1、浅谈高速水流对水工混凝土结构的影响与对策摘要：随着社会的发展与进步，重视高速水流对水工混凝土结构的影响与对策对于现实生活中具有重要的意义。本文主要介绍高速水流对水工混凝土结构的影响与对策的有关内容。 关键词高速水流；水工混凝土；结构；磨损；试验； 中图分类号：TV131.3 文献标识码： A 文章编号： 引言 近年来我国为开发水利水电资源, 许多高水头水利枢纽建于或将建于多泥沙水流中。由于高速含沙水流对水工建筑物表面的冲击、摩擦及切削等作用, 使得建筑物表面不断被磨损, 这已成为我国水工建筑物砼表面的主要病害之一。水工砼材料的抗冲击磨损问题, 由于影响因素多、实验周期长、成本高, 并且很难做到
2、室内试验模型和实际工况条件的统一, 致使其机理和规律的研究还不够深入。目前, 国内外学者主要从两方面对水工砼材料的抗冲磨损问题进行研究。 一、磨损理论模型概述 可以把水工砼表面受到水流与沙石的冲击、摩擦、冻融、腐蚀等的综合作用而产生磨损的进展情况,用以下的模型来描述 ( 如图 1 所示) 。磨损首先从砼表面的砂浆部分开始。随表面砂浆逐渐磨损掉, 粗骨料不断露出表面, 此时砂浆和粗骨料共同承担水流的冲磨作用。由于两者耐磨性能的差异, 使得耐磨性能好的粗骨料逐渐凸出, 而水泥砂浆不断磨损, 逐渐形成凹坑, 从而使水流的冲磨作用主要由凸出的粗骨料承担。随着骨料凸出程度增加, 骨料与水泥石承受冲磨作用
3、力的差别也随之增大, 而两者的磨损速度则逐渐趋于稳定。随着磨损的持续, 当表面凹凸不平的程度 达到粗骨料难于与水泥砂浆连成一体时, 粗骨料脱离基体被冲走, 水泥石承受的冲磨作用力增大, 磨损加剧, 直至下一层粗骨料再次露出表面, 重新达到新的平衡。如此反复进行, 使得砼不断被磨损。 砼是一种非均质多组分的脆性复合材料, 并含有大量的缺陷, 这里可以把砼看成是由三相复合而成的, 即由骨料、水泥浆以及界面过渡层所组成。一般情况下砼中骨料的强度与耐磨性高于基体, 其形状和大小对耐磨性有一定的影响。骨料表面愈粗糙, 与基体的结合愈好, 砼的耐磨性愈高。大量的实验结果表明, 骨料最大粒径 Dmax 小于
4、 10 mm 时, 易于拔出, 其对砼的耐磨贡献率降低; 而当 Dmax 过大时, 骨料与水泥浆体的界面增大, 缺陷增多, 也易于从基体中拔出, 同时在基体表面留下较大的凹坑。进入凹坑中的砂砾由于高速水流而转动, 使砼受到洗挖, 磨损加剧。骨料与水泥浆体的界面层( 20 25 m) 是相对薄弱的环节, 它由粗大的 Ca(OH)2 与钙矾石结晶及少量的 C- S- H 凝胶组成, 并含许多粗大的空隙和其它缺陷, 强度不好。改善砼中骨料与水泥浆体的界面状态是提高砼耐磨性的重要途径。砂浆是砼的粘接相和承载基体, 在砼的磨损过程中它首先被磨损掉, 并在其后的磨损过程中控制着砼的磨损进程。可以说, 砼的
5、耐磨性主要取决于水泥砂浆的耐磨性。若能把砼中砂浆的耐磨性能提高到高于砼本身及粗骨料本身的耐磨性的话, 就能制造出高耐磨性的砼。砼表面和亚表面以及其内部都含有大量的缺陷,包括裂纹、空隙、气泡、界面和夹杂物等。水泥浆体中的孔隙与界面过度层是砼材料的主要缺陷, 对砼的各项力学性能以及耐久性能有较大的影响。研究砼的缺陷, 孔隙率是常被采用的参数。随着孔隙率的降低,砼的各项性能都将得到提高, 特别是抗压强度提高几乎与孔隙率的降低成线性关系。同样, 砼的磨损破坏过程也与基体中的孔隙及界面过渡层等缺陷紧密相关。高速水流中的砂石反复冲击表面产生高的接触应力, 在砼缺陷部位产生较大的应力集中, 于是微细裂缝就从
