外摻料對(duì)水工抗沖磨混凝土體積穩(wěn)定性的影響

申宏波，張建峰

（1.華電金沙江上游水電開發(fā)有限公司，四川成都 610041；2.長江科學(xué)院 水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，湖北武漢 430010）

1 研究背景

隨著我國水利水電建設(shè)逐漸向西南地區(qū)轉(zhuǎn)移，一批大庫容、高水頭的大型水電站陸續(xù)開工建設(shè)。這些水電站都具有“高水頭、大流量、高推移質(zhì)”的特點(diǎn)，在水電工程泄水建筑物高速水流區(qū)以及水流流態(tài)很差的部位，易產(chǎn)生紊流流態(tài)，且受到高速水流夾泥、夾沙、夾石長期反復(fù)的沖刷磨損，造成混凝土磨蝕及空蝕現(xiàn)象，縮短建筑物使用壽命，故應(yīng)采用具有高強(qiáng)及較高抗耐磨特性的混凝土[1]。對(duì)水工建筑物破壞情況的調(diào)查結(jié)果表明，近70%的已建大中型水電工程存在沖磨、空蝕破壞[2]，有的泄水建筑物不僅自身受到破壞，而且危及其他建筑物的安全，其中豐滿、三門峽、劉家峽、龔嘴等工程，雖經(jīng)修補(bǔ)還是屢遭破壞。解決泄水建筑物的安全泄洪、充分消能和減輕下游沖刷等問題十分重要，對(duì)配制高性能抗沖耐磨混凝土、提高抗沖磨材料的抗裂性、抗沖磨能力和易施工性等均提出了更高的要求。

為解決泄水建筑物沖磨破壞的問題，國內(nèi)外眾多學(xué)者提出多種方法。從20世紀(jì)60年代開始，國內(nèi)已將環(huán)氧樹脂、呋喃樹脂、丙烯酸酯樹脂、不飽和聚酯樹脂砂漿等用于水工建筑物抗含沙水流的沖磨破壞，其主體思路是通過提高混凝土的抗壓強(qiáng)度來提高其抗沖磨性能。然而實(shí)踐表明，在流速大于30 m/s的含沙水流作用下，環(huán)氧樹脂砂漿等屢遭破壞[2]。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，以纖維、硅粉混凝土或改進(jìn)性硅粉混凝土為主的抗沖磨混凝土得到普遍應(yīng)用，其優(yōu)良的抗沖磨性能先后在葛洲壩、二灘、小浪底工程中得到證明[3]。在混凝土中摻入硅粉改善了其自身性質(zhì)，使混凝土基體對(duì)鋼纖維和骨料之間的界面黏結(jié)力增強(qiáng)，混凝土的孔隙率下降，水泥石更加堅(jiān)固密實(shí)，從而顯著提高了混凝土的抗沖磨能力[4-5]。該方法在使用過程中也暴露出一些缺點(diǎn)，即硅粉抗沖磨混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展快，中后期強(qiáng)度增長微小，水化熱集中釋放，干縮和自干燥吸縮大，極易發(fā)生裂紋[6]。抗沖磨混凝土往往會(huì)摻入多種材料來相互彌補(bǔ)自身的不足，發(fā)揮自身的特點(diǎn)，如在混凝土中摻入纖維、膨脹劑和抗沖磨劑等，這些外摻料對(duì)抗沖磨混凝土性能的影響還需進(jìn)一步研究。本文通過對(duì)比在加入外摻料后抗沖磨混凝土極限拉伸值、干縮變形以及自生體積變形的變化規(guī)律，探討外摻料對(duì)抗沖磨混凝土體積穩(wěn)定性的影響，為抗沖磨混凝土的材料選擇提供依據(jù)。

2 原材料與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用四川嘉華企業(yè)（集團(tuán)）股份有限公司生產(chǎn)的P·LH42.5低熱硅酸鹽水泥、盤南發(fā)電廠I級(jí)粉煤灰、成都彩訊科技有限公司生產(chǎn)的彩訊硅粉、江蘇能力科技有限公司生產(chǎn)的聚乙烯醇纖維PVA、浙江龍游五強(qiáng)混凝土外加劑有限責(zé)任公司（以下簡稱“龍游五強(qiáng)”）生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑ZB-1C800（液體）和甘肅巨才電力技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HF高強(qiáng)耐磨粉煤灰混凝土專用HF抗沖磨劑。骨料均取自兩河口瓦支溝料場(chǎng)的砂巖人工骨料。水泥、粉煤灰和硅粉的化學(xué)組成見表1。

表1 水泥、粉煤灰和硅粉的化學(xué)組成 %

試驗(yàn)使用的混凝土基準(zhǔn)配合比為：二級(jí)配混凝土、水膠比0.30、低熱水泥混凝土單位用水量132kg/m3、中熱水泥混凝土單位用水量135 kg/m3、粉煤灰摻量20%、砂率33%，摻入硅粉和纖維后，單位用水量略有增加，HF抗沖磨劑替代減水劑。混凝土的彈模、極限拉伸值、干縮率和自生體積變形的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)結(jié)果處理按照DL/T 5150-2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[7]的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 外摻料對(duì)抗壓彈模和極限拉伸值的影響

