水工混凝土抗沖磨性能試驗研究

張紅光

(北票市東官營鎮產業發展服務中心,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構使用年限,對工程安全造成嚴重影響[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域是導致沖蝕破壞的根本原因[2-3]。如買淑芳等研究發現抗壓強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,結果發現隨沖刷流速的增大混凝土水化產物含量和表層密實度呈現先下降后上升的變化特征;有學者認為[6]漿體表面的微觀結構狀況顯著影響著混凝土抗沖磨強度[4-6]。采用抗沖磨外加劑可以增強耐磨區域的表層硬度、力學強度和抗沖磨性能,有效降低混凝土表面開裂風險。

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,在實際應用時傳統抗沖磨劑都存在一些不足,加之國內現有抗沖磨劑的產品質量層次不齊,類型多樣,文章自主研制一種能夠產生微膨脹補償混凝土收縮,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計提供數據支持。

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,標稠用水量28.1%,其主要性能指標如表1所示。

表1 水泥的主要性能指標

2)粉煤灰。選用葫蘆島市某電廠生產的F類Ⅱ級粉煤灰,經檢測粉煤灰細度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77%。

3)硅灰。采用海城市超細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,為保證較好的經濟性和抗沖磨性,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巖碎石,細度模數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,經一系列加工處理制成的粉狀外加劑,推薦摻量2%～5%,經試驗檢測其主要性能指標符合《水工混凝土外加劑技術規程》有關要求,如表2所示。

表2 外加劑的主要性能參數

1.2 配合比設計

為了探究水工混凝土抗沖磨性受SY-05抗沖磨劑和粉煤灰、硅灰摻量的影響規律,結合試驗目的和《水工混凝土配合比設計規程》設計試驗配合比如表3所示。

表3 配合比設計

2 結果與分析

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

表4 抗沖磨混凝土性能測試結果

由表2可知,相同膠材用量條件下,相較于基準組摻高效減水劑和粉煤灰(S1～S4組)會降低混凝土抗壓強度,雙摻粉煤灰與硅灰(H1～H3組)對提高試件早期強度的作用效果不大,但能夠明顯增加28d后期強度。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度,說明摻入SY-05抗沖磨劑有利于增強混凝土強度。混凝土的抗壓強度與抗沖磨性能存在正相關性,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,均優于基準對照組。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,本研究認為摻粉煤灰與SY-05抗沖磨劑混凝土的經濟技術性能整體較好。

水工混凝土結構受施工方案、管護方法、原材品質、設計標準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部廊道甚至造成結構應力條件的改變,使得整體抗沖蝕能力明顯下降,對水工結構美觀性和安全可靠性產生影響。所以,為提高抗沖磨性應確保體積穩定性,現有研究主要采用干縮和自生體積變形指標進行分析。結果顯示,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組可以減小15.8%,并且膠材的水化反應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,水化形成的C-S-H凝膠提高了混凝土的整體黏結性能,抑制了裂縫的形成與發展,其抗變形能力明顯提高。

3 結 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,結果顯示SY-05外加劑可以有效增強混凝土的抗沖磨性與抗壓強度,其抗沖磨性與摻粉煤灰、硅灰混凝土相當,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用前景。