高速挟沙水流作用下,水工建筑物过流部位混凝土的冲磨破坏一直是工程中所面临的一个严重问题。矿物掺合料（如硅粉、矿粉和粉煤灰）对混凝土抗冲磨性能有一定的改善作用,但还需寻求改性效果更优的矿物掺合料。混凝土是由浆体、骨料、浆体-骨料界面组成的多组分复合材料,而在进行不同骨料对混凝土抗冲磨性能的影响以及不同矿物掺合料对混凝土抗冲磨性能的影响的研究时,多停留在混凝土层次,并没有深入分析浆体以及骨料自身的耐磨性能及其与微观组成和结构的关系,使得对混凝土抗冲磨性能影响机制的认识还不够深入和透彻。抗冲磨混凝土在投入使用之前,首先需要经过室内试验的检测,而评价指标的合理性则关系到试验结果的可靠性,而目前用于模拟悬移质冲磨破坏的风砂枪冲磨试验方法中却存在抗冲磨强度评价指标不合理的情况。本文研究了微纳矿物掺合料对混凝土抗冲磨性能的影响与作用机理;基于“砂轮原理”,研究了不同类型矿物掺合料对浆体耐磨性能的影响,并建立浆体耐磨性能与浆体组成和结构的相关关系;研究了不同骨料的耐磨性能,并揭示了影响骨料耐磨性能的组成和结构因素;研究了冲磨试验条件下混凝土的抗冲磨强度评价指标,并提出了合理可靠的抗冲磨性能评价指标。从而为抗冲磨混凝土中矿物掺合料以及骨料的选择提供一定的理论和技术支撑,同时为混凝土抗冲磨性能评价提供了更加可靠的评价指标。主要研究结论如下:1.通过研究掺微纳矿物掺合料（纳米SiO₂、粉煤灰、超细矿粉）的混凝土抗冲磨性能,并通过冲磨破坏机理、浆体以及浆体-骨料界面处显微硬度以及微观形貌、浆体水化活性、水化产物的组成与含量、C-S-H的聚合度分析了上述微纳矿物掺合料对混凝土抗冲磨性能的作用机制。单掺纳米SiO₂（5%）、复掺纳米SiO₂（5%）和粉煤灰（25%）以及单掺超细矿粉（40%）均能提高混凝土抗冲磨强度,且单掺超细矿粉（40%）的增强效果最显著,提高幅度为19%;单掺纳米SiO₂（5%）、复掺纳米SiO₂（5%）和粉煤灰（25%）在提高混凝土抗冲磨强度方面效果相同,提高幅度均为17%,但因复掺体系的水化放热量更低,因此抗冲磨混凝土中复掺纳米SiO₂和粉煤灰优于单掺纳米SiO₂。微纳矿物掺合料的掺入消耗了浆体-骨料界面处的Ca（OH）₂,生成了更多C-S-H,并提高了浆体-骨料界面密实度,从而提高了浆体-骨料界面的显微硬度与粘结力;与此同时,因C-S-H和含铝水化产物相的含量增加以及C-S-H的聚合度增大,从而提高了浆体本体的显微硬度和粘结力。以上两个方面共同导致了混凝土抗冲磨强度的增大。2.通过研究掺不同矿物掺合料（硅粉、偏高岭土、矿粉、粉煤灰、钢渣粉、石灰石粉）水泥浆体的耐磨性能,并通过显微硬度、水化放热过程、水化产物相的组分、C-S-H聚合度以及浆体孔结构,分析了矿物掺合料对浆体耐磨性能的影响,并在此基础上揭示了影响浆体耐磨性能的组成和结构因素。随着掺量均为10%硅粉和偏高岭土的掺入,水泥浆体的耐磨强度分别提高了31%和11%。掺硅粉和偏高岭土后,水泥浆体耐磨强度提高的主要原因,一是硅粉和偏高岭土的掺入提高了水化产物中C-S-H的含量,从而提高了结构均匀性,并增强了浆体粘结力;二是浆体孔径细化,从而有利于浆体耐磨强度的提高。硅粉对浆体耐磨强度的提高幅度高于偏高岭土,原因可归结于硅粉更能促进水泥的水化,从而导致掺硅粉水泥浆体中水化产物的数量多于掺偏高岭土水泥浆体。矿粉的掺入降低了水泥浆体的耐磨强度,与此同时,矿粉掺量为40%的浆体耐磨强度高于矿粉掺量为30%和50%的浆体。掺矿粉水泥浆体耐磨强度下降的原因主要包括两个方面:一是硬度较低的矿粉取代了硬度较高的水泥.,二是含有孔隙的水化产物混合相的显微硬度下降了。