水工建筑物受到高速挟砂水流或挟带推移质水流撞击并经历一定运转周期后，常常会出现不同程度的磨蚀冲击破坏或气蚀破坏，导致混凝土表面大面积剥落，尤其是我国北方沿海地区、青海盐湖地区等，在长期盐侵蚀和冻融循环的耦合作用下，混凝土劣化速度加快，出现内部损伤、表面混凝土剥落、承载力下降以及使用功能退化等问题[1-2]。据调查，我国运行中的大坝泄水建筑物中大约有70%存在不同程度的冲磨破坏问题[3]。为了提高水工建筑物的抗冲磨性能，在水工建筑物的过流面应用抗冲磨材料，现有抗冲磨材料有硅灰耐冲磨混凝土、纤维增强混凝土、粉煤灰混凝土、环氧砂浆、不锈钢板、铸石板等，但都存在不同缺点[4]。超高性能混凝土（简称UHPC）是近年来发展起来的一种超高性能水泥基复合材料，是由水泥、活性矿物掺合料、砂、高性能减水剂、钢纤维等材料组成，具有高抗压、高抗弯、高抗冲击性、高耐腐蚀性、高耐久性的特点[5-7]。目前许多学者对UHPC进行了力学性能、耐久性能的试验研究，并已取得了一定的成果，但对UHPC在冻融循环和盐腐蚀作用下的抗冲磨性能方面的研究较少。因此，本文对UHPC在冻融循环和海水腐蚀作用下的抗冲磨性能进行了试验研究，并与C50钢纤维混凝土进行了比较，为UHPC在北方沿海地区和盐湖地区水利工程的应用提供参考，以推进UHPC在水工抗冲磨混凝土领域的应用。水泥：广州市珠江水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥，P·O 42.5R级，标准稠度用水量25.8%，初凝时间162min，终凝时间216min，3d抗压强度36MPa、抗折强度6.8MPa，28d龄期抗压强度55MPa、抗折强度8.6MPa。掺合料：广东道明铁路器材有限公司生产的复合矿物掺合料，比表面积2680m2/kg，28d活性指数大于99%。粗集料：佛冈贵田石场生产的玄武岩碎石，粒径5～20mm，连续级配，压碎值＜10%。细集料：清远市长平砂石有限公司的河砂，粒径＜4.75mm，细度模数2.3～2.8，含泥量＜1.0%；阳泉市新亿成商贸有限公司的烧结铝矾土，粒径<4.75mm，细度模数2.3～2.8，Al2O3含量＞75%；都江堰欣华益橡胶颗粒制品经营部的橡胶颗粒，粒径<1.25mm，细度模数2.2。外加剂：广东道明铁路器材有限公司生产的聚羧酸减水剂，固含量40%，减水率＞30%。钢纤维：上海真强钢纤维有限公司生产的镀铜钢纤维，长度12～14mm，直径0.2mm，抗拉强度≥2850MPa。水：自来水。海水：5倍浓度人工海水，按照GB/T 15748—2013《船用金属材料电偶腐蚀试验方法》规定配置。通过正交设计，在进行大量配合比试验的基础上，选取5组配合比，为了确保相同水胶比条件下橡胶UHPC与基准UHPC总体积一致，橡胶颗粒以等体积取代铝矾土，其他材料用量均为体积比，具体配合比见表1。材料抗冲磨强度是指材料单位面积上被磨损单位质量所需要的时间，单位面积上被磨损单位质量所需要的时间越长，表明材料抗冲磨强度越高、抗冲磨性能越好。本文分析橡胶颗粒掺量、冻融循环次数、海水腐蚀天数、冻融循环与海水腐蚀的耦合作用对UHPC抗冲磨性能的影响及橡胶颗粒掺量对UHPC抗压、抗折强度的影响。