水利水電樞紐抗沖耐磨混凝土的配合與設(shè)計(jì)

【摘 要】 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，一直以來(lái)，高含沙、高速水流對(duì)水利水電樞紐過(guò)流面混凝土的沖磨破壞是水電工程建設(shè)和運(yùn)行中的疑難問(wèn)題，而高速含沙水流對(duì)過(guò)流面的沖刷磨損、空蝕作用而導(dǎo)致混凝土表面剝蝕又歷來(lái)受到關(guān)注。水利工程往往要求在夾砂河道上修建大型泄洪隧道，而泄洪流速又在10-30m/s，含砂量大于100kg/m？的惡劣條件下，水利水電樞紐磨損及空蝕情況非常嚴(yán)重。本文從實(shí)際工程情況，闡述了抗沖耐磨混凝土從原材料的選擇、施工難點(diǎn)、施工控制、以及施工中遇到的實(shí)際情況，并提出一些可供參考的意見(jiàn)和措施。

【關(guān)鍵詞】 水利水電樞紐；抗沖耐磨混凝土；配合；設(shè)計(jì)

1 水利水電樞紐抗沖耐磨混凝土配合與設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀分析

在水電工程泄水、高速水流區(qū)以及水流流態(tài)很差的部位，易產(chǎn)生紊流流態(tài)，且經(jīng)常受高速水流夾泥、夾砂、夾石長(zhǎng)期反復(fù)的沖刷磨損，造成混凝土磨蝕嚴(yán)重及空蝕現(xiàn)象，縮短水利水電樞紐使用壽命，故應(yīng)采用具有高強(qiáng)及較高抗耐磨特性的混凝土。對(duì)水利水電樞紐破壞情況大型調(diào)查結(jié)果表明：在已建大中型水電工程中有近70％存在沖磨、空蝕破壞。如何提高抗沖耐磨混凝土的抗裂性、抗磨能力，保證抗沖耐磨混凝土的質(zhì)量，減少因混凝土產(chǎn)生的裂縫和原材料質(zhì)量引起的耐磨性所花費(fèi)的修補(bǔ)費(fèi)用，是必須解決的問(wèn)題。水利水電樞紐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(guó)運(yùn)行中的大壩水利水電樞紐有70%由于高速含砂水流的沖刷磨損和空蝕作用，其間存在不同程度的沖磨破壞問(wèn)題，它導(dǎo)致建筑物過(guò)流面表層大面積剝蝕破壞，甚至有嚴(yán)重的安全隱患。為提高水利水電樞紐混凝土的抗沖磨、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(lái)國(guó)內(nèi)多家科研單位先后開展了無(wú)機(jī)膠凝材料類的水利水電樞紐泄水建筑物抗沖磨混凝土研究和應(yīng)用。

2 水利水電樞紐抗沖耐磨混凝土配合與設(shè)計(jì)具體措施

2.1 水利水電樞紐抗沖耐磨混凝土配合與設(shè)計(jì)的材料控制

（1）水泥

在高性能水利水電樞紐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。由于水泥在混凝土中的重要性，要求使用高強(qiáng)度等級(jí)水泥，以減少水泥用量。通常高性能水利水電樞紐抗沖磨混凝土應(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。在配制高強(qiáng)混凝土?xí)r，應(yīng)采用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。根據(jù)前蘇聯(lián)B.H浮克在進(jìn)行了水泥石及水泥砂漿磨損試驗(yàn)，表明硅酸三鈣抗沖磨強(qiáng)度最高，硅酸二鈣最差，鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣性能接近。由于高強(qiáng)混凝土水泥用量大，應(yīng)采用低水化熱水泥。

（2）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，高性能抗沖磨水利水電樞紐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利水電樞紐混凝土要求使用優(yōu)質(zhì)骨料。砂子質(zhì)地堅(jiān)硬、清潔干凈、級(jí)配較好的中、粗砂抗沖耐磨較好。水利水電科學(xué)院試驗(yàn)表明，砂子的細(xì)度模數(shù)從2.31減小到1.26抗沖耐磨降低兩倍。天然砂表面光滑呈圓形，用作細(xì)集料，混凝土中需水量減少，因此高強(qiáng)混凝土優(yōu)先采用天然砂。而粗骨料的選用上應(yīng)選用巖石力學(xué)性能較好的石作為骨料。理想的粗集料是干凈、多棱角、針片狀最少。由于骨料混雜了軟弱顆粒，使混凝土產(chǎn)生了兩種破壞：一是骨料本身的破壞；二是沿骨料和砂漿結(jié)合面破壞。集料的顆粒大小和形狀影響界面粘結(jié)力，因此碎石混凝土的強(qiáng)度比礫石混凝土的強(qiáng)度高。高強(qiáng)混凝土更應(yīng)選擇強(qiáng)度高的骨料。最大粒徑應(yīng)控制在40毫米以內(nèi)。