添加不同外摻料抗沖磨混凝土的抗壓彈模和極限拉伸值見表2和圖1。

表2 抗沖磨混凝土抗壓彈模和極限拉伸值

圖1 抗壓彈模和極限拉伸值對(duì)比

由表2可以看出：摻加硅粉、PVA纖維和HF抗沖磨劑均能提高抗沖磨混凝土90 d、180 d齡期極限拉伸值和抗壓彈模，其中硅粉和纖維復(fù)摻對(duì)極限拉伸值的提升效果最為明顯，90 d和180 d齡期極限拉伸值增長15%以上，而抗壓彈模的增長幅度都不超過10%。這是因?yàn)楣璺墼诨炷林兄饕饍煞N效應(yīng)[8]：①硅粉粒徑比水泥顆粒小，在高效減水劑作用下硅粉充分分散到水泥顆粒中，使水泥石結(jié)構(gòu)的密實(shí)性增加，隨之帶來一系列性能的改善，如強(qiáng)度、抗?jié)B、抗凍和抗沖磨性能。②水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣與硅粉中的活性二氧化硅發(fā)生二次水化反應(yīng)，最后主要生成的是以C-S-H為主的水化硅酸鈣凝膠。凝膠填充在微隙中，使硅粉混凝土密實(shí)性大大提高，而且C-S-H凝膠的強(qiáng)度高于氫氧化鈣晶體，從而提高了硅粉混凝土的強(qiáng)度。由于混凝土的彈性模量和極限拉伸值與混凝土的強(qiáng)度密切相關(guān)[9]，摻加硅粉、PVA纖維和HF抗沖磨劑后，抗沖磨混凝土的強(qiáng)度得到了提高，相同條件下，混凝土強(qiáng)度越高，其極限拉伸值和彈性模量也越大。

3.2 外摻料對(duì)干縮率的影響

摻加不同外摻料后，抗沖磨混凝土的干縮率見表3和圖2。由表3可以看出：①摻加硅粉、PVA纖維和HF抗沖磨劑均能提高抗沖磨混凝土的干縮率，這是由于摻入這3種外摻料后，抗沖磨混凝土的單位用水量有一定增加，膠凝材料也相應(yīng)增加，導(dǎo)致混凝土干縮率增加。②抗沖磨混凝土干縮率主要在60 d齡期以前增長較多，60 d齡期增長幅度基本不變，因?yàn)楣璺刍炷猎缙诘乃磻?yīng)加快，干縮加大，且隨著硅粉摻量的增大而增大，但后期（60 d以后）因硅粉混凝土孔隙細(xì)小、結(jié)構(gòu)致密、水分遷移困難、體積變化趨勢(shì)相對(duì)平緩，其收縮量與普通混凝土相近或減小。

表3 抗沖耐磨混凝土干縮率

圖2 抗沖磨混凝土干縮率變化規(guī)律

3.3 外摻料對(duì)自生體積變形的影響

摻加不同外摻料的抗沖磨混凝土的自生體積變形見圖3。由圖可知：①在觀測(cè)齡期內(nèi)，摻入硅粉、PVA纖維和HF抗沖磨劑等抗沖磨混凝土的自生體積變形均呈一致性收縮，至210 d齡期，自生體積變形收縮量在-70×10-6～112×10-6之間。②摻加硅粉使得混凝土自生體積收縮變形進(jìn)一步增大，210 d齡期收縮量均超過100×10-6。③PVA纖維和HF抗沖磨劑對(duì)混凝土自生體積變形影響較小，這是因?yàn)榛炷磷陨w積變形主要是由膠凝材料的水化引起的，而摻入硅粉后，硅粉立即與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2發(fā)生二次水化反應(yīng)（即火山灰反應(yīng)），生成C-S-H凝膠體，既消耗了水化水泥漿體里的Ca（OH）2，又使C-S-H凝膠體（火山灰反應(yīng)的生成物）增多，且硅粉還能與水化水泥漿體中另一種水化產(chǎn)物C-S-H凝膠體（又稱傳統(tǒng)C-S-H凝膠體）反應(yīng)，生成低Ca/Si的新C-S-H凝膠體（又稱火山灰C-S-H凝膠體）[10]，這些反應(yīng)都進(jìn)一步增加了混凝土的收縮。

圖3 抗沖磨混凝土自生體積變形變化規(guī)律

4 結(jié)論

（1）PVA纖維、硅粉和和HF抗沖磨劑等外摻料對(duì)抗沖磨混凝土的體積穩(wěn)定性影響較為顯著，其中硅粉的影響最大，HF抗沖磨劑次之，纖維的影響較小。

（2）PVA纖維、硅粉和和HF抗沖磨劑等外摻料在提升混凝土極限拉伸值和抗壓彈模，增強(qiáng)混凝土抗裂能力的同時(shí)，也增大了混凝土的收縮變形，加大了混凝土的開裂風(fēng)險(xiǎn)。因此抗沖磨混凝土在選擇外摻料時(shí)應(yīng)綜合考慮其對(duì)混凝土性能的影響。