浆体水化产物中Ca（OH）₂的含量随矿粉掺量的增加逐渐降低,这是导致含有孔隙的水化产物相显微硬度下降的一个重要原因。矿粉掺量为40%的浆体水化活性高于另外两组掺矿粉的浆体,且具有最小的孔隙率,这可能是其耐磨强度高于矿粉掺量为30%和50%的浆体的原因。在掺量都为40%时,S95级矿粉因活性低于S105级矿粉,导致浆体中水化产物的含量偏少,致使浆体耐磨强度偏低,因此在进行抗冲磨混凝土配合比设计时应尽可能选用活性较高的矿粉作为掺合料。用10%的粉煤灰取代掺50%矿粉水泥浆体中的等量矿粉后,因粉煤灰硬度远大于矿粉,使得在水化产物相显微硬度下降的情况下,浆体耐磨强度几乎不变。由于早期水化放热量下降了,因此在进行抗冲磨混凝土配合比设计时可考虑矿粉与粉煤灰复掺使用。用30%的钢渣粉取代等质量的水泥后,浆体耐磨强度下降幅度小于掺等量矿粉的水泥浆体,原因主要是水化产物中含有较多硬度较高的Ca（OH）₂以及粘结力较强的C-S-H。与此同时,钢渣粉的掺入使得浆体早期水化放热量下降更明显,因此在进行抗冲磨混凝土配合比设计时可考虑使用钢渣粉取代部分水泥。用20%的石灰石粉取代等质量的水泥后,浆体耐磨强度下降幅度较大,且耐磨强度几乎小于其它所有浆体。原因可归结于两个方面,一是由于石灰石粉的掺入使得参与水化的水泥数量降低,使得水化产物的含量下降,致使水化产物相的显微硬度下降;二是石灰石粉的硬度低于水泥及其它所有矿物掺合料。因此,在进行抗冲磨混凝土原材料选择时,不建议掺入石灰石粉。为提高浆体耐磨强度,在浆体组成和结构方面,应尽可能提高水化产物中C-S-H的含量以及Ca（OH）₂的含量,并提高浆体密实度;在原材料选择方面,应尽可能选择具有较高火山灰活性以及硬度的矿物掺合料。3.通过研究五种岩石骨料（花岗岩、玄武岩、大理岩、灰岩和白云岩）在微切削模式下的耐磨性能,并结合磨损机理、显微硬度、岩石骨料的矿物组成以及微结构分析了影响岩石骨料耐磨性能的组成结构因素。花岗岩的耐磨强度最高,约为耐磨强度最低的白云岩的13倍;玄武岩的耐磨强度次之,约为白云岩的5倍;大理岩、灰岩和白云岩的平均耐磨强度依次降低,但相差较小。不同岩石的维氏显微硬度的相对大小能在一定程度上反映各岩石耐磨强度的相对大小,且当岩石骨料中硬度较高的矿物组分含量较大时,则会具有较高的耐磨强度。岩石骨料的孔隙率以及晶粒尺寸和形貌也会在一定程度上影响其耐磨强度。4.选择两种不同配合比混凝土进行抗冲磨试验,采用风砂枪试验方法并配合图像分析技术,通过测定质量损失速率、体积损失速率、被磨损物料的密度、固定纵断面上冲坑轮廓随时间的变化规律以及各特征时间节点处混凝土的表观形貌,进行混凝土冲磨破坏稳定阶段判据的研究,并由此优选出可靠的混凝土抗冲磨强度评价指标。对于磨损性能接近的砂浆和骨料所制备的混凝土,随着冲磨时间的增加,质量损失速率始终保持稳定,体积损失速率逐渐下降但较快趋于稳定,被磨损物料的密度逐渐增大并最终与混凝土体积密度保持一致。对于砂浆磨损性能远小于骨料的混凝土而言,随着冲磨时间的增加,质量损失速率呈阶梯式下降的规律,质量损失速率在经历了砂浆磨损为主的“断崖式”阶段后才进入真正意义上的混凝土冲磨破坏稳定阶段,体积损失速率逐渐下降并缓慢趋于稳定,被磨损物料的密度逐渐增大并最终稳定于混凝土体积密度。混凝土冲磨破坏稳定阶段的表现有三个要素,包括稳定的质量损失速率、稳定的体积损失速率以及被磨损物料密度与混凝土体积密度相同。趋于稳定的体积损失速率是进行混凝土抗冲磨强度评价更加可靠的性能指标。