水工抗沖磨混凝土原材料選用分析

摘要:文中介紹了水工混凝土的沖磨破壞機(jī)理及研究現(xiàn)狀，結(jié)合張峰水庫杭沖磨混凝土配合比試臉對杭沖磨混凝土的原材料選用進(jìn)行分析，通過原材料優(yōu)選研制出了經(jīng)濟(jì)合理滿足設(shè)計(jì)要求的杭沖磨混凝土。

關(guān)鍵詞:杭沖磨;原材料;性能

中圈分類號(hào):TV41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

　　水工抗沖磨混凝土不同于普通混凝土，它是以抵抗含砂石、高速水流沖磨破壞為目的的特種混凝土。據(jù)調(diào)查，我國運(yùn)行中的大壩泄水建筑物有70%由于高速含砂水流的沖刷磨損和空蝕作用，存在不同程度的沖磨破壞問題，導(dǎo)致建筑物過流面表層大面積剝蝕破壞，甚至有嚴(yán)重的安全隱患。如何獲得力學(xué)性能穩(wěn)定，具有較高的抗沖磨強(qiáng)度和較好的沖擊韌性的抗沖磨混凝土，一直是我國水工混凝土材料領(lǐng)域研究的重要課題。

1 水工混凝土沖刷磨損機(jī)理

　　水流中的懸移質(zhì)泥砂顆粒較小，在高速水流的紊動(dòng)作用下與水充分混合，非常均勻地與水流一起運(yùn)動(dòng)，在移動(dòng)過程中觸及建筑物過流面時(shí)對混凝土產(chǎn)生磨損、切削和沖撞。隨著磨損剝離程度的增加，過流面產(chǎn)生凹凸不平的磨損坑，高速水流受到擾動(dòng)進(jìn)而加劇沖磨破壞的進(jìn)程，并同時(shí)產(chǎn)生空蝕破壞。水流中的推移質(zhì)在高速水流作用下以滑動(dòng)、滾動(dòng)及跳動(dòng)等方式與過流面產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦和沖擊砸撞，在撞擊區(qū)形成很高的局部應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過混凝土內(nèi)聚力時(shí)，發(fā)生局部破壞。

2 水工抗沖磨混凝土研究現(xiàn)狀

　　為提高水工混凝土的抗沖磨、空蝕能力，20世紀(jì)60,70年代多采用高分子材料護(hù)面，但由于其存在與基底混凝土溫度適應(yīng)性不好，容易開裂脫落且有毒性、污染環(huán)境、施工不便等缺點(diǎn)，80年代以來國內(nèi)多家科研單位先后開展了無機(jī)膠凝材料類的水工泄水建筑物抗沖磨混凝土研究和應(yīng)用，主要有:硅粉混凝土、纖維增強(qiáng)混凝土、粉煤灰混凝土、鐵鋼砂混凝土等。經(jīng)過十幾年的工程實(shí)踐，硅粉混凝土抗沖磨性能良好，技術(shù)指標(biāo)超過高分子材料。

3 原材料選用分析

　　混凝土是一種以膠凝材料、水、砂石骨料及摻合料、外加劑混合形成的一個(gè)多相體，決定這種多相體的抗沖磨主要有兩個(gè)方面的性能，一個(gè)是組成材料本體的抗沖磨性能，另一個(gè)是各種材料相互結(jié)合是否牢固的性能。后一個(gè)性能可以用混凝土的強(qiáng)度代表，而提高本體材料抗沖磨性能需要采用堅(jiān)硬的骨料。

　　水泥混凝土強(qiáng)度的提高，其主要影響因素在于膠凝材料活性及水灰比。通過選用高標(biāo)號(hào)水泥、高活性超細(xì)粉材料、超細(xì)磨礦渣粉材料、優(yōu)質(zhì)粉煤灰等摻合料增強(qiáng)膠凝材料活性。在保證混凝土的耐久性、經(jīng)濟(jì)性和體積穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，選用高效減水劑、引氣劑等外加劑。

4 工程實(shí)例

　　張峰水庫位于山西省晉城市沁水縣沁河干流上，水庫大壩采用粘土斜心墻堆石壩，最大壩高72.2 m，總庫容3.92億m3，泄水建筑物有導(dǎo)流泄洪洞和滋洪道，導(dǎo)流洞斷面最大流速為29m /s,滋洪道斷面最大流速為31m/ s，平均含砂量為5.54 kg/m3,

