水工高性能耐磨蚀混凝土的研究及探讨.pdf

1综述 水工高性能耐磨蚀混凝土的研究及探讨 杨志昂 王二强 陈会萍 ( 1 成阳西郊给水工程筹建处 陕西 成阳 7 1 2 0 0 0 ； 2 北京领邦施而固新材料股份有限公司 北京 1 0 1 1 0 0 ； 3 成阳市 自来水公 司 陕西 成 阳 7 1 2 0 0 0 ) 摘要 本文对水工混凝土构筑物磨蚀破坏的原理进行了分析， 根据成阳亭口水库泄洪排沙洞的设计参 数， 依据 D L 厂 丁5 2 0 7 2 0 0 5 水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规范 ， 设计一种高性能抗磨蚀 混凝土。与高强混凝土、 硅粉混凝土、 高强粉煤灰混凝土相比， 具有极其优异的抗冲耐磨性能， 可 用于抵抗水流冲刷 、 泥沙磨损和高速水流空蚀破坏， 作为水工抗冲耐磨护面材料和耐磨修补材 料使用 。 关键词 抗冲磨 ； 硅粉混凝土 ； 耐磨蚀 ； 铸石 中图分类号： T V 4 3 1 + 9 文献标识码： A 高速水流 、 含 沙水 流、 推 移质水流对水 lT建筑 物的冲刷磨损 和气蚀 破坏一直是水 工 泄流 建筑物 如溢流坝 、 泄洪洞槽 、 泄水 闸 等常见的破坏方式，也一直是水利水电建 设 中长期 关注 、 有 待妥善解决的问题 l J。据 调查 ，我 国运 行 中的大 坝 泄水 建筑 物 有 7 0 存在 不同程度的 冲磨破坏 问题 ， 有 的 甚至非常严重 ， 不仅 自身遭到破坏 ， 而且危 及其他建筑物的安全。其中丰满、 三门峡、 刘家峡 、 龚嘴等_T程， 虽经修补， 还是屡遭 破坏。 混凝土的磨蚀破坏是指含砂 、石水 流 对混凝土表面有冲击 、 摩擦及切削 等作用 ， 使混凝土表层逐渐被磨蚀。混凝土的抗冲 磨强度主要取决于组成材料的耐磨性能 、 混凝土的密实度 、水泥石与骨料 的黏结 力 等因素1 3 1。 2 0世纪 7 O年代14 1 ， 国内外为提高 水1 二 建筑物的抗冲磨能力而进行的研究和应用 已经非常广泛 ， 2 0 世纪 8 0 年代中期以来 ， 各类抗 冲磨混凝土 在我 国逐步得 到应用 。 目前 ，水利水电工程中应用 的护面材 料有 硅粉混凝土、高标号普通混凝土以及高强 耐磨粉煤灰混凝土5 1 。 硅粉混凝土目前应用 最 为广泛 ，高强耐磨 粉煤灰混凝士是新 近 研 制开发的新材料 ，在许多lT程 中已得到 应用， 并表现 出良好的发展势头。 硅粉高性能混凝土具有良好的抗冲磨 抗 空蚀性能 ，受到国内外工程界的普遍认 可 ，如 国外 耐 久性 设 计 使用 寿命 为 1 0 0 年 2 0 0年的丹麦大贝尔特海峡lT程 、 丹 麦一瑞典厄勒海峡等T程。硅粉混凝土主 要 缺点 是早期 收缩量大 ， 易于开裂 。同时， 随着近年来硅粉混凝土的大量应用 ，硅粉 呈现供不应求的趋势， 价格越来越高。 随着近年来 对粉煤 灰 的深 入研 究 ， 出 现了粉煤灰完全或部分代替硅粉的高强粉 煤灰混凝土。HF粉煤灰混凝土在大河 口水 电站 、 黄河 大峡 水电站 、 甘肃古城水 电站 等 水利工程都得 到了很 好的应用 。岩滩水 电 站也采用了掺微珠型粉煤灰的抗冲磨混凝 土。粉煤灰 混凝土的主要缺点是早期抗压 抗冲磨强度都较低， 必须提前施T。 2高性能耐磨蚀混凝土强度参数 的确定 根据 D I_ T 5 2 0 7 2 0 0 5 水1 二 建筑 物抗 冲磨防空蚀混凝土技术规范 的要求 ， 考 虑到水流 的空蚀 能力与水 流流速 的 41 0 次方成正比 ，故决 定按水流空化数 和流速 大小对抗磨蚀材料选择提出不同要求。咸 阳亭 口 水库泄洪排沙洞设计参数如下： 流速 ： 2 4 ri d s 。 多年平均含沙量 ： 5 0 k g m 。 