水工泄水建筑物的空蝕破壞及高性能抗磨蝕混凝土材料

摘 要：結(jié)合水工建筑物的空蝕破壞情況及特征，對抗磨蝕混凝土材料在國內(nèi)外的應用進行了分析比較，展示了抗磨蝕混凝土材料在水工建筑物，特別是泄水建筑物中應用的廣闊前景。

關(guān)鍵詞：水工泄水建筑物；空蝕破壞；抗磨蝕；混凝土材料

1 水工泄水建筑物的空蝕破壞

    自1935 年巴拿馬麥登壩泄水道進口發(fā)現(xiàn)嚴重空蝕破壞以來，泄水建筑物的破壞時有發(fā)生。國內(nèi)外大量的工程實例說明，在高中水頭泄水建筑物中的某些部位，當設計不周或施工不慎時，常常會發(fā)生材料剝蝕的現(xiàn)象，即在混凝土或金屬表面，輕者造成斑點麻面，重者形成蜂窩狀甚至大洞，人們把這種現(xiàn)象稱做空蝕?？瘴g的發(fā)生直接影響到建筑物的壽命，甚至造成整個建筑物的失事。所以空蝕已成為泄水建筑物設計中的一個重要問題。

    造成泄水建筑物空蝕破壞的原因是多方面的，目前形成共識的是： ①泄水建筑物形狀設計不良； ②施工不平整度過大； ③管理運用不當； ④上述幾種原因綜合作用產(chǎn)生了空化水流，造成了空蝕破壞。

    有研究顯示，空蝕是水中空泡潰滅時的沖擊力和材料抗空蝕能力的綜合結(jié)果?？瘴g程度是由水流的空蝕能力和材料的抗空蝕強度所決定的，所以材料的力學特性和能量特性都與抗空蝕強度有關(guān)。

    泄水建筑物混凝土的受力破壞是由于混凝土在硬化過程中，產(chǎn)生了許多微裂縫等缺陷，當外力作用于混凝土時即在上述缺陷部位產(chǎn)生較大的集中應力而形成裂縫，隨著裂縫的發(fā)展、連通，形成較大的破壞面乃至整體破壞。由于泄水建筑物上高速水流的紊動與分離現(xiàn)象，特別在不平順的邊界上，水流紊動劇烈，水流分離明顯，因而極易發(fā)生空蝕現(xiàn)象， 使混凝土發(fā)生破壞。

2 混凝土的破壞機理

    混凝土的破壞是挾砂水流在其表面上造成的泥沙磨損與空蝕聯(lián)合作用的結(jié)果，有關(guān)文獻指出，渾水中由于有大量的固體微粒存在，這些固體微粒具有不平整的表面，初始空化易于提前發(fā)生。在空泡潰滅時位于空泡附近的固體顆粒又易受到潰滅時的沖擊力影響而獲得加速度，加大了對邊壁材料的破壞力，當空蝕破壞與泥沙磨損聯(lián)合作用時，破壞力更為加劇。根據(jù)三門峽水庫磨損空蝕實驗裝置的實驗成果， 若以清水空蝕量為基數(shù)，當含沙量為40 kg/ m3 時，磨損量是清水空蝕的3. 4 倍，當磨損與空蝕聯(lián)合作用時，為清水空蝕的1610 倍。美國密執(zhí)安大學的實驗室內(nèi)，進行的震動型空蝕實驗，其結(jié)果表明，渾水空蝕率比清水增加約50 %。說明在渾水情況下，混凝土表面粗糙度對空蝕較沖磨更為明感， 因此，實際混凝土工程，特別是泄水建筑物要優(yōu)化過流面體形，應保證其平整度的要求，不容許存在凹凸不平、升坎、降坎、鋼筋頭或預埋件露頭等弊端，以達到減免空蝕對建筑物的破壞的目的。目前，關(guān)于混凝土磨蝕機理的普遍看法是：

