水工高性能抗冲耐磨混凝土试验研究.pdf

文 章编号 ：l 0 0 7 0 4 6 X ( 2 0 1 5 ) 0 卜0 0 3 8 0 5 生 态建材 水工高性能抗冲耐磨混凝土试验研究 E x p e r i me n t a l S t u d y o f Hi g h P e r f o r ma n c e Hy d r a u l i c Ab r a s i O n R e s i s t a n t C o n c r e t e 吐尔洪。 吐尔地 ( 新疆水利水电科学研究院，新疆乌鲁木齐8 3 0 0 4 9 ) 摘 要： 为了考察高性能抗冲耐磨混凝土在泄水建筑物高速水流挟带的泥沙和碎石作用下的抗推移质冲磨情况，对 DL T 5 1 5 O 一2 o 0 1 水工混凝土试验规程中的水下钢球抗冲磨试验方法( 水下钢球法) 的两个试验参数( 冲磨介 质钢球的形貌 ，钢球的级配及数量) 进行改进 ，建立了高速水下钢球抗冲磨试验新方法。对比了磨损速度和 抗冲磨强度及集料最大粒径等因素对新方法冲磨效果的影响。试验结果表明，与标准方法相比，改进后混凝 土抗冲磨试验方法，使混凝土磨损率提 高一倍、抗冲磨强度减少一半，磨损后试件表面严重磨损，平均磨损深 度 从 2 4 mm增加 到1 03 5 mm，磨损 效果显 著提 高； 同时提 出抗 冲耐磨混 凝土 最佳 最 大粒径D = 1 0 mi D - 。 关键 词 ： 抗 冲磨 混凝 土 ；水 下钢球 法 ；最 大粒径 ；砼 磨损 率 中图 分 类 号 ：T U5 2 8 3 6 文 献 标 志码 ：A 0 前 言 高速水流、高速挟沙石水流、高速含沙水流、超大 推移质水流对水工建筑物的冲刷、 冲击、 磨损和气蚀破坏， 是水工泄水建筑物最常见的病害之一。水工混凝土冲磨 破坏主要发生在承受高速水流的泄水建筑物表面，如溢 流坝、导流洞、闸底板、冲沙闸等。国内外大量工程实 例表明：冲磨破坏大量存在 ， 具体实例不胜枚举。水工混 凝土抗冲磨性能是影响混凝土耐久性的主要因素。据调 查 1 _ ：我国大型混凝土坝在运行过程中有近 7 0 的工程 存在冲刷磨损 和气蚀破坏问题。因此，怎样对遭受 冲刷 磨损和气蚀破坏的水工建筑物进行经济且有效的修补， 是水利水电事业中亟待解决的重要课题。 2 O 世纪7 0 年代， 国内外为提高水工建筑物的抗冲磨能力而进行的研究和 应用就已经非常广泛，2 0世纪 8 0 年代中期 以来，各类 抗冲耐磨混凝土在我国逐渐得到应用。我国许多水利科 研单位与材料生产厂家，先后开展了水工泄水建筑物抗 冲耐磨材料及工艺的研究和应用， 取得了一些效果。水 工泄水建筑物较为常用的抗冲耐磨材料主要有硅粉混凝 土、改性硅粉混凝土、纤维混凝土、粉煤灰混凝土等， 另外还有铸石板、条石、钢板、环氧树脂等。这些抗冲 耐磨混凝土材料虽然有较好的抗冲磨能力，但有的材料 性脆、抗冲击能力差，有的造价高，有的易于开裂， 有 的施工费时费力等，近年来高性能混凝土、绿色高性能 混凝土以及智能混凝土的提出和研究为抗冲耐磨混凝土 的研究指明了方向，不仅要求混凝土具有高的抗冲磨性， 良好的工作性和经济性，而且要求较好的耐久性。 新疆地处内陆干旱地区， 河流大都属于山溪性多沙 河流 ， 其特点是河床纵坡陡 ， 洪枯水流量变化大 ， 仅 6 8 月的水量就占全年总水量的 5 0 8 0 ；又因山区植被 少，河床两岸多为砾石阶地，洪水季节水流含沙量高， 在洪水季节河流都以急流状态挟带大量泥沙下泄。含沙 量大都在 2 25 8 k g m 之间。