不同配合比混凝土在低温条件下的耐磨性研究

《Scientific Reports》：Effects of cold temperatures on abrasion resistance of concrete with different mixture compositions

　　

本研究考察了用于寒区基础设施的混凝土耐磨性，重点研究了温度和配合比的影响。研究人员在四种温度条件（+20 °C、0 °C、?10 °C和?20 °C）下评估了多种自密实混凝土（SCC）和普通混凝土（NC）配合比。配合比中采用了不同的辅助胶凝材料（SCMs），即偏高岭土（MK）、硅灰（SF）、矿渣（SL）和粉煤灰（FA），以及变化的骨料粒径、粗/细骨料（C/F）比和胶凝材料用量。耐磨性通过旋转切削法（rotating-cutter method）和喷砂法（sandblasting method）进行测试，以全面评估表面耐久性。结果表明，含有MK和SF的配合比获得了最高的抗压强度和耐磨性，而FA表现最差；SL提供了中等的强度提升，但耐磨性改善有限。由于机械振动带来的更密实的骨料堆积，NC在所有温度下均始终优于SCC。关于配合比设计的权衡，增加C/F骨料比或最大骨料粒径会降低抗压强度，但提高了耐磨性。将胶凝材料用量从500 kg/m³降低至250 kg/m³导致了最大的整体性能损失。降低温度一致地提高了所有配合比的抗压强度和耐磨性。这种增强在低胶凝材料用量或含FA配合比中更为明显，而含精炼MK和SF的配合比表现出较小的相对增益，但保持了更优的绝对性能。研究结果强调了温度和配合比变量对耐磨性能的交互作用，为开发适用于寒区基础设施的混凝土配合比提供了实践洞见。

**研究背景与问题**

混凝土的耐磨性是决定基础设施耐久性和使用寿命的关键性能指标，对于桥面、公路、机场跑道、人行道和路面等工程尤为重要。在寒区，混凝土表面承受更为严酷的磨蚀作用，包括车辆轮胎（特别是重型卡车和带钉轮胎）的持续摩擦、冬季养护时铲雪刀片的刮擦、融雪剂和砂石在交通荷载下作为松散磨料颗粒的研磨作用，以及河流中桥墩等水下结构受到泥沙、砾石和冰流冲刷。这些机械作用导致材料渐进损失、表面粗化及沟槽形成，最终缩短基础设施的使用寿命。尽管低温下混凝土力学性能的研究已有一定积累，但关于耐磨性，特别是配合比与温度交互作用的研究仍显不足，难以直接指导寒区混凝土配合比的优化设计。

**研究内容、结论与意义**

研究人员系统研究了不同配合比混凝土在低温环境下的耐磨性，评估了辅助胶凝材料类型、骨料粒径、混凝土类型、C/F骨料比和胶凝材料用量等参数的影响，测试温度涵盖+20 °C、0 °C、?10 °C和?20 °C，采用旋转切削法和喷砂法两种磨损机制进行评价。研究证实，配合比设计与低温环境存在显著交互效应：偏高岭土（MK）和硅灰（SF）因高火山灰活性能细化孔结构、强化界面过渡区（ITZ），在所有温度下均表现最优；降低温度通过孔内冰晶填充和冷收缩增强原子间键合力，普遍提升混凝土性能，但无法弥补低胶凝材料含量的缺陷；增大C/F骨料比或骨料粒径虽略微降低抗压强度，却能显著提高耐磨性。该研究为寒区基础设施混凝土配合比优化提供了基于统计验证的科学依据，对提升寒区工程耐久性具有重要实践价值，论文发表于《Scientific Reports》。

**主要关键技术方法**

研究采用9组配合比，涵盖6组自密实混凝土（SCC）和3组普通混凝土（NC），胶凝材料包括基准水泥及分别掺入30%粉煤灰（FA）、30%矿渣（SL）、8%硅灰（SF）、20%偏高岭土（MK）的改性体系；粗骨料最大粒径分别为10 mm和20 mm；SCC的C/F骨料比固定为0.7，NC则考察0.7和2.0两种比例；胶凝材料用量分别采用500 kg/m³和250 kg/m³。试件标准养护28天后，在三间独立低温室中分别进行3天温度 conditioning 至目标温度，控制试件整体热平衡。测试包括：ASTM C39标准圆柱体抗压强度试验；ASTM C944旋转切削法耐磨试验（200 rpm、98 N恒定荷载、两分钟循环）；ASTM C418喷砂法耐磨试验（75±2.5 mm喷射距离、二氧化硅砂气喷一分钟、至少八个点位）。

