Experimental study on abrasion resistance of polished concrete in the water environment

К содержанию выпуска

PDF статьи

DOI 10.25628/UNIIP.2025.65.2.013

Razzaq Alaa Wahhab Razzaq
Ural Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin (UrFU), Yekaterinburg, Russian Federation

Alekhin Vladimir N.
Ural Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin (UrFU), Yekaterinburg, Russian Federation

Experimental study on abrasion resistance of polished concrete in the water environment

Для цитирования
Razzaq A. W. R., Alekhin V. N. Experimental study on abrasion resistance of polished concrete in the water environment // Академический вестник УралНИИпроект РААСН. 2025. − № 2 (65). − P. 87−94. DOI 10.25628/UNIIP.2025.65.2.013

Статья поступила в редакцию 03.03.2025.
Опубликована 30.06.2025.

Annotation. With the aim of enhancing the overall durability and performance of concrete structures that are subject to water-related abrasion, this article explores the effects of hydraulic abrasion on polished and non-polished concrete surface using ASTM C1138 test. The results showed that the concrete surface improvement by polished surface with cement powder resulted in a 34 % increase in the abrasion resistance of the concrete surface compared to the untreated concrete surface, concrete strength and surface treatment lead to improved abrasion resistance of concrete surfaces in abrasive hydraulic conditions.

Keywords: abrasion resistance, concrete, ASTM C1138, surface polishing, hydraulic structures.

Раззак А. В. Р., Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б. Н. Ельцина (УрФУ), Екатеринбург, Российская Федерация

Алехин В. Н., Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б. Н. Ельцина (УрФУ), Екатеринбург, Российская Федерация

Экспериментальное исследование эрозионной стойкости полированного бетона в водной среде

Аннотация. С целью повышения общей долговечности и эксплуатационных характеристик бетонных конструкций, подверженных эрозии под воздействием воды, в статье исследуется влияние гидравлического эрозия на полированную и неполированную бетонную поверхность с использованием теста ASTM C1138. Результаты показали, что улучшение качества бетонной поверхности за счет полировки поверхности цементным порошком привело к повышению эрозионной стойкости бетонной поверхности на 34 % по сравнению с необработанной бетонной поверхностью, прочность бетона и обработка поверхности повышают эрозионную стойкость бетонных поверхностей в абразивных гидравлических условиях.

Ключевые слова: эрозионная стойкость, бетон, ASTM C1138, полировка поверхностей, гидротехнические сооружения.