其中对引水枢纽危害量 大的推移质泥沙占年总输沙量的 1 5 一 2 0 ，推移质泥 沙粒径一般在 0 55 0 c m ， 大者可达 8 0 c m以上，其危 害 l3 更大。因此，对混凝土抗冲磨性能的试验研究，是 提高混凝土泄水建筑物耐久性、延长使用寿命的重要手 段。目前 ， 测试水工混凝土抗冲磨试验方法主要有两种： 一 种是针对悬移质冲磨的圆环法，另一种是针对推移质 冲磨的水下钢球法。 基金项目： 水利部公益性行业科研专项经费项目( 2 0 1 2 0 1 0 3 7 ) 资助；新疆维吾尔自 治区公益性科研院所基本科研业务经费资助项目( K Y 2 0 1 3 0 7 2 ) 3 8 COALA 1 2 01 5 本文试验研究 目的是结合新疆特点，基于改进后推 移质冲磨的水下钢球法，通过不同最大粒径混凝土和抗 冲磨剂混凝土抗冲磨性能试验比对试验，提出针对推移 质抗冲磨更有效的水工高性能抗冲耐磨混凝土。 1 原材料及试验方法 1 1 试验原材料 ( 1 ) 水泥：水泥是混凝土中最主要的胶凝材料。其 主要矿物成分为硅酸三钙 ( c s ) 、硅酸二钙 ( c s ) 、铝酸三 钙 ( c ， A ) 、铁铝酸四钙 ( c A F ) 等。其中， c s的抗冲磨能力 最强，c s最差，c A和 c A F两者接近。水泥石的抗磨 蚀能力与其强度成正比，此外水泥品种对水泥石的抗磨蚀 能力亦有一定的影响。硅酸盐水泥较其他品种水泥的抗磨 蚀能力 【4 好一些 。本次试验采用新疆天山水泥股份有限 责任公司 ( 乌鲁木齐 ) 产的普通硅酸盐水泥 ( P 0 4 2 5 R ) ， 物理力学性能检验结果见表 1 。 表 1 水泥物理、力学性能检验结果 ( 2 )砂石集料：砂为当地天然砂 其技术性质检验结D L T 5 1 4 4 -2 0 0 1 水工混凝土施工规范中技术要求。 果见表 2 。石子品质检验结果见表 3 。其主要指标满足 表 2 砂 的物理性能检验结果 ( 3 ) 掺合料：本次室内试验优先使用 “ 硅灰 +粉煤 灰 +膨胀剂 +高效减水剂”复合超细掺合料，粉煤灰为 I 级灰。超细掺合料有微集料填充效应和火山灰效应， 能改善界面结构，提高界面结构黏结强度并提高水泥石 的密实度和强度；在满足混凝土拌合物工作性要求的前 提下，为了尽量减少拌合用水量，必须掺高效减水剂， 利于提高水泥石密实度和减少泌水；同时还可掺膨胀剂， 通过微膨胀补偿收缩，消除硅灰混凝土因干缩大和水化 热大易产生冷缩而可能造成的开裂危害。 ( 4 ) H F抗冲磨剂：H F抗冲耐磨剂是一种与粉煤灰 共掺，以提高混凝土抗冲磨性能的专用耐磨剂。H F抗冲 耐磨剂掺人混凝土中后，可以显著减少混凝土的用水量， 提高混凝土强度；可以激发粉煤灰活性，使粉煤灰混凝 土的水化速度加快；并可使水化产物致密坚硬，抗冲耐 磨性能提高；H F混凝土在和易性方面，由于粉煤灰的形 貌效应，使粉煤灰混凝土拌合物的抗剪力显著减小，在 外力作用下，易产生流动，因此，在施工方面混凝土易 于振捣密实出浆和收光抹面；与硅粉混凝土比较，该材 料具有干缩小、 和易性好、 水化热温升小、 施工简单易行、 原材料易得、造价低廉等许多优点。 1 2 抗冲磨混凝土配比设计 高性能混凝土以耐久性作为设计的主要指标，针对 不同用途要求，保证混凝土的适用性和强度并达到高耐久 性、高工作性、高体积稳定性和经济性。因此，高性能混 凝土在配制上的特点是低水胶比，配制高性能混凝土的水 胶比一般0 4 0 ； 选用优质原材料，除水泥、水、集料外， 必须掺加足够数量的磨细矿物掺合料和高效外加剂 15 。 1 2 0 1 5 粉 煤灰 3 9 本次试验混凝土 2 8 d的设计强度等级为 C 4 0 ， 强度保 证率 P = 9 5 ， 强度均方差 5 0 MP a 。