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原文传递西北强风沙环境混凝土冲蚀磨损与防护材料试验研究

论文题名：	西北强风沙环境混凝土冲蚀磨损与防护材料试验研究
关键词：	风沙环境;水工混凝土;冲蚀磨损;防护材料;修补砂浆
摘要：	已经开通的兰新高速铁路沿线穿越五大强风区，风区地段风力强劲、风期长，强风携带的沙粒对风区地段的混凝土桥梁的梁体、墩身和铁路路基产生了严重的冲蚀磨损，造成如桥梁墩身表面的水泥剥落以及水泥与骨料之间微裂纹的产生，这些损伤可能进一步加剧混凝土结构的其他病害和损伤，大大降低混凝土结构的耐久性。混凝土结构耐久性的降低不仅影响其设计寿命，同时造成庞大的维修费用，也给列车的行车安全造成了重大的隐患。　　关于混凝土结构材料的冲蚀磨损，目前人们重点研究含沙水流对水工混凝土结构材料的冲蚀磨损，主要研究了试验方法、冲蚀磨损机理、评价指标和抗磨措施，并取得了一些进展。而对于风沙环境（气固两相流)下，混凝土结构材料冲蚀磨损的试验方法、冲蚀磨损机理和防护、修补材料的研究还鲜见报道。为此，本文采用气流挟沙喷射法，模拟戈壁风沙环境，对混凝土、改性环氧树脂、环氧树脂基复合材料及水泥基防护、修补砂浆进行冲蚀磨损试验，分析其冲蚀磨损行为和冲蚀磨损机理。结合现场试验和室内试验探讨了改性环氧树脂基复合材料作为强风沙流地区混凝土结构冲蚀磨损防护材料的可行性。主要研究内容和结论如下：　　（1）依据ASTMC418-2005《混凝土冲蚀磨损标准试验方法》研发了冲蚀磨损试验机，该试验机由供气系统、供沙系统、喷枪和喷嘴系统及试样室等4个部分构成；分析了现场收集沙的粒径分布，确定了室内试验沙的粒径范围；校核了气流速度和压力的关系，以便确定试验速度。　　（2）研究了冲蚀速度、冲蚀角度、冲蚀时间和沙流量等参数对混凝土试样冲蚀磨损的影响，试验发现各试样的冲蚀率和风沙流速度满足幂指数关系，拟合速度指数在2.0-3.2之间，符合脆性材料的冲蚀磨损规律；各试样在90°冲蚀时冲蚀率高，而在45°冲蚀时冲蚀率低，与脆性材料的冲蚀规律相一致；混凝土试样的冲蚀率随沙流量的增大先降低后增大；混凝土材料的冲蚀磨损机制为：表面层水泥石的开裂脱落和次表面层的选择性磨损。　　（3）采用沥青、纳米SiO2和改性脂肪胺固化剂对双酚A型环氧树脂进行增韧改性，研究了其耐久性和抗冲蚀磨损性能。试验发现沥青、纳米SiO2和改性脂肪胺固化剂提高了环氧树脂的力学性能、耐久性和冲蚀磨损性能，其冲蚀时表现出半塑性材料的冲蚀特征，最大冲蚀率出现在45°冲蚀角，且冲蚀抗力相比于混凝土有了极大的提高；改性环氧树脂的冲蚀是冲蚀能量法向分量和切向分量共同作用的结果，法向分量使材料表面产生裂纹和破碎，切向分量使材料表面产生切削。　　（4）制备了玻璃（碳）纤维增强环氧树脂复合材料，研究了含胶量、纤维取向、纤维布类型和冲蚀参数等对复合材料冲蚀磨损性能的影响。试验发现环氧树脂基复合材料的冲蚀行为表现出半塑性材料的冲蚀特征，最大冲蚀率出现在45°~60°；对于单向纤维增强环氧树脂复合材料，在冲蚀角为45°时，其冲蚀率与冲蚀速度呈指数关系，速度指数为2.1-2.8；在相同的冲蚀条件下，单向纤维增强环氧树脂复合材料垂直冲蚀的冲蚀率比平行冲蚀的高，含胶量越高复合材料的冲蚀抗力就越高；复合材料的主要冲蚀磨损机制为微裂纹的产生、纤维的弯曲断裂、纤维与基体剥离以及基体的显微切削。　　（5）制备了不同的水泥基防护、修补砂浆，研究了砂浆强度等级、砂子级配、丙乳含量、纤维类型和含量对水泥基防护、修补砂浆冲蚀磨损性能的影响。试验发现水泥石和水泥基防护、修补砂浆的冲蚀率均随着风沙流速度的增大而增加；PP和PVA纤维增强砂浆的冲蚀率随冲蚀角度的增加呈锯齿状变化，其余砂浆的冲蚀规律与脆性材料相一致；砂浆的强度等级越高，其冲蚀抗力也越高；砂子级配越大，砂浆的冲蚀抗力越高；达到一定掺量的丙乳能在砂浆中形成聚合物膜特殊结构，提高砂浆的韧性和冲蚀抗力；适宜量的PP和PVA纤维能对砂浆起到增强和增韧作用，从而能够提高砂浆的冲蚀抗力，特别是高角度冲蚀时的冲蚀抗力。
作者：	王彦平
专业：	土木工程材料与结构
导师：	王起才
授予学位：	博士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文