References

  1. Bezrukov E. A. Kavitaciya kak prichina razrusheniya betonnyh gidrotekhnicheskih sooruzhenij // Forum molodyh uchenyh. — 2020. — T. 48. — № 8. — S. 25–31: [sajt] — URL: https://www.forum-nauka.ru/_files/ugd/b06fdc_a8211071a7e74a4a833c8398d7a778a6.pdf?index=true (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  2. Lam T. V., Bulgakov B. I., Aleksandrova O. V. Issledovanie stojkosti melkozernistyh betonov k poverhnostnoj erozii v vodnoj srede // Vestn. MGSU. — 2017. — T. 12. — № 1. — S. 41–45: [sajt] — URL: https://vufind.lib.tsu.ru/Record/tsuab.23512/Details (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  3. Rodionov V. P., Ukolov A. I. Zakonomernosti kavitacionnoj erozii konstrukcionnyh materialov // Vestn. Dagestan. gos. tekhn. un-ta. Tekhnicheskie nauki. — 2017. — T. 44. — № 3. — S. 39–47: [sajt] — URL: https://vestnik.dgtu.ru/jour/article/view/428 (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  4. Taranov D. K., Fedyuk R. S. Metody zashchity ot kavitacionnoj erozii // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel‘skij zhurnal. — 2021. — T. 111. — № 9–1. — S. 54–59: [sajt] — URL: https://search.rads-doi.org/project/7542/object/105222 (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  5. Abdulhassan N. A., Hilo A. N., Abid S. R. et al. Underwater surface abrasion of conventional and geopolymer concrete using the ASTM C1138 approach // J. of Materials Research and Technology. — 2023. — Vol. 25. — P. 2556–2569: [sajt] — URL: https://www.researchgate.net/publication/371659464_Underwater_Surface_Abrasion_of_Conventional_and_Geopolymer_Concrete_Using_the_ASTM_C1138_Approach (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  6. Abid S. R., Ali S. H., Murali G., Al-Gasham T. S. A simple suggested approach to reduce the testing time of concrete surface abrasion using ASTM C1138 // Case Studies in Construction Materials. — 2021. — Vol. 15. — 14 p.: [sajt] — URL: https://www.researchgate.net/publication/354350893_A_simple_suggested_approach_to_reduce_the_testing_time_of_concrete_surface_abrasion_using_ASTM_C1138 (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  7. ASTM. Standard test method for abrasion resistance of concrete (underwater method) // ASTM C1138–1997 Standard Test Method for Abrasion Resistance of Concrete (Underwater Method). — 2 p.: [sajt] — URL: https://cdn.standards.iteh.ai/samples/2366/0f6909620a124cacb2a976b86f5818fb/ASTM C1138-97.pdf (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  8. Ayoob N. S., Abid S. R. Analysis of abrasion rates in concrete surfaces of hydraulic structures // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Vol. 888, 2nd International Conference on Civil and Environmental Engineering Technologies (ICCEET 2020), 10–11 June 2020, University of Kufa, Najaf, Iraq. — 10 p.: [sajt] — URL: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/888/1/012052 (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  9. Ayoob N. S., Abid S. R., Hilo A. N., Daek Y. H. Water-impact abrasion of self-compacting concrete // Magazine of Civil Engineering. — 2020. — Vol. 96. — No. 4. — P. 60–69. — DOI: 10.18720/MCE.96.5.
  10. Bayazıt Y., Karakurt C., Bakış R. Abrasion of Concrete on Hydraulic Structures with Underwater Method // International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology. — 2018. — Vol. 7. — No. 3. — P. 2469–2474: [sajt] — URL: https://doi.org/10.15680/IJIRSET.2018.0703080 (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  11. Branco R. L., Fais L. M. C. F., Matim A. L. S. S. et al. The Importance of Erosion Concrete Tests for Hydraulic Surfaces // 7th IAHR International Symposium on Hydraulic Structures, Aachen, Germany, 15–18 May 2018. — 11 p. — DOI: 10.15142/T3VW7Q.
  12. Chindaprasirt P., Ridtirud C. Abrasion and sulfuric acid resistance of floor concrete polishing // Materials Today: Proceedings. — 2023. — 20 April: [sajt] — URL: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2023.04.123 (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  13. Dixon D. E., Prestrera J. R., Burg G. R. et al. Standard practice for selecting proportions for normal heavyweight, and mass concrete (ACI 211.1–91) // Reported by ACI Committee 211. — 1991. — Reapproved 1997. — 38 p.: [sajt] — URL: https://kashanu.ac.ir/Files/aci%20211_1_91.pdf (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  14. Galvão J. C. A., Portella K. F., Kormann A. C. M. Abrasive effects observed in concrete hydraulic surfaces of dams and application of repair materials // Abrasion Resistance of Materials. — 2012. — P. 19–34: [sajt] — URL: https://www.intechopen.com/chapters/31698 (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  15. Hamedi M. H., Hilo A. N., Al-Ghasham T. S. et al. The evaluation of the abrasion damage in hydraulic structures using the modified test method // In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. — 2021. — Vol. 1058. — No. 1. — DOI: 10.1088/1757-899X/1058/1/012059.