根据表1所列各组配合比，分别制作用于上述测试的试件，抗压强度采用100mm×100mm×100mm的立方体试件，抗折强度采用100mm×100mm×400mm的棱柱体试件，抗冲磨强度采用Φ300mm×100mm的圆柱体试件。试件采用振动成型方式，UHPC试件成型后24h脱模，随后放入高温养护箱中85℃蒸汽养护48h后自然冷却至室温。C50钢纤维混凝土试件成型后24h脱模，随后放入标准养护室中喷雾养护28d，养护室温度为（20±2）℃，相对湿度为95%以上。本文设置4组试验，第1组为橡胶颗粒掺量对UHPC性能的影响研究：UHPC试件完成高温养护后进行抗压、抗折和抗冲磨试验；第2组为冻融循环次数对UHPC抗冲磨性能的影响研究：UHPC试件完成高温养护后在淡水中冻融循环150次、300次、450次、600次后分别进行抗冲磨试验；第3组为海水腐蚀天数对UHPC抗冲磨性能的影响研究：UHPC试件完成高温养护后在海水中浸泡50d、100d、150d、200d后分别进行抗冲磨试验；第4组为冻融循环300次和海水腐蚀50d耦合作用下UHPC与C50钢纤维混凝土的抗冲磨性能对比：掺10%橡胶颗粒的UHPC试件和C50钢纤维混凝土试件，高温养护后在海水中冻融循环300次（冻融循环300次与海水腐蚀50d耦合作用）后分别进行抗冲磨试验。抗冲磨强度测试根据DL/T 5150—2001《水工混凝土试验规程》中水下钢球法进行，冲磨试验用水为5倍浓度人工海水；抗压、抗折强度测试根据T/CBMF 37—2018/T/CCPA 7—2018《超高性能混凝土基本性能及试验方法》进行；冻融试验方法是根据GB/T 50082—2019《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的快冻法进行，每次冻融循环时间为4h；海水腐蚀试验是将试件浸泡在海水中。UHPC试件高温养护后，进行力学性能测试，橡胶颗粒掺量对UHPC力学性能的影响如图1所示。由图1可知，橡胶颗粒掺量0%~15%的UHPC抗压强度、抗折强度均随着橡胶颗粒掺量的增加而降低。
分析原因：橡胶颗粒是一种弹性体材料，受到压力时，容易使体积发生收缩，形成“孔洞”，导致UHPC结构内部存在较大的孔隙，同时橡胶颗粒的掺入，增加了UHPC内部界面薄弱点，所以橡胶颗粒掺量越多，UHPC的抗压强度下降越多，杨敏[8]对橡胶颗粒降低混凝土抗压强度也进行了类似的理论分析；橡胶颗粒与水化产物粘结性能较差，增加了橡胶UHPC内部的裂隙，从而使橡胶UHPC的抗折强度要低于不掺橡胶的UHPC，并随着橡胶颗粒掺量的增多抗折强度降低幅度增大，这些原因也出现在徐敏[9]对橡胶混凝土力学性能机理分析中。
2.2 橡胶颗粒掺量对UHPC抗冲磨性能的影响
UHPC试件高温养护后进行抗冲磨测试，橡胶颗粒掺量对UHPC抗冲磨性能的影响见表2。
