随着科学技术的高速发展，犯罪分子的作案手段也日益猖獗，银行地下金库安全防护设施尽管越来越牢固，但其防御能力相对较弱的墙壁却成为犯罪分子进入金库的通道，如2010年劫匪就利用电钻等作案工具打通巴黎一堵32英寸厚的银行地下金库墙壁。可见，提高类似地下金库这种有特殊防盗要求的建筑物用混凝土的耐钻磨性显得尤为重要。此外，国际尖端武器钻地弹对国防防御设施的侵彻破坏（侵彻体依靠本身的动能侵入或贯穿目标的破坏）等[1,2]，对建筑物用混凝土除提出韧性、抗压强度和抗冲击要求外，也提出耐钻磨性要求。综合上述，混凝土耐钻磨性研究很有必要。考虑到粗骨料的使用会影响到混凝土的均质性，本研究借鉴RPC材料设计思想[3]，采用广义的混凝土-高强度砂浆。现有混凝土耐磨性测定方法多是针对混凝土的表面磨损制定，由于混凝土表面的富浆层，其表面性能与内部有所差异，且钻磨又是磨损物集中于局部区域高速钻入或钻透被磨损物，同时钻磨过程伴随被磨损物温度骤升等现象。为了更接近混凝土钻磨破坏实际情况，本文采用作者提出的一种利用普通钻床在一定荷载、转速、时间下对混凝土钻磨的快速简便的耐钻磨试验方法[4]，通过对混凝土耐钻磨性与抗压强度、组分硬度及其体积率相互关系的研究，提出了影响耐钻磨性的主要参数，并根据参数建立了耐钻磨性数学模型，希望根据模型来推断混凝土的耐钻磨性，为制备高耐钻磨混凝土的材料设计提供有效的数据依据。
1实验
1.1原材料
水泥（C）采用密度3.15g/cm3，比表面积448m2/kg的P•O52.5R型普通硅酸盐水泥。高强掺合料（HSA）采用以硅灰为主，密度2.23g/cm3，比表面积13050m2/kg的复配掺合料。硅砂（SS）采用主要矿物成分SiO2，密度2.65g/cm3，粒径分布范围40-300目的乳白色石英砂。骨料（A）采用粒径均为1-3mm的石灰石砂，玄武岩砂，石英砂，高铝矾土砂，棕刚玉砂和常用的石英质河砂。减水剂（PCA）采用固含量24%的液态聚羧酸高性能减水剂。
1.2实验方法
1.2.1混凝土试件制备方法（1）耐钻磨性和抗压强度测试用试件按照表1基本配合比称量原材料，将固体材料混合均匀后倒入砂浆搅拌机，混合45s后，加入混合均匀的液体材料搅拌6min。立即测定非振动下的扩展度，扩展度满足(260±20)mm时装入40mm×40mm×160mm试模，振动成型试件两组，自加水搅拌计时(24±2)h脱模，后浸入(20±2)℃水中养护至28d后，取出擦干备用。（2）水泥石显微硬度测试用试件参照上述成型方法，进行不同水胶比、高强掺合料掺量下水泥石（包括硅砂）的成型，扩展度满足(230±10)mm时装入30mm×30mm×30mm试模，水中养护至28d取出擦干备用。（3）骨料显微硬度测试用试件取粒径3-5mm的不同硬度骨料各三粒放入Φ20mm×10mm试模底部，用一定比例环氧树脂和固化剂浇筑成型，硬化(24±2)h后脱模，有骨料显露的一面进行研磨、抛光，直至骨料断面露出且断面光滑平整，作为骨料显微硬度测试用试件。1.2.2抗压强度试验方法混凝土试件抗压强度参照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》进行测定。1.2.3混凝土耐钻磨性试验方法[4]在固定压力(15±1)kg，转速(400±10)r/min，钻磨时间2min时，参照GB/T10947-2006《硬质合金锥柄麻花钻》选取Φ7.5mm硬质合金麻花钻头在固定好的40mm×40mm×160mm混凝土侧面中心向下钻磨，每根新钻头只使用一次，每组试件3块。钻磨深度h由游标卡尺测量，卡尺垂直插入试件孔洞中央凹陷处，读数并记录。混凝土耐钻磨性由钻磨硬度（HC）来评估，钻磨硬度用钻磨深度的倒数（h-1）来表征，钻磨深度越浅，钻磨硬度越大，即耐钻磨性越好。1.2.4水泥石与骨料显微硬度试验方法采用上海某公司的显微硬度计进行水泥石与骨料的显微硬度测试，其测定原理：用金刚石正四棱锥作压头，在一定载荷下把压头压入试件表面并保持一定时间后卸去载荷，在试样表面压出一个底面为正方形的正四棱锥压痕，测量其两条对角线的长度取平均值d，然后按照计算公式（1）计算出显微硬度值HV。（1）其中，F为试验力(KN)，d为两对角线d1和d2的算术平均值(mm)，HV为显微硬度(GPa)。
2试验结果与讨论
2.1水泥石硬度对混凝土耐钻磨性（钻磨硬度）和抗压强度的影响
表2为不同水胶比（W/B）、高强掺合料-胶材比（HSA/B）对应的水泥石硬度（Nm）、混凝土钻磨硬度（Hc）和抗压强度（Rc）的试验结果。图1为水泥石硬度变化时混凝土的抗压强度与钻磨硬度、图2为水泥石硬度与钻磨硬度的关系。由表2、图1和图2看出，在骨料硬度和体积率不变时，混凝土钻磨硬度与抗压强度呈一定的线性关系，但相关系数仅为0.86，而混凝土钻磨硬度与水胶比和高强掺合料掺量变化而引起的不同水泥石的硬度则呈现更好的线性关系，相关系数为0.96。这是因为混凝土钻磨硬度与抗压强度形成机理不同，混凝土的抗压强度大小除了取决于水泥石强度外，还会受到结构缺陷（如裂缝等）的影响，而这些结构缺陷对混凝土钻磨硬度的影响显然小于抗压强度。
