混凝土冲蚀磨损及防护材料试验研究

发布时间：2019-09-17 10:32

【摘要】：冲蚀磨损是指液体或固体以松散的小颗粒按一定的速度或角度对材料表面进行冲击所造成的一种材料损耗现象或过程，广泛存在于机械、冶金、能源、建材、航空、航天等许多工业部门,已成为材料破坏或设备失效的重要原因之一。兰新铁路第二双线新疆段沿线穿越五大强风区，风区地段，风力强劲，风期长。当风速大于起沙风速时，桥梁墩身的迎风侧便受到净风压和沙粒冲击压的复合作用，从而造成桥梁墩身表面的水泥石剥落以及水泥石与骨料之间微裂纹的加速扩展，这些损伤可能进一步加剧混凝土结构的碳化、氯盐侵害、冻融破坏等损伤，从而大大降低混凝土桥梁墩身的耐久性。因此，研究混凝土桥梁墩身的冲蚀磨损规律及冲蚀磨损防护材料，对于强风沙流地区混凝土桥梁在役期质量的保障具有明显的现实意义。实验采用气流挟沙喷射法进行混凝土及其防护材料的冲蚀磨损实验，该方法可以比较真实地模拟实际戈壁风沙环境特征，相比风洞试验，设备投资小，实验成本低，而且实验参数容易控制，设备操作简单，因而是一种比较理想的模拟试验方法。主要研究各种参数，如冲蚀速度、冲蚀时间、冲蚀角度和供沙速率等参数对试样冲蚀磨损的影响，比较了混凝土与玻璃纤维环氧树脂复合材料的冲蚀磨损规律，并探讨了两种材料的冲蚀磨损机理。最后使用ANSYS-Dynamic软件对水泥石和环氧树脂试样的单颗粒冲蚀过程进行了简单的模拟，证明材料在碰撞过程中出现的无规则振动加速了材料的冲蚀破坏。本文的实验研究结果如下：（1）抗压强度对混凝土、砂浆、水泥石三种材料的冲蚀率有一定的影响，但并非决定性因素，材料的冲蚀率与材料的结构有紧密的关系。（2）混凝土、砂浆和水泥石冲蚀率随冲蚀速度的变化规律均是呈现线性或者近似线性的关系，其中砂浆试样的斜率最大，冲蚀磨损破坏最为严重，水泥石试样的斜率最小，冲蚀磨损破坏最轻，混凝土试样的居中。（3）混凝土、砂浆和水泥石的冲蚀率在90°冲蚀时冲蚀率最大，在低角度冲蚀时冲蚀率最小，与典型脆性材料的冲蚀规律相一致。（4）下沙率对混凝土和水泥石冲蚀率的影响表现为随着下沙率的增加，，冲蚀率有所降低，而对砂浆来说，下沙率增加，冲蚀率变化为先降低后上升。混凝土和水泥石试样的冲蚀率随冲蚀时间的增加先降低而后趋于稳定，达到稳态冲蚀，而砂浆试样从冲蚀一开始就达到稳态冲蚀。（5）随着混凝土材料中粉煤灰掺和量的增加，混凝土试样的冲蚀率先降低后升高。但随着养护时间的延长，混凝土的冲蚀率逐渐降低。（6）环氧树脂、玻璃纤维增强环氧树脂和碳纤维增强环氧树脂材料的冲蚀率随冲蚀速度的增加而增加，近似成线性关系。（7）环氧树脂及其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°之间。其中玻璃纤维增强环氧树脂的最大冲蚀率出现在60°，比碳纤维增强环氧树脂复合材料的脆性倾向大。（8）在相同的冲蚀条件下，环氧树脂及其复合材料的冲蚀率是混凝土和水泥石材料的1/5~1/20，因而，环氧树脂及其复合材料是强风沙流环境下混凝土桥梁墩身冲蚀磨损防护的理想材料。（9）利用ANSYS软件模拟水泥石和环氧树脂单颗粒冲蚀过程，碰撞过程的应力变化表现为无规则的振动：冲击速度增加，最大应力增加；冲蚀角度降低，最大应力降低，应力衰减时间延长。水泥石应力变化曲线的无规则振动的幅度和频率都要大于环氧树脂。
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU528

【参考文献】