  16. Horszczaruk E., Brzozowski P. Abrasion resistance and mechanical strength of underwater repair concrete curing under hydrostatic pressure // Construction and Building Materials. — 29 August. — 2023. — Vol. 394: [sajt] — URL: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.132256 (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  17. Klun M., Šušteršič J., Ercegovič R. et al. Underwater Abrasion Resistance of Fibre Reinforced-Latex Modified Concrete with Granulated Rubber // Concrete-Polymer Composites in Circular Economy. Proceedings of the 17th International Congress on Polymers in Concrete (ICPIC 2023). — 2024. — Vol. 61. — P. 485–494: [sajt] — URL: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978‑3‑031‑72955‑3_49 (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  18. Liang S., Duan L., Geng B. et al. Numerical investigation on erosion characteristics of elevated pile cap in high concentration sediment flow environment // Wear. — 2025. — Vol. 562. — Article 205646: [sajt] — URL: https://doi.org /10.1016/j.wear.2024.205646 (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  19. Liu Q., Andersen L. V., Zhang M., Wu M. Abrasion damage of concrete for hydraulic structures and mitigation measures: A comprehensive review // Construction and Building Materials. — 2024. — Vol. 422. — Article 135754: [sajt] — URL: https://doi.org/10.1016 /j.conbuildmat.2024.135754 (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  20. Liu Y. W., Lin Y. Y., Cho S. W. Abrasion behavior of steel-fiber-reinforced concrete in hydraulic structures // Applied Sciences. — 2020. — Vol. 10. — No. 16. — 13 p.: [sajt] — URL: https://doi.org/10.3390/app10165562 (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  21. Materials (ASFTA). ASTM C39 / C39M-12 Standard Test Method for Compressive Strength of Cylindrical Concrete Specimens // West Conshohocken, PA, USA: ASTM. — 2012. — 3 p.: [sajt] — URL: https://cdn.standards.iteh.ai/samples/79920/3d22dcb8b928471da6b5ddb91b0cd208/ASTM–C39‑C39M-12.pdf (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  22. Melesse G., Kaske Kassa H., Geta M. et al. Study on the Abrasion Resistance of Hydraulic Structures with Different Repair Mortars // J. of Engineering. — May. — 2023. — Vol. 1. — 10 p.: [sajt] — URL: https://doi.org/10.1155/2023/3077902 (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  23. Messa G. V., Branco R. D. L., Dalfré Filho J. G., Malavasi S. A combined CFD-experimental method for abrasive erosion testing of concrete // J. of hydrology and hydromechanics. — 2018. — Vol. 66. — No. 1. — P. 121–128. — DOI: 10.1515/johh-2017–0042.
  24. Omoding N. Mechanical degradation of concrete under sediment-laden hydrodynamic flows // Doctoral dissertation, University of Manchester. — Dec. — 2022. — 138 p.: [sajt] — URL: https://pure.manchester.ac.uk/ws/portalfiles/portal/270979435/FULL_TEXT.PDF (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  25. Ristić N., Grdić Z., Topličić-Ćurčić G. et al. Mechanisms of hydro-abrasive damage and methods of examination of hydro-abrasive resistance of concrete in hydraulic structures // Međunarodna naučno — stručna konferencija SFERA 2017 TEHNOLOGIJE BETONA Zbornik radova III Međunarodna naučno-stručna konferencija SFERA 2017 Tehnologije betona / Mostar, 23. mart 2017. — P. 106–111: [sajt] — URL: https://www.academia.edu/67976464/Mechanisms_of_Hydro_Abrasive_Damage_and_Methods_of_Examination_of_Hydro_Abrasive_Resistance_of_Concrete_in_Hydraulic_Structures (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  26. Tuan N. A., Nga N. T. T., Khai L. T. Q. et al. Combination of additives to characteristics of concrete in marine works // Magazine of Civil Engineering. — 2022. — № 112 (4). — Article No. 11204. — 11 p. — DOI: 10.34910/MCE.112.4.
  27. Zhu X., Bai Y., Chen X. et al. Evaluation and prediction on abrasion resistance of hydraulic concrete after exposure to different freeze-thaw cycles // Construction and Building Materials. — 2022. — Vol. 316. — Article No. 126055: [sajt] — URL: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.126055 (data obrashcheniya: 25.03.2025).