由于目 前学者针对抗 冲磨混凝土普通的认同是：混凝土集料最大粒径小 ， 其抗 冲磨能力通常较高 ， 故本研究将试验混凝土级配分别定为 二级配、一级配、细石、砂浆 ， 其中二级配比例为：小石 ( 52 0 m m ) ： 中石 ( 2 04 0 m m ) = 6 0： 4 0 。本研究用抗冲 磨混凝土配合比见表 4 。 表4 高性能抗冲磨混凝土配合比 No 级 水胶 C w 砂率 稠度 坍落度F A s F 配 比 k g m一 k g m。 n l m m m P J F DN HF KT 1 K 2 K 3 KT- 4 KT 5 二 砂浆 细石 0 3 5 3l 1 1 4 5 3 6 O - 3 5 31 7 1 4 8 4 0 0 - 3 5 31 7 1 4 8 4 0 O - 3 5 3 1 7 1 4 8 0 - 3 5 3l 7 1 4 8 4 2 8 0 l l O I l O | l 0 0 0 8 1 1 2 0 1 4 注：w 一水，c 一水泥， F A 一粉煤灰，s 一砂，P J 一膨胀剂， G 一石子， s F 一硅粉，F D N 一高效减水剂， H F 一抗冲磨剂。 1 3 试验方法 通常认为，决定含推移质水流对水工混凝土磨损程 度的最主要因素为水流速度、推移质数量和粒径；冲磨 破坏力与挟沙水流的速度及含沙情况有关。根据已有试 验及观测资料 6 1 ， 初步得出：冲磨破坏力与流速的 2 3 次方成比例、与含沙量成正比。冲磨破坏力还与含砂颗 粒大小、形状有关；细颗粒悬移质以微切削破坏为主， 大颗粒推移质则以冲砸破坏为主；带棱角的沙粒的破坏 作用比圆形沙粒的大。 根据 S w a n s o n p t， 1 的试验发现，随着磨粒的尖锐度改 变 ， 被磨损材料的磨损率可以相差 1 0倍或更高。丁建彤 等 【8 _ 针对现行 D L T 5 1 5 0 -2 0 0 1 水工混凝土试验规程 中的水下钢球抗冲磨试验方法，研究了水流速度、冲磨 时间、钢球投影面积与试件表面积之比、钢球最大粒径 等因素的影响效果。本文采用的试验方法主要是改变了 水下钢球级配、 冲磨介质钢球的形貌。因为在实际工程中， 高速水流中含的砂石，主要是带有尖角，棱柱体推移质 滚石对混凝土冲磨最为严重，而现行规范中对大粒径钢 球掺量过少，影响冲磨试验效果；其次，现行规范中的 水下钢球法中的钢球均为光滑圆球， 也与实际滚石多棱 角的形状不符，必然影响试验效果，并与实际情况差距 较大。事实上，在实际水利工程中已有发现：当河流泥 砂硬度大，表面又多棱角时，砂石对混凝土的磨损就会 更大。 总结上述学者的研究结果， 本试验主要在两方面对 现行试验方法进行改进，一是更符合推移质特点的钢球 形貌；二是更贴近实际冲磨质组成的钢球数量及级配。 现行规范中的冲磨质均为光滑球体，而实际工程中的 推移质通常有棱角，故本试验方法将直径分别为 3 0 m m、 2 5 m m和 1 9 m m的钢球相互垂直的六个面，按钢球直径的 5 切割为平面， 使钢球成为圆形六面体， 使之具有了棱角， 水下钢球法试验现行磨料剂与改进后磨料剂对应见表5 。 表 5 水下钢球法试验现行磨料剂与改进后磨料剂对应表 2 试验结果分析 2 1 改进方法对抗冲磨性能的影响 为了验证改进后方法与现行方法的试验效果， 本文选用 5组不同强度等级、不同级配的混凝土进 4 0 CoAL AsH 1 2 01 5 行了比对试验，其中有水胶比均为 0 3 5 ，试验采用 龄期为 1 4 d 、2 8 d 、6 0 d 、9 0 d 、2 8 d的混混凝土试 件为抗冲磨研究对象，级配包括了二级配和一级配 H F粉煤灰、细石和砂浆，改进后方法与现行方法的 抗冲磨性能结果对比见表 6 。 