最 大含沙量 ： 1 0 0 0 k g m 3 。 泥沙中值粒径：0 0 1 8 m m 。 泥沙平均粒径 ：0 0 2 7 mm。 隧道断面 ： I- = 7 5 m， H= I l m。 水深 ：8 m。 根据水流空化数判断。水流空化数的 计算公 式按照 D I J I 5 2 0 7 2 0 0 5 ，计算得 出 表 1 的水流空化数介于 O 4 l O 5 5 。 对于混凝土 强度等级的确定 ，冲磨介质以悬移质为主 的工程 ，可根据最大流速和平均含 沙量按 表 l 选择混凝土强度等级，并进行抗冲磨 强 度优选试验 。 依 据 D I J l 5 2 0 7 2 0 0 5中 6 _ 3节 中 表 6 3 2的要求，按照给定的含沙量和水流流 速及计算得到的水流空化数，选择混凝土 强度等级，选出的强度等级为 C 5 0 C 6 0 ， 根据其表 中注解的建议 ，当水 流中推移质 含量大于 2 k g m 3 时 ， 选 用较表 中提 高 12 个强度 等级( 提高 两个等 级 ) 的混凝土 ， 因 此 ， 混凝土强 度等级为 C 6 0C 7 0 。这也符 合美国A C I 标准的规范( 当流速大于 2 0 m s 时，水T泄水建筑物混凝土设计强度要大 于等于 4 2 M P a ，故决定 流速在 1 5 m s 2 5 m &时， 强度等级最高取 C 6 0 C 7 0 ) ， 本 产品强度等级取 C 7 0 。 3试验部分 3 1 原材料的选择 粗骨料： 原苏联学者高连宾在所著 水 1 二 建筑物护面的耐磨性一书中标明了护 面材料的许可不 冲刷流速 ， 其 中 ， 铸 石的许 可不冲刷流速 、 极 限许可含 沙量 、 泥沙的极 限粒径、 护层厚度均不受限制。 铸石砂石骨 料物理力学性 能指标见表 l 。 铸石砂石 骨料物理力学性能指标 项 目 单 位 指标 项 目 单位 指 标 密度 g ， c m 2 9 磨损硬 度 e m e m O 0 8 吸水率 O 5 冲击韧性 N m e ra 3 0 压碎率 l O 0 莫式硬度 7 0 - 8 0 抗 压强度 MP a 2 5 0 0 - ( = 一 ( r C 细骨 料 ：当砂 子细 度模 数从 2 31降 至 1 2 6时 ， 混凝土抗冲磨强度将显著降低 ， 故 应使用中粗砂。本试验选用细度模数 2 6的洁 净石英砂 ， 含泥量小 于 2 ， 连续级配。 胶凝材料 ：本 产品选用粉煤 灰和硅粉 复 掺。硅粉可 明显提高混凝土 的抗 磨蚀性能 和 强度 ， 增 大保水性 ， 粉 煤灰 可有效弥补后期 强 度的不足 ， 减少泌水。复掺可有效弥补矿物外 加剂单掺的不足。 3 2高性能抗磨蚀混凝土配 比设计 抗磨蚀混 凝土配合 比设 计中的配制 强度 应按 下式进行计 算 ： f + 2 8 o 其 中 取 值 5 MP a ，对大 于 C 6 0的抗 磨 蚀混凝 土 ，配制强度 取值应不低 于设 计强度 等级的 I 1 2倍。因此 ， 混凝土配制 强度取值为 8 0 MP a ， 配制强度不应该小于 C 8 0 。 减水剂 ：选膈引气量小 的聚羧 酸高效减 水利 ， 降低水胶比， 提高混凝土密实度。减水 剂采用弗克公司的 F O X一 8 H ， 3 3试验结果 水 丁 高性 能抗 磨 蚀 混凝 土 ，产 品 编号 t i P 一 2 4 0 0， 2 8 d抗 压强度高达 9 0 MP a ，与普通 混凝 土和硅 粉混凝土相 比 ，具 有较好 的抗 冲 耐磨性 能 ， 和易性好 。依据 S L 3 5 2 2 0 0 6检测 ， 结果如表 2所示。 3 4产品特点 高强 、 高耐磨。混凝土自身强度的提高， 使 U P 一 2 4 0 0具有优 良的耐 冲磨性 ，抗 空蚀性 能好 。在空蚀和磨损作用下 ， 整个表 面基本上 被均匀 磨损 ， 形成 的表面较光滑 。 