**研究结果**

**辅助胶凝材料（SCMs）的影响**：室温下，MK和SF掺入使抗压强度分别提升至77.0 MPa（+47.0%）和70.0 MPa（+33.6%），旋转切削耐磨深度分别降低22.0%和17.1%，喷砂深度分别降低19.7%和9.8%，表现最优；SL强度提升5.5%但耐磨性改善中等；FA使强度降低7.8%，耐磨性最差。随着温度降低，所有配合比性能均提升，但MK和SF配合比因本已致密的微观结构，低温下相对增益较小而绝对性能保持最优；FA和低胶凝材料含量配合比的相对增益更为显著。

**粗骨料粒径的影响**：增大最大骨料粒径至20 mm使室温抗压强度略降3.6%，但旋转切削和喷砂耐磨性分别改善13.1%和6.6%。低温下两种粒径配合比性能均提升，粒径较大者因硬骨料贡献而始终表现更优。

**混凝土类型（SCC与NC）的影响**：相同组成下，机械振实的NC因更密实的骨料堆积和更低含气量，抗压强度高出SCC达11.3%，旋转切削和喷砂耐磨性分别改善6.7%和3.2%。SCC高流动性导致富浆表面层更易磨损。低温下两者性能均提升，但NC优势略有扩大。

**C/F骨料比的影响**：C/F比从0.7增至2.0使抗压强度降低18.2%，但旋转切削和喷砂耐磨性分别显著改善28.5%和22.0%，因硬粗骨料表面体积增加。低温下两者性能均提升，高C/F比配合比获益明显。

**胶凝材料含量的影响**：胶凝材料从500 kg/m³降至250 kg/m³导致抗压强度骤降46.5%，旋转切削和喷砂耐磨性分别劣化34.2%和27.1%，为所有变量中影响最剧烈者。尽管低温下该配合比仍有28.5%的强度增益，绝对性能始终最差，证实低温效应无法补偿胶凝材料不足。

**抗压强度、耐磨性与温度效应的相关性**：抗压强度与耐磨性呈正相关，强度升高对应耐磨深度降低；但骨料特征会调节此关系——增大骨料粒径或含量增强耐磨性却可能降低强度。旋转切削深度与喷砂深度亦呈强正相关，两种方法尽管磨损机制不同，但受相同内在材料属性调控。温度降低（?20 °C和?10 °C）与更高强度、更低耐磨深度相关联。

**统计分析**：方差分析（ANOVA）表明，在配合比参数中，MK和SF对强度和耐磨性的统计影响最显著（p<0.05），SL对强度影响不显著；粗骨料粒径和混凝土类型对耐磨性影响不显著，C/F骨料比和胶凝材料含量则始终显著。温度效应方面，0 °C时多数配合比变化不显著；?10 °C时多数变得显著；?20 °C时所有配合比均呈现高度显著效应。

**讨论与结论翻译**

研究讨论部分强调，混凝土性能受配合比与温度的共同调控，且需权衡抗压强度与耐磨性的设计需求。微观结构密度是理解低温增强效应的关键：高活性SCMs（SF、MK）形成的致密结构限制了冰晶填充的额外增益空间，而FA或多孔配合比因初始孔隙率高，低温下冰晶填充效应更为突出。NC因振动密实而优于SCC的现象，提示自密实混凝土在寒区耐磨应用中需特别关注表面层质量控制。胶凝材料含量的主导作用表明，不可因低温增强效应而降低材料用量标准。

研究结论如下：

1. 含MK和SF的配合比在所有温度下均表现最优，这归因于其高火山灰反应活性及孔结构细化能力；SL改善中等，FA较差；所有SCMs配合比均从低温中获益。

2. 增大最大粗骨料粒径略降抗压强度，但提高耐磨性；低温下两者均进一步改善。

3. 相同组成下NC始终优于SCC，因机械振动实现更致密堆积；SCC富浆表面更易受磨蚀。

4. 较高C/F骨料比导致强度降低但耐磨性提高的权衡；低温下两项性能均改善。

5. 降低胶凝材料含量对整体性能损害最大；低温无法弥补材料不足。

6. 寒区混凝土配合比选择应基于主要性能需求：重磨蚀环境（如桥面、路面）推荐SF或MK配合比并提高粗骨料含量；强度控制场合则采用MK或SF配合比并平衡骨料比例。

7. ANOVA证实配合比和温度均显著影响性能，SCMs类型（尤其MK和SF）、C/F骨料比和胶凝材料含量影响最显著；温度效应随严寒程度加剧而增强，0 °C时不显著，?10 °C渐显，?20 °C达到主导且高度显著。

总体而言，亚零度温度普遍增强所有配合比的抗压强度和耐磨性，改善幅度受微观结构密度和胶凝材料含量强烈影响。低胶凝材料和FA配合比在?20 °C时相对增益最高，但绝对性能仍最低，表明冰晶形成无法完全补偿低水泥含量或高孔隙率的缺陷。骨料特征亦关键：增大粗骨料粒径略降强度但提高耐磨性；较高C/F骨料比影响更强。但骨料粒径和含量对低温的敏感性相当，其在低温和常温下的效应趋势一致。