表 6 改进后方法与现行方法的抗冲磨性能结果对比表 从表 6看出，在相同养护条件下，水胶比相同的各类 型混凝土早期及后期强度均有不同；但当龄期 9 0 d时，其 抗压强度相差不大。在转轴转速 1 2 0 0 r m i n 、试件浸泡 4 8 h 、磨损时间7 2 h 等条件相同的情况下，由现行规范和本文 改进试验方法得到的抗冲磨试验结果可见：首先，无论一 级配、二级配、掺 H F外加剂、细石混凝土、高性能砂浆， 改进后方法比现行方法的磨损率可提高近一倍，并且抗冲 磨强度减少了一半，磨损量增加一倍， 磨损效果显著提高； 其次， 现行方法对于 C 4 0以上混凝土抗冲磨效果差距较小， 不能很好反映不同强度等级混凝土的抗冲磨性能，而改进 后方法则能更好反映实际工程中的磨损情况。 从抗冲磨试件磨损后试件外观观察到，在现行级配 下往往只能在试件表面磨出环状冲沟，只磨蚀掉混凝土 表层浆体，露出集料 ， 平均磨蚀深度在 24 m m之间， 而改进后级配试件表面凹凸不平，明显加剧冲磨破坏作 用，平均磨蚀深度在 1 03 5 ra m之间，并试件破坏范围 不断加大，程度逐渐加重，最终形成较大锥形冲沟，与 实际工况相似。 2 2 集料最大粒径对混凝土抗冲磨强度的影响 混凝土是由水泥石与集料组成的复合材料。当挟砂石高 速水流冲击和急速水流中滚石撞击这种抗冲磨混凝土时， 受 冲击、 撞击作用的首先是最大集料粒径及混凝土最薄弱环节 处 。集料最大粒径对混凝土冲磨强度的影响见表7 和图1 。 表 7 集料最大粒径对混凝土冲磨强度的影响 集料最大粒径 J D t ： r 5 1 5 0 N0 级配 mm 磨损率 抗冲磨 度 h ( k g m 改进后方法 磨损率 抗冲磨 度 h ( k g m 1 3 0 2 5 2 0 鑫1 5 鬈10 蠡5 0 。 藤 ： L L L L _ 4 0 2 O 2 O 5 1 0 集料粒径D ( m m ) 图 1 最大粒径对抗冲磨强度影像图 从表7 和图1 可以看出、 在水胶比、 用水量、 水泥用量、 各掺合料掺量相同的条件下，集料粒径等于 5 0 m m 的砂 浆抗冲磨强度最小， 之后依次 K T 3 掺H F 粉煤灰混凝土 ， 最大粒径 D = 4 0 m m和 D = 2 0 m m抗冲磨强度几乎相 当，抗 冲磨性能最优的是细石混凝土，即最 大粒 径 D = 1 0 m m的混凝土；K T一 3 掺加了抗冲磨剂 H F ，并配 合掺加了一定量的粉煤灰，相较硅粉混凝土其抗冲磨效果 较差；从抗冲磨试件磨损后试件外观观察到，细石混凝土 试件，只磨蚀掉混凝土表层浆体，露出集料，平均磨蚀深 度在 13 m m之间； 而其余的混凝土试件表面凹凸不平， 磨出环状深沟，集料与水泥石接触处剥离，严重的剥离掉 集料，平均磨蚀深度在 1 O 3 5 1 1 1 m之间 ， 并试件破坏面 积大，磨损程度逐渐加重，最终形成较大锥形冲沟。 3 结 论 ( 1 ) 通过改变现行规范抗冲磨试验方法中的两个参数， 第一个是冲磨介质钢球的形貌，将现行规范中圆形表面光 滑的钢球形貌，改为带有尖角的圆形六面体； 第二是调整 了钢球的级配及数量。改进后方法对于高性能抗冲磨混凝 土，其磨损率提高一倍及抗冲磨强度减少一半，磨损试验 后试件表面严重磨损 ，平均磨损深度从现行规范方法的 2 4 m m 增加到 1 0 3 5 m i ll ，磨损效果显著提高 ， (下转第4 4 页 ) 1 2 0 1 5 粉 煤灰 4 1