Список использованной литературы

  1. Безруков Е. А. Кавитация как причина разрушения бетонных гидротехнических сооружений // Форум молодых ученых. — 2020. — Т. 48. — № 8. — С. 25–31: [сайт] — URL: https://www.forum-nauka.ru/_files/ugd/b06fdc_a8211071a7e74a4a833c8398d7a778a6.pdf?index=true (дата обращения: 25.03.2025).
  2. Лам Т. В., Булгаков Б. И., Александрова О. В. Исследование стойкости мелкозернистых бетонов к поверхностной эрозии в водной среде // Вестн. МГСУ. — 2017. — Т. 12. — № 1. — С. 41–45: [сайт] — URL: https://vufind.lib.tsu.ru/Record/tsuab.23512/Details (дата обращения: 25.03.2025).
  3. Родионов В. П., Уколов А. И. Закономерности кавитационной эрозии конструкционных материалов // Вестн. Дагестан. гос. техн. ун-та. Технические науки. — 2017. — Т. 44. — № 3. — С. 39–47: [сайт] — URL: https://vestnik.dgtu.ru/jour/article/view/428 (дата обращения: 25.03.2025).
  4. Таранов Д. К., Федюк Р. С. Методы защиты от кавитационной эрозии // Международный научно-исследовательский журнал. — 2021. — Т. 111. — № 9–1. — С. 54–59: [сайт] — URL: https://search.rads-doi.org/project/7542/object/105222 (дата обращения: 25.03.2025).
  5. Abdulhassan N. A., Hilo A. N., Abid S. R. et al. Underwater surface abrasion of conventional and geopolymer concrete using the ASTM C1138 approach // J. of Materials Research and Technology. — 2023. — Vol. 25. — P. 2556–2569: [sajt] — URL: https://www.researchgate.net/publication/371659464_Underwater_Surface_Abrasion_of_Conventional_and_Geopolymer_Concrete_Using_the_ASTM_C1138_Approach (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  6. Abid S. R., Ali S. H., Murali G., Al-Gasham T. S. A simple suggested approach to reduce the testing time of concrete surface abrasion using ASTM C1138 // Case Studies in Construction Materials. — 2021. — Vol. 15. — 14 p.: [sajt] — URL: https://www.researchgate.net/publication/354350893_A_simple_suggested_approach_to_reduce_the_testing_time_of_concrete_surface_abrasion_using_ASTM_C1138 (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  7. ASTM. Standard test method for abrasion resistance of concrete (underwater method) // ASTM C1138–1997 Standard Test Method for Abrasion Resistance of Concrete (Underwater Method). — 2 p.: [sajt] — URL: https://cdn.standards.iteh.ai/samples/2366/0f6909620a124cacb2a976b86f5818fb/ASTM C1138-97.pdf (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  8. Ayoob N. S., Abid S. R. Analysis of abrasion rates in concrete surfaces of hydraulic structures // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Vol. 888, 2nd International Conference on Civil and Environmental Engineering Technologies (ICCEET 2020), 10–11 June 2020, University of Kufa, Najaf, Iraq. — 10 p.: [sajt] — URL: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/888/1/012052 (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  9. Ayoob N. S., Abid S. R., Hilo A. N., Daek Y. H. Water-impact abrasion of self-compacting concrete // Magazine of Civil Engineering. — 2020. — Vol. 96. — No. 4. — P. 60–69. — DOI: 10.18720/MCE.96.5.
  10. Bayazıt Y., Karakurt C., Bakış R. Abrasion of Concrete on Hydraulic Structures with Underwater Method // International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology. — 2018. — Vol. 7. — No. 3. — P. 2469–2474: [sajt] — URL: https://doi.org/10.15680/IJIRSET.2018.0703080 (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  11. Branco R. L., Fais L. M. C. F., Matim A. L. S. S. et al. The Importance of Erosion Concrete Tests for Hydraulic Surfaces // 7th IAHR International Symposium on Hydraulic Structures, Aachen, Germany, 15–18 May 2018. — 11 p. — DOI: 10.15142/T3VW7Q.
  12. Chindaprasirt P., Ridtirud C. Abrasion and sulfuric acid resistance of floor concrete polishing // Materials Today: Proceedings. — 2023. — 20 April: [sajt] — URL: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2023.04.123 (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  13. Dixon D. E., Prestrera J. R., Burg G. R. et al. Standard practice for selecting proportions for normal heavyweight, and mass concrete (ACI 211.1–91) // Reported by ACI Committee 211. — 1991. — Reapproved 1997. — 38 p.: [sajt] — URL: https://kashanu.ac.ir/Files/aci%20211_1_91.pdf (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  14. Galvão J. C. A., Portella K. F., Kormann A. C. M. Abrasive effects observed in concrete hydraulic surfaces of dams and application of repair materials // Abrasion Resistance of Materials. — 2012. — P. 19–34: [sajt] — URL: https://www.intechopen.com/chapters/31698 (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  15. Hamedi M. H., Hilo A. N., Al-Ghasham T. S. et al. The evaluation of the abrasion damage in hydraulic structures using the modified test method // In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. — 2021. — Vol. 1058. — No. 1. — DOI: 10.1088/1757-899X/1058/1/012059.
