高抗壓、高抗彎、高抗沖擊性、高耐腐蝕性、高耐久性的特點[5-7]。目前許多學者對UHPC進行了力學性能、耐久性能的試驗研究，并已取得了一定的成果，但對UHPC在凍融循環和鹽腐蝕作用下的抗沖磨性能方面的研究較少。因此，本文對UHPC在凍融循環和海水腐蝕作用下的抗沖磨性能進行了試驗研究，并與C50鋼纖維混凝土進行了比較，為UHPC在北方沿海地區和鹽湖地區水利工程的應用提供參考，以推進UHPC在水工抗沖磨混凝土領域的應用。1、試驗部分

1.1材料水泥：廣州市珠江水泥有限公司生產的普通硅酸鹽水泥，P·O42.5R級，標準稠度用水量25.8%，初凝時間162min，終凝時間216min，3d抗壓強度36MPa、抗折強度6.8MPa，28d齡期抗壓強度55MPa、抗折強度8.6MPa。摻合料：廣東道明鐵路器材有限公司生產的復合礦物摻合料，比表面積2680m2/kg，28d活性指數大于100%。粗集料：佛岡貴田石場生產的玄武巖碎石，粒徑5～20mm，連續級配，壓碎值＜10%。細集料：清遠市長平砂石有限公司的河砂，粒徑＜4.75mm，細度模數2.3～2.8，含泥量＜1.0%；陽泉市新億成商貿有限公司的燒結鋁礬土，粒徑<4.75mm，細度模數2.3～2.8，Al2O3含量＞75%；都江堰欣華益橡膠顆粒制品經營部的橡膠顆粒，粒徑<1.25mm，細度模數2.2。外加劑：廣東道明鐵路器材有限公司生產的聚羧酸減水劑，固含量40%，減水率＞30%。鋼纖維：上海真強鋼纖維有限公司生產的鍍銅鋼纖維，長度12～14mm，直徑0.2mm，抗拉強度≥2850MPa。水：自來水。海水：5倍濃度人工海水，按照GB/T15748—2013《船用金屬材料電偶腐蝕試驗方法》規定配置。

1.2配合比設計通過正交設計，在進行大量配合比試驗的基礎上，選取5組配合比，為了確保相同水膠比條件下橡膠UHPC與基準UHPC總體積一致，橡膠顆粒以等體積取代鋁礬土，其他材料用量均為體積比，具體配合比見表1。表1

混凝土配合比%1.3試驗方法材料抗沖磨強度是指材料單位面積上被磨損單位質量所需要的時間，單位面積上被磨損單位質量所需要的時間越長，表明材料抗沖磨強度越高、抗沖磨性能越好。本文分析橡膠顆粒摻量、凍融循環次數、海水腐蝕天數、凍融循環與海水腐蝕的耦合作用對UHPC抗沖磨性能的影響及橡膠顆粒摻量對UHPC抗壓、抗折強度的影響。根據表1所列各組配合比，分別制作用于上述測試的試件，抗壓強度采用100mm×100mm×100mm的立方體試件，抗折強度采用100mm×100mm×400mm的棱柱體試件，抗沖磨強度采用Φ300mm×100mm的圓柱體試件。試件采用振動成型方式，UHPC試件成型后24h脫模，隨后放入高溫養護箱中85℃蒸汽養護48h后自然冷卻至室溫。C50鋼纖維混凝土試件成型后24h脫模，隨后放入標準養護室中噴霧養護28d，養護室溫度為（20±2）℃，相對濕度為95%以上。本文設置4組試驗，第1組為橡膠顆粒摻量對UHPC性能的影響研究：UHPC試件完成高溫養護后進行抗壓、抗折和抗沖磨試驗；第2組為凍融循環次數對UHPC抗沖磨性能的影響研究：UHPC試件完成高溫養護后在淡水中凍融循環150、300、450、600次后分別進行抗沖磨試驗；第3組為海水腐蝕天數對UHPC抗沖磨性能的影響研究：UHPC試件完成高溫養護后在海水中浸泡50、100、150、200d后分別進行抗沖磨試驗；第4組為凍融循環300次和海水腐蝕50d耦合作用下UHPC與C50鋼纖維混凝土的抗沖磨性能對比：摻10%橡膠顆粒的UHPC試件和C50鋼纖維混凝土試件，高溫養護后在海水中凍融循環300次（凍融循環300次與海水腐蝕50d耦合作用）后分別進行抗沖磨試驗?？箾_磨強度測試根據DL/T5150—2001《水工混凝土試驗規程》中水下鋼球法進行，沖磨試驗用水為5倍濃度人工海水；抗壓、抗折強度測試根據T/CBMF37—2018/T/CCPA7—2018《超高性能混凝土基本性能及試驗方法》進行；凍融試驗方法是根據GB/T50082—2019《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的快凍法進行，每次凍融循環時間為4h；海水腐蝕試驗是將試件浸泡在海水中。2、結果與分析