2.2骨料硬度对混凝土耐钻磨性（钻磨硬度）和抗压强度的影响
表3为水泥石硬度（Nm）、骨料体积率（Va）不变时，不同骨料硬度（Na）对应的混凝土钻磨硬度（Hc）和抗压强度（Rc）的试验结果。图3为骨料硬度变化时混凝土的抗压强度与钻磨硬度、图4为骨料硬度与钻磨硬度的关系。由表3、图3和图4可以看出，在水泥石硬度和骨料体积率不变时，即使骨料硬度逐渐增加，混凝土的抗压强度也没有明显变化（表3、图3），而钻磨硬度却变化很大（表3、图4），混凝土钻磨硬度与骨料硬度有良好的线性关系，而与抗压强度的关系很不明显。这是因为混凝土的破坏是从相对弱的组分开始，当骨料强度小于水泥石强度时，破坏从骨料开始，因此提高骨料强度（一般情况下骨料硬度越大，强度也越大）将有利于提高混凝土强度，而当骨料强度大于水泥石强度时，由于破坏从水泥石开始，因此提高骨料的强度对混凝土的强度影响就不大。从表3可知，用于本次试验的骨料显微硬度为2.44-10.85GPa范围，均大于水泥石的显微硬度2.34GPa，因此改变骨料强度对混凝土强度影响不大。但硬度则不同，在骨料与水泥石的整体性得到保证的前提下，骨料的硬度越高抵抗钻磨的阻力也越大，因此提高骨料硬度对改善混凝土整体硬度的贡献也越大。这一点从图4的混凝土钻磨硬度与骨料硬度呈良好的线性关系即可证明。
2.3骨料体积率对混凝土耐钻磨性（钻磨硬度）和抗压强度的影响
表4为水泥石硬度（Nm）、骨料硬度（Na）不变时，不同骨料体积率（Va）对应的混凝土钻磨硬度（Hc）和抗压强度（Rc）的试验结果。图5为骨料体积率变化时混凝土的抗压强度与钻磨硬度、图6为骨料体积率与钻磨硬度的关系。由表4、图5和图6看出，在水泥石和骨料的硬度不变时，随着显微硬度远远大于水泥石的骨料体积率的增加，混凝土钻磨硬度呈线性增加趋势（图6），而抗压强度呈先增加后降低趋势（表4），造成钻磨硬度与抗压强度之间呈非线性关系（图5）。这是由于当骨料强度大于水泥石强度时，混凝土破坏从水泥石开始，提高骨料体积率，高强度组分的比例增大和骨料之间的机械咬合作用增大，利于强度的增长；随着骨料体积率增大到一定值后，骨料与水泥石界面增加，抑制强度增长。而骨料与水泥石硬度不变且整体性得到保证的前提下，较硬组分骨料体积率越大，抗钻磨能力越大，因此提高骨料体积率对改善混凝土整体硬度的贡献也越大，这结合图6中混凝土钻磨硬度与骨料体积率呈较好线性关系得以佐证。综合上述，在骨料硬度大于水泥石硬度前提下，其他条件不变、水泥石硬度变化时，混凝土钻磨硬度与抗压强度呈线性关系；在骨料硬度变化时，两者不存在关系；而骨料体积率变化时，两者呈非线性关系。可见，混凝土钻磨硬度不能简单的由抗压强度表示。但试验结果表明，混凝土钻磨硬度与水泥石和骨料的硬度以及骨料体积率有着良好的线性关系。
3混凝土耐钻磨性（钻磨硬度）模型
3.1钻磨硬度模型的建立
利用两相复合材料理论，混凝土可看做由水泥石和骨料两相构成的复合材料。结合上述耐钻磨性的研究，认为两相复合材料的混凝土钻磨硬度与构成相水泥石和骨料的硬度及体积率有关，其中钻磨硬度代表着复合材料的综合性能，体现了各组分的硬度和界面的粘结性能。由于在混凝土中骨料与水泥石是随机分布的，故在钻磨过程中，两者主要可以分为串联、并联或者串并联结合分布三种情况，如图7所示。当两组分完全串联（图7a）时，混凝土硬度与两组分的硬度和钻磨厚度成正比，则混凝土的硬度模型可以用公式2表示。
3.2模型参数的计算与验证
在相应水泥石和骨料硬度测定的基础上，对表2-表4中22种编号混凝土参数根据混凝土硬度数学模型（公式5）中基准硬度Nc0的公式进行计算得出Nc0值，结果如表5所示。
4结论
（1）混凝土的耐钻磨性不能简单的由抗压强度来表示。在骨料硬度大于水泥石硬度情况下，改变水泥石硬度（强度）时抗压强度与耐钻磨性有较好的线性关系；改变骨料硬度时抗压强度与耐钻磨性没有相关性；改变骨料体积率时抗压强度与耐钻磨性呈非线性关系。（2）混凝土的耐钻磨性和水泥石、骨料的硬度及其体积率有良好的线性关系，影响混凝土耐钻磨性的主要参数为各组分硬度和体积率。（3）基于两相复合材料理论建立了混凝土耐钻磨性的数学模型，模型预测硬度与混凝土实测硬度的偏差大都在20%以内。由此可根据混凝土中水泥石工业经济论文、骨料的硬度及其体积率来推算混凝土的耐钻磨性，也为制备高耐钻磨混凝土的材料设计提供有效的数据依据。
作者：孙蓓 林志翔 桂志伟 单位：中国建筑材料科学研究总院 绿色建筑材料国家重点实验室
