水工混凝土抗沖磨性能試驗研究

張紅光

(北票市東官營鎮(zhèn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心,遼寧 北票 122100)

0 引 言

水工建筑物的溢流面、泄水口等部位受高速含沙水流沖刷破壞致使表面出現(xiàn)凹坑、麻面甚至大范圍墻體剝落的情況,這將大大縮短水工結(jié)構(gòu)使用年限,對工程安全造成嚴(yán)重影響[1]。在泄水過程中,有的高水頭大型電站水流速度可以達(dá)到40～50m/s,要抵御沖蝕破壞就需要使用抗沖磨性能更高的混凝土。研究表明,骨料、水泥石基體及其界面處存在的弱耐磨和各種缺陷區(qū)域是導(dǎo)致沖蝕破壞的根本原因[2-3]。如買淑芳等研究發(fā)現(xiàn)抗壓強(qiáng)度在一定程度上決定著混凝土的抗沖磨性能,其抗沖磨能力與骨料、膠材性能等因素存在密切聯(lián)系;Hu等定量分析了水泥砂漿物相組成和孔隙率受沖刷-溶蝕共同作用的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨沖刷流速的增大混凝土水化產(chǎn)物含量和表層密實度呈現(xiàn)先下降后上升的變化特征;有學(xué)者認(rèn)為[6]漿體表面的微觀結(jié)構(gòu)狀況顯著影響著混凝土抗沖磨強(qiáng)度[4-6]。采用抗沖磨外加劑可以增強(qiáng)耐磨區(qū)域的表層硬度、力學(xué)強(qiáng)度和抗沖磨性能,有效降低混凝土表面開裂風(fēng)險。

目前,水工混凝土中比較常用的抗沖磨劑有減水劑類、硅粉類和鋼纖維類3種,其中減水劑類的工作性調(diào)整難度大、功能單一,并且與其他材料的配伍性較差;硅粉類的早期放熱量大且摻量較高時易引起開裂問題;鋼纖維類存在成本較高、難分散且施工不便等問題[7-8]。因此,在實際應(yīng)用時傳統(tǒng)抗沖磨劑都存在一些不足,加之國內(nèi)現(xiàn)有抗沖磨劑的產(chǎn)品質(zhì)量層次不齊,類型多樣,文章自主研制一種能夠產(chǎn)生微膨脹補(bǔ)償混凝土收縮,減水效果良好,早期水化放熱相較于硅粉明顯下降的SY-05抗沖磨劑,試驗探討粉煤灰、硅灰摻量以及SY-05抗沖磨外加劑對水工混凝土抗壓強(qiáng)度、抗凍和抗沖磨性能的影響,以期為抗沖磨水工混凝土配制及其配合比設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1)水泥。采用“烽火牌”P·O 42.5級普硅水泥,安定性合格,標(biāo)稠用水量28.1%,其主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 水泥的主要性能指標(biāo)

2)粉煤灰。選用葫蘆島市某電廠生產(chǎn)的F類Ⅱ級粉煤灰,經(jīng)檢測粉煤灰細(xì)度20.5%,燒失量2.8%,需水量比103%,含水量0.7%,三氧化硫0.51%,28d活性指數(shù)77%。

3)硅灰。采用海城市超細(xì)石粉廠提供的微硅灰,比表面積22000m2/kg,SiO2含量96.1%,密度2.1g/cm3,堆積密度200～500kg/m3,為保證較好的經(jīng)濟(jì)性和抗沖磨性,其推薦摻量為8%～15%。

4)集料。試驗選用葫蘆島市建材廠提供的人工砂和石灰?guī)r碎石,細(xì)度模數(shù)2.82,石粉含量6.4%,含泥量2.1%,表觀密度2610kg/m3,MB值1.4。碎石級配5～30mm,壓碎指標(biāo)6.0%,吸水率0.85%,針片狀含量5.2%,含泥量0.24%,表觀密度2720kg/m3,硫化物0.12%。