2.1橡膠顆粒摻量對UHPC力學性能的影響UHPC試件高溫養護后，進行力學性能測試，橡膠顆粒摻量對UHPC力學性能的影響如圖1所示。

圖1

橡膠粒摻量對UHPC力學性能的影響由圖1可知，橡膠顆粒摻量0%~15%的UHPC抗壓強度、抗折強度均隨著橡膠顆粒摻量的增加而降低。分析原因：橡膠顆粒是一種彈性體材料，受到壓力時，容易使體積發生收縮，形成“孔洞”，導致UHPC結構內部存在較大的孔隙，同時橡膠顆粒的摻入，增加了UHPC內部界面薄弱點，所以橡膠顆粒摻量越多，UHPC的抗壓強度下降越多，楊敏[8]對橡膠顆粒降低混凝土抗壓強度也進行了類似的理論分析；橡膠顆粒與水化產物粘結性能較差，增加了橡膠UHPC內部的裂隙，從而使橡膠UHPC的抗折強度要低于不摻橡膠的UHPC，并隨著橡膠顆粒摻量的增多抗折強度降低幅度增大，這些原因也出現在徐敏[9]對橡膠混凝土力學性能機理分析中。2.2橡膠顆粒摻量對UHPC抗沖磨性能的影響UHPC試件高溫養護后進行抗沖磨測試，橡膠顆粒摻量對UHPC抗沖磨性能的影響見表2。

表2UHPC抗沖磨強度由表2可知，高溫養護后，UHPC抗沖磨強度隨著橡膠顆粒體積摻量的增加先提高后降低，即橡膠顆粒的體積摻量為0%~10%范圍內，UHPC的抗沖磨強度逐漸提高，但橡膠顆粒摻量進一步提高到15%時，UHPC的抗沖磨有所降低。分析原因：抗沖磨強度不僅受材料抗壓強度的影響，還受材料韌性的影響，當摻入適量橡膠顆粒時，橡膠顆粒高彈性的優勢作用要大于增加界面薄弱點的劣勢作用，提高UHPC的變形能力，從而有效降低和緩解鋼球與UHPC表面摩擦作用產生的摩擦力，減少UHPC的磨耗，所以UHPC的抗沖磨強度提高，這與覃峰等[10]在橡膠粉水泥混凝土路面沖磨性能試驗研究中的機理分析類似；但隨著橡膠顆粒摻量的增加，UHPC內部薄弱區增加，橡膠顆粒的彈性作用小于薄弱點作用時，在鋼球沖磨作用下，容易被摩擦作用產生的摩擦力帶出，從而增加UHPC的磨耗，降低UHPC的抗沖磨強度，這一原因也出現在黃瓊念等[11]的橡膠混凝土性能研究中。

2.3凍融循環對UHPC抗沖磨性能的影響不同橡膠摻量的UHPC試件完成高溫養護后在淡水中凍融循環150、300、450、600次后分別進行抗沖磨試驗，凍融循環測試對UHPC抗沖磨性能的影響如圖2所示。

圖2

不同凍融循環次數UHPC的抗沖磨強度由圖2可知，不同橡膠顆粒摻量的UHPC抗沖磨強度在凍融循環150次之后開始下降；相同凍融循環次數后的抗沖磨強度隨著橡膠顆粒摻入量的增加先增加后降低，橡膠顆粒摻量為10%為最佳摻量。分析原因：UHPC內部水分發生低溫凍結膨脹產生的應力小于水化凝膠與骨料間的結合力，但是隨著凍融循環次數的增加，應力不斷加載、卸載，反復循環，UHPC內部損傷不斷積累，UHPC內部裂紋逐漸增多，從而在凍融循環150次之后UHPC的抗沖磨強度逐漸降低；UHPC中摻入適量橡膠顆粒，由于橡膠顆粒是彈性體，當UHPC內部受膨脹壓力時可以起緩沖作用，緩解膨脹應力對UHPC水化產物的損傷，緩減裂縫的發展，提高UHPC的抗凍融循環次數，這與葉文超[12]在橡膠混凝土的耐久性研究中的結果一致；橡膠顆粒摻量超過最佳摻量時，橡膠顆粒與水化產物的粘附力較低，增加UHPC內部的薄弱區，從而薄弱區的劣化作用大于彈性體的優勢作用，大幅度降低UHPC的抗沖磨強度。

2.4海水腐蝕對UHPC抗沖磨性能的影響不同橡膠顆粒摻量的UHPC試件完成高溫養護后在海水中浸泡50、100、150、200d后分別進行抗沖磨試驗，海水腐蝕對UHPC抗沖磨性能的影響如圖3所示。