（3）外加劑

對(duì)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。普通減水劑的減水率在5-8%。不適用配制高強(qiáng)混凝土，而高效減水劑減水率在15-25%以上，可以較大范圍調(diào)整用水量。參加高效減水劑對(duì)混凝土有早強(qiáng)和增強(qiáng)作用。引氣會(huì)降低強(qiáng)度特別是高強(qiáng)混凝土每引氣1%，強(qiáng)度降低5-7%。只有耐久性要求時(shí)才使用引氣劑。

（4）硅粉

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。由于硅粉平均粒徑0.1微米，具有極大的比表面積，及填充性和火山灰活性作用，大大提高了混凝土的各種性能。使混凝土結(jié)構(gòu)緊密，大大的減少了結(jié)構(gòu)內(nèi)部的細(xì)微裂隙和氣泡。摻入硅粉可提高抗耐磨和抗氣蝕性，有關(guān)資料報(bào)道可提高耐磨性3倍、氣蝕性4倍。

（5）粉煤灰

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(duì)配制抗沖磨混凝土十分重要。粉煤灰具有火山灰活性作用，與氫氧化鈣作用生成硅酸鈣凝膠，成為凝膠的一部分。微珠球狀顆粒，具有增大混凝土流動(dòng)性、減少泌水、改善混凝土的和易性。等量取代水泥時(shí)，可節(jié)約水泥并減少混凝土的發(fā)熱量，有利于高水泥用量的混凝土。

2.2 水利水電樞紐抗沖耐磨混凝土配合與設(shè)計(jì)應(yīng)注意的幾點(diǎn)

原材料的控制應(yīng)主要從水泥、骨料、摻合料、外加劑等方面控制，必須是合格的、符合高強(qiáng)混凝土施工條件的。材料稱量一定要準(zhǔn)確，以重量計(jì)量。其次在攪拌工藝中外加劑采用滯后30秒加入法，先加入粗、細(xì)骨料、膠凝材料、水?dāng)嚢韬?0秒，再加入外加劑拌合2分鐘，這是為了避免外加劑被骨料和膠凝材料內(nèi)部空隙的吸收和表面吸附，使外加劑的性能充分發(fā)揮，具有良好的工藝性。另外振搗工藝水灰比小、粘度大、坍落度損失快、早期收縮大對(duì)振搗工藝有較高的要求。現(xiàn)場(chǎng)采用高頻插入式振搗器，適當(dāng)延長(zhǎng)振搗時(shí)間，不漏振，可形成內(nèi)在致密顏色均勻的混凝土。最后在養(yǎng)護(hù)工藝上必須高強(qiáng)混凝土對(duì)養(yǎng)護(hù)要求較高，即要保護(hù)混凝土的保濕工作，又要保證混凝土的保溫工作。混凝土內(nèi)外溫差≤25℃，有條件的可蓄水養(yǎng)護(hù)，是一種好的養(yǎng)護(hù)方法。

3 水利水電樞紐抗沖耐磨混凝土配合與設(shè)計(jì)的總結(jié)

對(duì)水利水電樞紐抗沖耐磨混凝土進(jìn)行配合與設(shè)計(jì)必須要弄清水利水電混凝土沖刷磨損機(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(guò)程中觸及水利水電樞紐過(guò)流面時(shí)對(duì)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(guò)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(guò)流面產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦和沖擊砸撞并在撞擊區(qū)形成很高的局部應(yīng)力，一旦當(dāng)應(yīng)力超過(guò)混凝土內(nèi)聚力時(shí)就會(huì)發(fā)生局部破壞。最重要的一點(diǎn)就是原材料選用分析，因?yàn)榛炷潦且环N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，所以這也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。總而言之水泥混凝土強(qiáng)度的提高選用合理的施工材料進(jìn)行合理的配合與設(shè)計(jì)，并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、引氣劑等外加劑從而保證水利水電樞紐的質(zhì)量，促進(jìn)我國(guó)的發(fā)展。