4.1 技術(shù)要求

　　張峰水庫泄水建筑物有導(dǎo)流泄洪洞和溢洪道，設(shè)計(jì)要求:導(dǎo)流泄洪洞強(qiáng)度等級(jí)C40，抗凍等級(jí)F150，抗沖磨強(qiáng)度大于0.8 h/(叼‘)，骨料要求二級(jí)配，建議摻鐵礦石、硅粉;滋洪道強(qiáng)度等級(jí)C35，抗凍等級(jí)F150，抗沖磨強(qiáng)度大于0.75 h(kg/m)，骨料要求二級(jí)配，建議摻硅粉。

4.2 水泥的選用

　　在高性能水工抗沖磨混凝土的配置中，水泥是最主要的膠凝材料，它的優(yōu)質(zhì)與否直接影響抗沖磨混凝土物理力學(xué)性能和耐久性。由于水泥在棍凝土中的重要性，要求使用高強(qiáng)度等級(jí)水泥，以減少水泥用量。通常高性能水工抗沖磨混凝土應(yīng)首選純硅酸鹽水泥，普通硅酸鹽水泥也可以，水泥標(biāo)號(hào)宜選用42.5級(jí)水泥。初選三種水泥，依據(jù)(硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》GB175-1999進(jìn)行檢驗(yàn)，物理力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表1，從表中可以看到三種水泥的物理力學(xué)性能指標(biāo)均符合國家標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過對比篩選，采用邯鄲P.O 42.5進(jìn)行抗沖磨混凝土試驗(yàn)。

4.3 骨料

　　混凝土中的骨料包括粗骨料和細(xì)骨料兩種，骨料作為經(jīng)濟(jì)的填充料，在混凝土中占體積的70%-80%，骨料的優(yōu)劣，

　　直接影響混凝土的抗沖磨防空蝕強(qiáng)度，工程應(yīng)用的骨料品種繁多，高性能抗沖磨水工混凝土的高抗沖磨性能要求骨料與水泥石界面性能良好、骨料的抗沖磨性能高.使混凝土具有體積的穩(wěn)定和耐磨性能，所以高性能抗沖磨水工混凝土要求使用優(yōu)質(zhì)骨料。

4.3.1骨料選用

　　張峰水庫位于山西晉東南地區(qū)，夭然砂質(zhì)地很差，質(zhì)檢結(jié)果含泥量超標(biāo)，堅(jiān)固性超標(biāo)，不能作為高性能抗沖磨水工棍凝土細(xì)骨料。初選鄰近地區(qū)河北石家莊砂子，該砂顏色偏黃，質(zhì)量檢測結(jié)果:堅(jiān)固性達(dá)18.4%，含泥量為3.2%，超出部頒標(biāo)準(zhǔn)SDJ207-82規(guī)范要求，該砂質(zhì)量不合格。重選河南信陽長臺(tái)關(guān)砂場砂子，該砂場是一家小型國有砂場企業(yè)，砂場采用機(jī)械化采砂，經(jīng)質(zhì)量檢驗(yàn)該砂各項(xiàng)指標(biāo)符合SDJ207-82標(biāo)準(zhǔn)要求，該砂細(xì)度模數(shù)2.8，屬中粗砂，適宜配制抗沖磨水工混凝土。

4.3.2 粗骨料選用

　　粗骨料選用沁水灰?guī)r碎石、蕪湖鐵礦石、曲沃鐵礦石進(jìn)行試驗(yàn)。沁水灰?guī)r碎石5-20 mm,20--40 mm超徑嚴(yán)重，5-20 mm超徑達(dá)74.6%,2040 mm超徑達(dá)23.6%，軟弱顆粒占12.6%，軟弱顆粒超標(biāo)，會(huì)使混凝土在高速挾沙水流沖磨作用下表面凹凸不平，加劇沖磨破壞及空蝕破壞，不能作為高性能抗沖磨水工混凝土骨料;蕪湖鐵礦石5-20 mm超徑占22.7% ,20 -40mm遜徑占46.5%，此鐵礦石超遜徑超標(biāo)，級(jí)配不好需加工處理;曲沃鐵礦石堅(jiān)固性達(dá)12.5%超標(biāo)，不能作為高性能抗沖磨水工混凝土骨料;陽城下川灰?guī)r骨料超遜徑超標(biāo)，級(jí)配不合理，需加工處理，選陽城下川灰?guī)r骨料、蕪湖鐵礦石作為抗沖磨水工混凝土骨料進(jìn)行試驗(yàn)。對陽城下川灰?guī)r碎石進(jìn)行加工、篩分，加工后的5-20 mm碎石由5-10mm, 10-20mm碎石配制而成。