由表2可知，高温养护后，UHPC抗冲磨强度随着橡胶颗粒体积掺量的增加先提高后降低，即橡胶颗粒的体积掺量为0%~10%范围内，UHPC的抗冲磨强度逐渐提高，但橡胶颗粒掺量进一步提高到15%时，UHPC的抗冲磨有所降低。分析原因：抗冲磨强度不仅受材料抗压强度的影响，还受材料韧性的影响，当掺入适量橡胶颗粒时，橡胶颗粒高弹性的优势作用要大于增加界面薄弱点的劣势作用，提高UHPC的变形能力，从而有效降低和缓解钢球与UHPC表面摩擦作用产生的摩擦力，减少UHPC的磨耗，所以UHPC的抗冲磨强度提高，这与覃峰等[10]在橡胶粉水泥混凝土路面冲磨性能试验研究中的机理分析类似；但随着橡胶颗粒掺量的增加，UHPC内部薄弱区增加，橡胶颗粒的弹性作用小于薄弱点作用时，在钢球冲磨作用下，容易被摩擦作用产生的摩擦力带出，从而增加UHPC的磨耗，降低UHPC的抗冲磨强度，这一原因也出现在黄琼念等[11]的橡胶混凝土性能研究中。不同橡胶掺量的UHPC试件完成高温养护后在淡水中冻融循环150次、300次、450次、600次后分别进行抗冲磨试验，冻融循环测试对UHPC抗冲磨性能的影响如图2所示。由图2可知，不同橡胶颗粒掺量的UHPC抗冲磨强度在冻融循环150次之后开始下降；相同冻融循环次数后的抗冲磨强度随着橡胶颗粒掺入量的增加先增加后降低，橡胶颗粒掺量为10%为掺量。分析原因：UHPC内部水分发生低温冻结膨胀产生的应力小于水化凝胶与骨料间的结合力，但是随着冻融循环次数的增加，应力不断加载、卸载，反复循环，UHPC内部损伤不断积累，UHPC内部裂纹逐渐增多，从而在冻融循环150次之后UHPC的抗冲磨强度逐渐降低；UHPC中掺入适量橡胶颗粒，由于橡胶颗粒是弹性体，当UHPC内部受膨胀压力时可以起缓冲作用，缓解膨胀应力对UHPC水化产物的损伤，缓减裂缝的发展，提高UHPC的抗冻融循环次数，这与叶文超[12]在橡胶混凝土的耐久性研究中的结果一致；橡胶颗粒掺量超过掺量时，橡胶颗粒与水化产物的粘附力较低，增加UHPC内部的薄弱区，从而薄弱区的劣化作用大于弹性体的优势作用，大幅度降低UHPC的抗冲磨强度。不同橡胶颗粒掺量的UHPC试件完成高温养护后在海水中浸泡50d、100d、150d、200d后分别进行抗冲磨试验，海水腐蚀对UHPC抗冲磨性能的影响如图3所示。由图3可知，不同橡胶颗粒掺量的UHPC抗冲磨强度在海水腐蚀50d之后开始降低；相同浸泡时间的抗冲磨强度随着橡胶颗粒掺量的增加先增加后降低，且橡胶颗粒掺量为10%。分析原因：海水侵蚀后首先表层未水化胶凝材料成分水化产生水化产物，提高UHPC的胶结强度，随着海水腐蚀的进行，未水化的水泥与人工海水中的氯离子结合生成的Friedel's盐填充了UHPC内部的孔隙，这些原因也出现在李师财[13]等对海水海砂混凝土力学与耐久性的研究中。当海水腐蚀进一步进行时，水化产物与硫酸盐作用产生的石膏和Friedel's盐造成UHPC内部膨胀，膨胀应力使其产生破坏裂纹，从而UHPC抗冲磨强度在海水腐蚀50d之后开始降低。UHPC掺适量橡胶颗粒，由于橡胶颗粒是弹性体，在UHPC受海水侵蚀产生石膏、Friedel's盐产生膨胀压力过程中可以消耗部分内应力，缓解对UHPC薄弱区的破坏，提高UHPC的抗海水腐蚀性能；橡胶颗粒掺量超过掺量时，橡胶颗粒与水化产物的粘附力较低，形成材料的薄弱区增加，UHPC受海水侵蚀产生的石膏、Friedel's盐的膨胀应力对薄弱区的破坏增强，从而降低UHPC的抗冲磨强度。