6、这些部位产生或扩展。当表层或亚表层的多条微裂纹扩展直至连成一体时, 就导致被磨损粒子的产生,并脱离表面。阻止微裂纹的产生与扩展就能减轻砼的磨损。钢纤维加到砼中, 能阻止砼中原有微裂纹的引发, 又能对基体中的微裂纹扩展产生阻滞效应, 达到增强、增韧和阻裂的效果, 因而能减轻磨损。所以, 钢纤维砼在提高水工建筑物耐磨性方面的成功应用充分说明了砼的耐磨性与微裂纹的发生和发展密切相关。 二、磨损试验 这里, 我们以掺入高效减水剂和硅灰为技术途径而配制的砼为研究对象, 探讨其抗磨性能与各种影响因数的关系。按标准方法分别配置 5 种不同组分的砼试样, 其养护龄期分别为 3d、7d、28d 和 56d, 具
7、体的材料配比和抗压强度如表 1 所示。 由表 1 可见, 2 号试样与 1 号试样相比, 加入高效减水剂后使各龄期的强度均提高了 30%以上。3、4、5 号试样在掺入相同减水剂及水灰比一样的条件下, 又分别掺加了 5%、10%、15% 的硅灰, 其 28d 抗压强度分别提高了 69 2%、88 5%、92 3%。当硅灰的掺合量超过 10%时, 对砼强度增加的贡献减小, 故硅灰的掺入量一般以不超过 10%为宜。 在模拟高速水流的实验设备上进行砼的冲刷磨损试验, 固定流速为 30m/ s, 并在水流中分别加入了 1% 、3% 、5% 和 10% 的河砂, 试验时砼试样的龄期为 28d, 试验经时
8、8h, 试验结果如表 2 所示。试验表明, 含沙量越大, 冲刷磨损越厉害。然而,磨损量与高速水流中的含沙量并不呈线性关系, 含沙量从 1% 5%时, 磨损量增加较大, 而含沙量从 5%10% 时, 磨损量的增加趋缓。这可能是由于水中的含沙量较大时, 并不是所有的砂粒都能对砼表面产生冲刷作用, 后面的砂粒有可能与前面的砂粒相互碰撞, 损失一部分能量, 从而减缓对砼表面的磨损作用。高效减水剂和硅灰的加入, 对提高砼的抗冲刷磨损性能是显著的, 尤其是硅灰的作用更为明显。当硅灰含量为 10%时, 砼的抗冲刷磨损性能大约提高了一倍左右, 硅灰的含量继续增加时, 减磨作用已不明显,这与硅灰的增强效应基本是
9、一致的。 在保持砼所要求的流动性条件下, 高效减水剂的掺入能明显降低砼的用水量, 从而使水灰比降低 , 硬化后砼的内部缺陷减少 , 强度提高, 耐磨耐蚀性能也相应提高。而硅灰在砼中则起着两种作用。一是与水泥石中的游离石灰以及高碱性水化硅酸钙产生二次反应, 生成低碱性水化硅酸钙, 并消耗大量的 CH 晶体, 改善了水泥石的微观结构, 增强了水泥石和其他组分的界面结合; 二是由于其粒度极细, 可作为堵塞孔隙的填料而填充在水泥颗粒之间的孔隙中, 使水泥石更加致密。图 2 为 Scivener 等人给出的界面区的孔隙率分布, 可以看出, 硅灰的掺入主要是降低界面过渡区的孔隙率, 即在硅灰砼中, 致密结
10、构可扩展到骨料表面, 从而大大消除了过渡区的不均衡性。这样, 在高速浑水水流的冲刷下, 界面过渡区不会成为主要的裂纹源而首先引起磨损。 三、结束语 水工砼抗冲刷磨损性能的研究还不够深入。本文初步探讨了活性硅灰和高效减水剂对水工砼的强度和耐冲刷磨损性能的影响, 结果表明, 活性硅灰和高效减水剂的共同加入, 能显著提高砼的抗冲刷磨损性能。 参考文献 1 林宝玉, 刘家峡水电站泄水道抗气蚀抗冲磨材料现场试验总结,水利水电技术, 1985 年 No. 9, 20 23 2 尹延国等, 水工砼的孔蚀与防护, 混凝土, 1998 年 No. 5, 29 31 3 王世夏, 高速含沙水流掺气抗磨作用的研究, 人民黄河, 1990 年 No. 3, 39 43 4 廖碧娥、白福来, 铸石混凝土( 砂浆) 的性能及其在泄水建筑物中的应用, 水利水电技术, 1993 年 No. 4, 6 8 5 廖碧娥, 提高抗冲耐磨混凝土性能的机理和途径, 水利水电技术, 1993 年 No. 9, 25 29 6 Tony. C. Liu, Abrasion resistance of concrete, J. Am. Concr. Inst. ,1981, 78( 5) : 341 350