5)外加劑。采用自主研發(fā)的SY-05抗沖磨劑和市場上購買的聚羧酸高效減水劑(推薦摻量0.5～1.5%),SY-05抗沖磨劑主要是由活性憎水礦粉、高分子膠粉、抗裂減縮和高效減水組分,經(jīng)一系列加工處理制成的粉狀外加劑,推薦摻量2%～5%,經(jīng)試驗檢測其主要性能指標(biāo)符合《水工混凝土外加劑技術(shù)規(guī)程》有關(guān)要求,如表2所示。

表2 外加劑的主要性能參數(shù)

1.2 配合比設(shè)計

為了探究水工混凝土抗沖磨性受SY-05抗沖磨劑和粉煤灰、硅灰摻量的影響規(guī)律,結(jié)合試驗?zāi)康暮汀端せ炷僚浜媳仍O(shè)計規(guī)程》設(shè)計試驗配合比如表3所示。

表3 配合比設(shè)計

2 結(jié)果與分析

參照《水工混凝土試驗規(guī)程》中的圓環(huán)法(含沙水流抗沖試驗)和相關(guān)操作流程測定各組試件的抗沖磨性、抗凍性及抗壓強(qiáng)度,如表4所示。

表4 抗沖磨混凝土性能測試結(jié)果

由表2可知,相同膠材用量條件下,相較于基準(zhǔn)組摻高效減水劑和粉煤灰(S1～S4組)會降低混凝土抗壓強(qiáng)度,雙摻粉煤灰與硅灰(H1～H3組)對提高試件早期強(qiáng)度的作用效果不大,但能夠明顯增加28d后期強(qiáng)度。摻SY-05抗沖磨劑和粉煤灰(K1～K4組)條件下,粉煤灰摻量不超過20%時可以在一定程度上提高混凝土強(qiáng)度,說明摻入SY-05抗沖磨劑有利于增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度。混凝土的抗壓強(qiáng)度與抗沖磨性能存在正相關(guān)性,所以摻SY-05自制抗沖磨劑配制混凝土抗沖磨性能與摻硅灰、粉煤灰混凝土相當(dāng),均優(yōu)于基準(zhǔn)對照組。另外,摻SY-05自制抗沖磨劑混凝土具有更低的水化熱和更好的早期抗裂性,拌合物的和易性較好,其成本相較于水泥更低。綜上分析,本研究認(rèn)為摻粉煤灰與SY-05抗沖磨劑混凝土的經(jīng)濟(jì)技術(shù)性能整體較好。

水工混凝土結(jié)構(gòu)受施工方案、管護(hù)方法、原材品質(zhì)、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)等因素影響都或多或少的存在裂縫問題,庫水與裂縫貫通形成射流或滲流會污染壩體內(nèi)部廊道甚至造成結(jié)構(gòu)應(yīng)力條件的改變,使得整體抗沖蝕能力明顯下降,對水工結(jié)構(gòu)美觀性和安全可靠性產(chǎn)生影響。所以,為提高抗沖磨性應(yīng)確保體積穩(wěn)定性,現(xiàn)有研究主要采用干縮和自生體積變形指標(biāo)進(jìn)行分析。結(jié)果顯示,摻SY-05抗沖磨劑可以降低混凝土干縮變形,干縮90d時摻SY-05抗沖磨劑試件變形相較于基準(zhǔn)組可以減小15.8%,并且膠材的水化反應(yīng)也會改變混凝土體積。究其原因是混凝土中的砂漿可以與SY-05抗沖磨劑充分反應(yīng),水化形成的C-S-H凝膠提高了混凝土的整體黏結(jié)性能,抑制了裂縫的形成與發(fā)展,其抗變形能力明顯提高。

3 結(jié) 論

文章通過試驗探討了SY-05自制抗沖磨劑對水工混凝土的影響,結(jié)果顯示SY-05外加劑可以有效增強(qiáng)混凝土的抗沖磨性與抗壓強(qiáng)度,其抗沖磨性與摻粉煤灰、硅灰混凝土相當(dāng),并且具有更低的水化熱和更好的早期抗裂性,拌合物的和易性較好,其成本相較于水泥更低,材料可獲取性好,對于配制高抗沖磨水工混凝土具有廣泛的應(yīng)用前景。