西北強風沙環(huán)境混凝土沖蝕磨損與防護材料試驗研究.pdf

1、已經(jīng)開通的蘭新高速鐵路沿線穿越五大強風區(qū)，風區(qū)地段風力強勁、風期長，強風攜帶的沙粒對風區(qū)地段的混凝土橋梁的梁體、墩身和鐵路路基產(chǎn)生了嚴重的沖蝕磨損，造成如橋梁墩身表面的水泥剝落以及水泥與骨料之間微裂紋的產(chǎn)生，這些損傷可能進一步加劇混凝土結(jié)構(gòu)的其他病害和損傷，大大降低混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性?；炷两Y(jié)構(gòu)耐久性的降低不僅影響其設(shè)計壽命，同時造成龐大的維修費用，也給列車的行車安全造成了重大的隱患。
　　關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)材料的沖蝕磨損，目前人們重

2、點研究含沙水流對水工混凝土結(jié)構(gòu)材料的沖蝕磨損，主要研究了試驗方法、沖蝕磨損機理、評價指標和抗磨措施，并取得了一些進展。而對于風沙環(huán)境（氣固兩相流)下，混凝土結(jié)構(gòu)材料沖蝕磨損的試驗方法、沖蝕磨損機理和防護、修補材料的研究還鮮見報道。為此，本文采用氣流挾沙噴射法，模擬戈壁風沙環(huán)境，對混凝土、改性環(huán)氧樹脂、環(huán)氧樹脂基復合材料及水泥基防護、修補砂漿進行沖蝕磨損試驗，分析其沖蝕磨損行為和沖蝕磨損機理。結(jié)合現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗探討了改性環(huán)氧樹脂基復合

3、材料作為強風沙流地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)沖蝕磨損防護材料的可行性。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：
　　（1）依據(jù)ASTMC418-2005《混凝土沖蝕磨損標準試驗方法》研發(fā)了沖蝕磨損試驗機，該試驗機由供氣系統(tǒng)、供沙系統(tǒng)、噴槍和噴嘴系統(tǒng)及試樣室等4個部分構(gòu)成；分析了現(xiàn)場收集沙的粒徑分布，確定了室內(nèi)試驗沙的粒徑范圍；校核了氣流速度和壓力的關(guān)系，以便確定試驗速度。
　?。?）研究了沖蝕速度、沖蝕角度、沖蝕時間和沙流量等參數(shù)對混凝土試樣沖蝕磨損的影

4、響，試驗發(fā)現(xiàn)各試樣的沖蝕率和風沙流速度滿足冪指數(shù)關(guān)系，擬合速度指數(shù)在2.0-3.2之間，符合脆性材料的沖蝕磨損規(guī)律；各試樣在90°沖蝕時沖蝕率高，而在45°沖蝕時沖蝕率低，與脆性材料的沖蝕規(guī)律相一致；混凝土試樣的沖蝕率隨沙流量的增大先降低后增大；混凝土材料的沖蝕磨損機制為：表面層水泥石的開裂脫落和次表面層的選擇性磨損。
　?。?）采用瀝青、納米SiO2和改性脂肪胺固化劑對雙酚A型環(huán)氧樹脂進行增韌改性，研究了其耐久性和抗沖蝕磨損性能

5、。試驗發(fā)現(xiàn)瀝青、納米SiO2和改性脂肪胺固化劑提高了環(huán)氧樹脂的力學性能、耐久性和沖蝕磨損性能，其沖蝕時表現(xiàn)出半塑性材料的沖蝕特征，最大沖蝕率出現(xiàn)在45°沖蝕角，且沖蝕抗力相比于混凝土有了極大的提高；改性環(huán)氧樹脂的沖蝕是沖蝕能量法向分量和切向分量共同作用的結(jié)果，法向分量使材料表面產(chǎn)生裂紋和破碎，切向分量使材料表面產(chǎn)生切削。
　?。?）制備了玻璃（碳）纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料，研究了含膠量、纖維取向、纖維布類型和沖蝕參數(shù)等對復合材料沖

6、蝕磨損性能的影響。試驗發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂基復合材料的沖蝕行為表現(xiàn)出半塑性材料的沖蝕特征，最大沖蝕率出現(xiàn)在45°~60°；對于單向纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料，在沖蝕角為45°時，其沖蝕率與沖蝕速度呈指數(shù)關(guān)系，速度指數(shù)為2.1-2.8；在相同的沖蝕條件下，單向纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料垂直沖蝕的沖蝕率比平行沖蝕的高，含膠量越高復合材料的沖蝕抗力就越高；復合材料的主要沖蝕磨損機制為微裂紋的產(chǎn)生、纖維的彎曲斷裂、纖維與基體剝離以及基體的顯微切削。

7、　?。?）制備了不同的水泥基防護、修補砂漿，研究了砂漿強度等級、砂子級配、丙乳含量、纖維類型和含量對水泥基防護、修補砂漿沖蝕磨損性能的影響。試驗發(fā)現(xiàn)水泥石和水泥基防護、修補砂漿的沖蝕率均隨著風沙流速度的增大而增加；PP和PVA纖維增強砂漿的沖蝕率隨沖蝕角度的增加呈鋸齒狀變化，其余砂漿的沖蝕規(guī)律與脆性材料相一致；砂漿的強度等級越高，其沖蝕抗力也越高；砂子級配越大，砂漿的沖蝕抗力越高；達到一定摻量的丙乳能在砂漿中形成聚合物膜特殊結(jié)構(gòu)，提高砂