圖3

不同海水浸泡天數UHPC的抗沖磨強度由圖3可知，不同橡膠顆粒摻量的UHPC抗沖磨強度在海水腐蝕50d之后開始降低；相同浸泡時間的抗沖磨強度隨著橡膠顆粒摻量的增加先增加后降低，且橡膠顆粒最佳摻量為10%。分析原因：海水侵蝕后首先表層未水化膠凝材料成分水化產生水化產物，提高UHPC的膠結強度，隨著海水腐蝕的進行，未水化的水泥與人工海水中的氯離子結合生成的Friedel's鹽填充了UHPC內部的孔隙，這些原因也出現在李師財[13]等對海水海砂混凝土力學與耐久性的研究中。當海水腐蝕進一步進行時，水化產物與硫酸鹽作用產生的石膏和Friedel's鹽造成UHPC內部膨脹，膨脹應力使其產生破壞裂紋，從而UHPC抗沖磨強度在海水腐蝕50d之后開始降低。UHPC摻適量橡膠顆粒，由于橡膠顆粒是彈性體，在UHPC受海水侵蝕產生石膏、Friedel's鹽產生膨脹壓力過程中可以消耗部分內應力，緩解對UHPC薄弱區的破壞，提高UHPC的抗海水腐蝕性能；橡膠顆粒摻量超過最佳摻量時，橡膠顆粒與水化產物的粘附力較低，形成材料的薄弱區增加，UHPC受海水侵蝕產生的石膏、Friedel's鹽的膨脹應力對薄弱區的破壞增強，從而降低UHPC的抗沖磨強度。

2.5凍融循環和海水腐蝕耦合作用下UHPC與C50鋼纖維混凝土的抗沖磨性能對比摻10%橡膠顆粒的UHPC試件和C50鋼纖維混凝土試件，高溫養護后在凍融循環300次與海水腐蝕50d耦合作用（海水中凍融循環300次）后分別進行抗沖磨試驗，并對比摻10%橡膠顆粒的UHPC在凍融循環300次與海水腐蝕50d耦合作用、凍融循環300次和海水腐蝕50d后的抗沖磨強度，不同侵蝕條件下摻10%橡膠顆粒的UHPC和C50鋼纖維混凝土的抗沖磨性強度見表3，摻10%橡膠顆粒UHPC和C50鋼纖維混凝土在凍融循環300次與海水腐蝕50d耦合作用后抗沖磨前后的表面狀態如圖4所示。

圖4

抗沖磨試驗前后試件照片由表3可知，在凍融循環300次與海水腐蝕50d耦合作用后，摻10%橡膠顆粒的UHPC抗沖磨強度約為C50鋼纖維混凝土的28倍；摻10%橡膠顆粒的UHPC在凍融循環300次與海水腐蝕50d耦合作用后抗沖磨強度比單獨凍融循環300次或海水中浸泡50d后的抗沖磨強度要低。由圖4可知，在凍融循環300次與海水腐蝕50d耦合作用后，摻10%橡膠顆粒的UHPC表面磨損較少、表面較平整，C50鋼纖維混凝土邊緣表面凹凸不平。分析原因：在凍融循環300次與海水腐蝕50d耦合作用過程中，海水首先作用在UHPC表層孔隙里，從而讓表層UHPC毛細孔中水比內部要提前達到飽和，結冰后產生的膨脹應力增大，隨著凍融性作用不斷進行，外部毛細孔里面的還沒結冰的水不易朝著其他部位擴散，相對里面的未結冰水來看，外面的未結冰水產生的靜水壓相對要大得多，微裂縫的產生和延伸更加明顯，因此海水腐蝕和凍融循環耦合作用下，加速降低UHPC抗沖磨強度，這與肖輝[14]的凍融循環和氯離子耦合作用加速混凝土損傷的研究結果一致。由于UHPC比C50鋼纖維混凝土更加致密、毛細通孔少，抗凍融循環性能、抗海水腐蝕性能及水化硅酸鈣凝膠強度更高，從而使UHPC在凍融循環和海水腐蝕耦合作用后進行抗沖磨試驗時，僅表面磨損掉薄薄的一層，而C50鋼纖維混凝土表面形成明顯凹坑，這些現象也出現在劉福財等[15]的超高性能混凝土抗沖磨性能研究中。

表3

抗沖磨強度m2·h/kg結論

通過對不同橡膠顆粒摻量的UHPC進行力學和抗沖磨性能測試，對比研究橡膠顆粒摻量、凍融循環次數和海水腐蝕天數對UHPC抗沖磨性能的影響，并對比研究凍融循環與海水腐蝕耦合作用下，摻10%橡膠顆粒的UHPC和C50鋼纖維混凝土的抗沖磨性能，得出以下主要結論：（1）橡膠顆粒與水化產物粘結性能較差，橡膠顆粒增加了UHPC內部界面薄弱點和裂隙，因此UHPC抗壓強度、抗折強度分別隨著橡膠顆粒體積摻量的增加而降低。（2）由于橡膠顆粒是高彈性體材料，摻入適量的橡膠顆粒時，橡膠顆粒高彈性的優勢作用要大于增加界面薄弱點的劣勢作用，可提高UHPC的抗沖磨強度；當橡膠顆粒摻量過量時，橡膠顆粒的高彈性優勢作用要小于增加界面薄弱點的劣勢作用，UHPC抗沖磨強度下降，因此UHPC抗沖磨強