2.5 冻融循环和海水腐蚀耦合作用下UHPC与C50钢纤维混凝土的抗冲磨性能对比掺10%橡胶颗粒的UHPC试件和C50钢纤维混凝土试件，高温养护后在冻融循环300次与海水腐蚀50d耦合作用（海水中冻融循环300次）后分别进行抗冲磨试验，并对比掺10%橡胶颗粒的UHPC在冻融循环300次与海水腐蚀50d耦合作用、冻融循环300次和海水腐蚀50d后的抗冲磨强度，不同侵蚀条件下掺10%橡胶颗粒的UHPC和C50钢纤维混凝土的抗冲磨性强度见表3，掺10%橡胶颗粒UHPC和C50钢纤维混凝土在冻融循环300次与海水腐蚀50d耦合作用后抗冲磨前后的表面状态如图4所示。由表3可知，在冻融循环300次与海水腐蚀50d耦合作用后，掺10%橡胶颗粒的UHPC抗冲磨强度约为C50钢纤维混凝土的28倍；掺10%橡胶颗粒的UHPC在冻融循环300次与海水腐蚀50d耦合作用后抗冲磨强度比单独冻融循环300次或海水中浸泡50d后的抗冲磨强度要低。由图4可知，在冻融循环300次与海水腐蚀50d耦合作用后，掺10%橡胶颗粒的UHPC表面磨损较少、表面较平整，C50钢纤维混凝土边缘表面凹凸不平。分析原因：在冻融循环300次与海水腐蚀50d耦合作用过程中，海水首先作用在UHPC表层孔隙里，从而让表层UHPC毛细孔中水比内部要提前达到饱和，结冰后产生的膨胀应力增大，随着冻融性作用不断进行，外部毛细孔里面的还没结冰的水不易朝着其他部位扩散，相对里面的未结冰水来看，外面的未结冰水产生的静水压相对要大得多，微裂缝的产生和延伸更加明显，因此海水腐蚀和冻融循环耦合作用下，加速降低UHPC抗冲磨强度，这与肖辉[14]的冻融循环和氯离子耦合作用加速混凝土损伤的研究结果一致。由于UHPC比C50钢纤维混凝土更加致密、毛细通孔少，抗冻融循环性能、抗海水腐蚀性能及水化硅酸钙凝胶强度更高，从而使UHPC在冻融循环和海水腐蚀耦合作用后进行抗冲磨试验时，仅表面磨损掉薄薄的一层，而C50钢纤维混凝土表面形成明显凹坑，这些现象也出现在刘福财等[15]的超高性能混凝土抗冲磨性能研究中。通过对不同橡胶颗粒掺量的UHPC进行力学和抗冲磨性能测试，对比研究橡胶颗粒掺量、冻融循环次数和海水腐蚀天数对UHPC抗冲磨性能的影响，并对比研究冻融循环与海水腐蚀耦合作用下，掺10%橡胶颗粒的UHPC和C50钢纤维混凝土的抗冲磨性能，得出以下主要结论：
（1）橡胶颗粒与水化产物粘结性能较差，橡胶颗粒增加了UHPC内部界面薄弱点和裂隙，因此UHPC抗压强度、抗折强度分别随着橡胶颗粒体积掺量的增加而降低。
（2）由于橡胶颗粒是高弹性体材料，掺入适量的橡胶颗粒时，橡胶颗粒高弹性的优势作用要大于增加界面薄弱点的劣势作用，可提高UHPC的抗冲磨强度；当橡胶颗粒掺量过量时，橡胶颗粒的高弹性优势作用要小于增加界面薄弱点的劣势作用，UHPC抗冲磨强度下降，因此UHPC抗冲磨强度随着橡胶颗粒体积掺量的增加先提高后降低，橡胶颗粒掺量为10%。
（3）UHPC的抗冲磨强度在冻融循环150次后开始下降，在海水腐蚀50d后开始降低，由于橡胶颗粒的高弹性，具有缓冲、卸压功能，掺入部分橡胶颗粒可以提高冻融循环或海水腐蚀作用下UHPC的抗冲磨强度，且掺量为10%。
（4）在冻融循环和海水腐蚀耦合作用下，UHPC的抗冲磨强度远优于C50钢纤维混凝土的抗冲磨强度。在5倍浓度人工海水300次冻融循环及抗冲磨试验后，UHPC表面冲磨较少且表面较平整，C50钢纤维混凝土边缘表面凹凸不平，掺10%橡胶颗粒的UHPC抗冲磨强度约为C50钢纤维混凝土的28倍。