  16. Horszczaruk E., Brzozowski P. Abrasion resistance and mechanical strength of underwater repair concrete curing under hydrostatic pressure // Construction and Building Materials. — 29 August. — 2023. — Vol. 394: [sajt] — URL: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.132256 (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  17. Klun M., Šušteršič J., Ercegovič R. et al. Underwater Abrasion Resistance of Fibre Reinforced-Latex Modified Concrete with Granulated Rubber // Concrete-Polymer Composites in Circular Economy. Proceedings of the 17th International Congress on Polymers in Concrete (ICPIC 2023). — 2024. — Vol. 61. — P. 485–494: [sajt] — URL: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978‑3‑031‑72955‑3_49 (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  18. Liang S., Duan L., Geng B. et al. Numerical investigation on erosion characteristics of elevated pile cap in high concentration sediment flow environment // Wear. — 2025. — Vol. 562. — Article 205646: [sajt] — URL: https://doi.org /10.1016/j.wear.2024.205646 (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  19. Liu Q., Andersen L. V., Zhang M., Wu M. Abrasion damage of concrete for hydraulic structures and mitigation measures: A comprehensive review // Construction and Building Materials. — 2024. — Vol. 422. — Article 135754: [sajt] — URL: https://doi.org/10.1016 /j.conbuildmat.2024.135754 (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  20. Liu Y. W., Lin Y. Y., Cho S. W. Abrasion behavior of steel-fiber-reinforced concrete in hydraulic structures // Applied Sciences. — 2020. — Vol. 10. — No. 16. — 13 p.: [sajt] — URL: https://doi.org/10.3390/app10165562 (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  21. Materials (ASFTA). ASTM C39 / C39M-12 Standard Test Method for Compressive Strength of Cylindrical Concrete Specimens // West Conshohocken, PA, USA: ASTM. — 2012. — 3 p.: [sajt] — URL: https://cdn.standards.iteh.ai/samples/79920/3d22dcb8b928471da6b5ddb91b0cd208/ASTM–C39‑C39M-12.pdf (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  22. Melesse G., Kaske Kassa H., Geta M. et al. Study on the Abrasion Resistance of Hydraulic Structures with Different Repair Mortars // J. of Engineering. — May. — 2023. — Vol. 1. — 10 p.: [sajt] — URL: https://doi.org/10.1155/2023/3077902 (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  23. Messa G. V., Branco R. D. L., Dalfré Filho J. G., Malavasi S. A combined CFD-experimental method for abrasive erosion testing of concrete // J. of hydrology and hydromechanics. — 2018. — Vol. 66. — No. 1. — P. 121–128. — DOI: 10.1515/johh-2017–0042.
  24. Omoding N. Mechanical degradation of concrete under sediment-laden hydrodynamic flows // Doctoral dissertation, University of Manchester. — Dec. — 2022. — 138 p.: [sajt] — URL: https://pure.manchester.ac.uk/ws/portalfiles/portal/270979435/FULL_TEXT.PDF (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  25. Ristić N., Grdić Z., Topličić-Ćurčić G. et al. Mechanisms of hydro-abrasive damage and methods of examination of hydro-abrasive resistance of concrete in hydraulic structures // Međunarodna naučno — stručna konferencija SFERA 2017 TEHNOLOGIJE BETONA Zbornik radova III Međunarodna naučno-stručna konferencija SFERA 2017 Tehnologije betona / Mostar, 23. mart 2017. — P. 106–111: [sajt] — URL: https://www.academia.edu/67976464/Mechanisms_of_Hydro_Abrasive_Damage_and_Methods_of_Examination_of_Hydro_Abrasive_Resistance_of_Concrete_in_Hydraulic_Structures (data obrashcheniya: 25.03.2025).
  26. Tuan N. A., Nga N. T. T., Khai L. T. Q. et al. Combination of additives to characteristics of concrete in marine works // Magazine of Civil Engineering. — 2022. — № 112 (4). — Article No. 11204. — 11 p. — DOI: 10.34910/MCE.112.4.
  27. Zhu X., Bai Y., Chen X. et al. Evaluation and prediction on abrasion resistance of hydraulic concrete after exposure to different freeze-thaw cycles // Construction and Building Materials. — 2022. — Vol. 316. — Article No. 126055: [sajt] — URL: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.126055 (data obrashcheniya: 25.03.2025).