表 2 UP 一 2 4 0 0水工高性能耐磨蚀混凝 土检测结果 序 检测项 目 技术指标 1 粘聚性 良好 保水性 良好 3 坍落度 2 7 0 m m 4 扩展度 7 0 0 mm 5 初凝时间 6 5 h 6 终凝时 间 8 5 h 7 7天抗 压强度 6 7 MP a 8 2 8天抗 压强 度 9 OMP a q 2 8 d收缩率 0 0 3 1 O 2 8 d黏结强度 2 1 MP a l I 2 8 d电通量 5 3 7 C 2 8 d抗 冲磨强度 一水 1 2 8 3 5 h ( k g m2) 下钢球法 表 3 U P 一 2 4 0 0与同类高强耐磨混凝土的性能对比 抗压强 度( MP a) 抗 冲磨强度 h ( k g h n ) _ 材料 名称 掺 和料 2 8 d 9 0 d 2 8 d 9 0 t 数 值 数值 数值 增 长率 ( ) 数 值 增长 率( ) i 普 通混凝 土 6 0 9 0 8 7 8 l I H F高强粉煤灰混凝土 粉煤灰 7 9 1 8 9 8 1 7 3 1 0 0 2 71 l 0 O I 硅 粉混凝 土 硅粉 9 O 1 9 0 5 I 8 1 l 0 5 2 3 8 8 8 UP - 2 4 0 0 粉煤 灰和硅 粉 9 0 - 3 8 l 3 5 4 8 3 图 1 耐磨混凝土2 8 d抗充磨强度对比 3 5同类耐磨产品对 比 U P 一 2 4 0 0高性能耐 磨混凝 土 2 8 d抗 压强 度已经达到9 0 M P a ，相当于高强粉煤灰混凝 土 、硅粉 混凝土 9 0 d的抗 压强度 值。而 U P 一 2 4 0 0在 2 8 d的抗 冲磨强度也是 其他三 款 产 品在养 护龄期 9 0 d无法达 到的。具体数 据 见表 3 。 从图 l 中更能直观地看 出这 四种产品 在耐 磨蚀性 能上的差异 ，体现 u P 一 2 4 0 0高性 能混凝土独特的耐 冲磨性能的优势 。 4结 论 U P 一 2 4 0 0 水T高性能耐磨蚀混凝土2 8 d 的抗压强度 已经 达到 9 0 MP a ，相 当于同类高 强 耐 磨 混 凝 土 在 9 0 d的 抗 压 强 度 值 ， 且 U P 一 2 4 0 0在 2 8 d的抗冲磨 强度远远大 于同类 耐磨混凝土 。可用 于电力行业 、 冶金行 业 、 煤 化行业水 泄流建筑物如溢流坝、 泄洪洞槽、 泄水闸等建筑领域的矿槽， 冲渣沟、 下料斗等 耐磨要求较高 的部位 。陕西 水利 参考文献 曾令 永， 何真， 李 亚杰 高性 能耐磨蚀 混凝土 修 补材料性能 的试 验研究湖 北水力发 电 1 9 9 8，31 ( 4 ) ： 4 9 -5 3 f 7 12贾兆 武， 张新 强 高强抗 冲耐 磨混凝 土性能 研 “ 全国特种混 凝土技 术a 3 - 应 用”学 术交流会 暨 2 0 0 8年混凝 土质量专业委 员会年 会 2 0 0 8 9 ) ： 3 7 5 3 8 1 f 3 廖碧娥 提高抗冲耐磨混凝土性能的机理和 途径 水利水电技 术 1 9 9 3 ( 9 ) ： 2 5 2 9 【 4 】 杨春光， 王 正中， 田2 r - 永， 黄 玉祥抗 中磨混 凝 土的研 究应 用和发 展 中 国农 村水 利 水 电 2 0 0 6 ， ( 6 ) ： 9 7 9 9 1 5 l5支拴喜工程设计中选用抗 中 耐磨混凝土 护 面材料的几个要 点问题甘 肃水利水 电技 术( 2 ) ： 9 1 2 f 6 1 q - 华人 民共和 国国家发展 和改革委 员会 DL T 5 2 0 7 2 0 0 5 水工建筑物抗 冲磨防空蚀 混凝土技术规范 f 7 1 韩素 芳 混凝土 工程病 害与修 补加 固【 Ml _ 北京： 海洋出版社， 1 9 9 6 ( 责 任 编 辑 ： 周蓓 )