(1) 含沙水流改變了清水的物化及流動特性，使水的空化壓力發(fā)生變化，空蝕提前發(fā)生；

(2) 砂粒被水流挾帶，由于質(zhì)量不同，在慣性力作用下， 可能滯后或超前于水流速度，轉(zhuǎn)彎時還會偏離流線，水中游離的砂粒會產(chǎn)生旋渦氣泡，并在某一臨界壓力下潰滅，使材料遭受破壞；

(3) 空泡潰滅，產(chǎn)生混凝土損傷，加速泥沙磨損；

(4) 混凝土在本來不產(chǎn)生空蝕的部位以砂粒磨損為先導，砂粒的沖擊、磨擦和切削，使混凝土表面出現(xiàn)凹凸不平， 形成空蝕源，局部水流的劇烈紊動，又促使砂粒的動能大為提高，從而加速了混凝土的磨蝕。

3 高性能抗磨蝕混凝土材料的選擇

    我國河流含泥沙嚴重，近年來，在空蝕及泥沙磨損對泄水建筑物的破壞方面進行了很多研究，有了一系列行之有效的工程措施，而且在抗蝕材料的研究上也有了較大的進展。

3.1 影響混凝土抗磨蝕性能的因素

     根據(jù)對混凝土磨蝕破壞機理和抗磨蝕影響性能的研究分析可知，在相同的和易性條件下，抗磨蝕混凝土的強度將取決于以下幾個條件：

(1) 組成水泥石的材料(含水泥、摻合料、減水劑等) 品種及性質(zhì)；

(2) 集料的性質(zhì)和級配；

(3) 拌和用水量與水泥或膠凝材料的比率；

(4) 水泥石在混凝土中的相對含量。

　　研究資料表明:當混凝土的強度高于C25 ，水灰比不大于0.40～0.45 ，坍落度不大于7～8cm 時，混凝土就有一定的抗空蝕能力，而且流速愈大，所需混凝土的強度愈高。

3.2 為了提高混凝土的抗磨蝕強度所采取的工程措施

(1) 使用高效能減水劑是提高混凝土抗磨蝕強度的一項有效措施。實驗資料表明，摻用高效減水劑同時保持混凝土流動度不變，無論是保持水泥用量不變或者是保持水灰比不變都會使混凝土的抗磨蝕強度有顯著增加。因此有抗磨蝕要求的工程中必須使用減水效果優(yōu)良的高效能減水劑。

(2) 在混凝土中加入摻合料提高混凝土的抗磨蝕性能。目前在混凝土中加入最普遍的是硅粉。起初硅粉只是作為廉價的水泥添加劑，后來高性能減水劑的開發(fā)，在硅粉的超微粒子與高性能減水劑的共同作用下，產(chǎn)生微縮效果，呈現(xiàn)高密度充填性和活性火山灰反應等，而改善混凝土的性能受到重視。由于硅粉粒子比水泥要細，在水泥混凝土中具有填充水泥顆粒之間的空隙生成水化物核，同時也起著正如液體那樣的作用，提高水泥混凝土的流動性并使之更為密實，從而可制造出高強度、高流動性和高耐久的混凝土。目前已開發(fā)出強度達到25000 N/ cm² 的高強度混凝土。

(3) 利用聚合物砂漿及聚合物混凝土膠結(jié)材料。在早期，雖然從室內(nèi)實驗效果來看，其本身的抗沖磨、抗氣蝕性能都有提高。可是，這種材料施工較復雜，施工速度慢，材料費用高，不適宜大面積推廣。但近年來，聚合物的抗蝕材料又有了迅速發(fā)展。1989 年帕爾麥( Palmer) 國際有限公司推出的空蝕的克星DP 劑，DP 劑代表這方面的發(fā)展。我國南科院進行的離子束在抗蝕材料改性中作用的研究已取得了進展， 業(yè)已證明對耐磨、耐蝕、耐疲勞以及硬度方面都有明顯的改善。

4 　結(jié)語

    水工泄水建筑物中的空蝕破壞及泥沙磨損機理雖然是非常復雜的，但是通過合理的工程措施，以及改善混凝土材料的抗磨蝕性能，空蝕破壞是可以減免的。