4.4 礦物活性細(xì)摻料

　　礦物活性細(xì)摻料包括硅粉、粉煤灰、礦渣粉，硅粉是冶煉金屬時(shí)的副產(chǎn)品，主要成分為SiO2，由于硅粉可明顯提高抗磨蝕性能，通常優(yōu)先摻用硅粉;優(yōu)質(zhì)粉煤灰屬于人工火山灰質(zhì)材料，摻用后起物理化學(xué)變化，改善混凝土性能;磨細(xì)的礦渣粉也可以代替水泥，降低水化熱，提高抗?jié)B性，還可抗化學(xué)腐蝕，增加耐久性。

4.4.1 硅粉的選用

　　由于硅粉顆粒很細(xì)，可以填充水泥石中的粗孔隙，能明顯提高抗磨蝕能力，在抗沖磨混凝土中優(yōu)先采用硅粉活性細(xì)摻料。在硅粉的選擇中，采用了山西省忻州鐵合金廠生產(chǎn)的硅粉進(jìn)行選材試驗(yàn)，其性能試驗(yàn)結(jié)果:密度為2.23g/cm3，細(xì)度為2.65%，在國標(biāo)要求小于等于10%的范圍;比表面積28M2/g，滿足國標(biāo)要求的大于等于15 m2/g;容重163 kg/m3;含水量1.0%，符合國標(biāo)小于等于3%的要求。

4.4.2 粉煤灰的選用

　　粉煤灰的摻用可以節(jié)省水泥用量，更能改善混凝土性能，優(yōu)質(zhì)粉煤灰的顆粒非常細(xì)小，可以填充混凝土孔隙，并發(fā)生水化熱產(chǎn)生物理作用和化學(xué)作用，提高混凝土耐久性和抗沖蝕能力，為此摻用優(yōu)質(zhì)粉煤灰對配制抗沖磨混凝土十分重要。在張峰水庫抗沖磨混凝土粉煤灰的選用試驗(yàn)中，對漳澤電廠粉煤灰、神頭二電廠粉煤灰進(jìn)行了物理化學(xué)成分的檢驗(yàn)，檢測結(jié)果漳澤電廠粉煤灰符合國家標(biāo)準(zhǔn)I級(jí)灰要求，神頭二電廠粉煤灰符合國家標(biāo)準(zhǔn)I級(jí)灰要求。根據(jù)(水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術(shù)規(guī)范》DU F5207-2005要求，配制高性能混凝土可摻用Ill級(jí)粉煤灰，選用神頭二電廠I級(jí)粉煤灰進(jìn)行抗沖磨混凝土試驗(yàn)。

4.5 外加荊

　　對于高性能抗沖磨防空蝕混凝土要求有高的強(qiáng)度，好的抗?jié)B性和穩(wěn)定的體積，滿足這些性能不能只靠增加水泥用量提高強(qiáng)度，應(yīng)摻用高效減水劑降低水灰比.減少用水量，改善和易性，提高混凝土的抗磨蝕能力。為此，對河北省水工局外加劑廠生產(chǎn)的減水劑DH,和引氣劑DH9、山西黃河新型化工有限公司生產(chǎn)的減水劑HJAS-1,HJUNF-2A和引氣劑HJAE-A、太原市廣達(dá)新型建材研究所生產(chǎn)的引氣型減水劑XGY進(jìn)行化學(xué)成分、減水率和砂漿強(qiáng)度的試驗(yàn)研究，根據(jù)檢測結(jié)果選擇河北省水工局外加劑廠生產(chǎn)的外加劑DH、和DH，作為抗沖磨混凝土配合比摻用材料。

5 結(jié)語

　　構(gòu)成水工抗沖磨混凝土的原材料對其抗沖磨強(qiáng)度具有決定性的影響，選用優(yōu)質(zhì)的、適用于抗沖混凝土的原材料是配制滿足設(shè)計(jì)要求的抗沖磨混凝土的前提條件。張峰水庫抗沖磨水工混凝土經(jīng)過原材料優(yōu)選、配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)，研制的混凝土各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，由于粗骨料全部采用陽城灰?guī)r具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。