水利水電樞紐抗沖耐磨混凝土的配合與設計

【摘 要】 隨著我國經濟建設的發展，一直以來，高含沙、高速水流對水利水電樞紐過流面混凝土的沖磨破壞是水電工程建設和運行中的疑難問題，而高速含沙水流對過流面的沖刷磨損、空蝕作用而導致混凝土表面剝蝕又歷來受到關注。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重。本文從實際工程情況，闡述了抗沖耐磨混凝土從原材料的選擇、施工難點、施工控制、以及施工中遇到的實際情況，并提出一些可供參考的意見和措施。

【關鍵詞】 水利水電樞紐；抗沖耐磨混凝土；配合；設計

1 水利水電樞紐抗沖耐磨混凝土配合與設計的現狀分析

在水電工程泄水、高速水流區以及水流流態很差的部位，易產生紊流流態，且經常受高速水流夾泥、夾砂、夾石長期反復的沖刷磨損，造成混凝土磨蝕嚴重及空蝕現象，縮短水利水電樞紐使用壽命，故應采用具有高強及較高抗耐磨特性的混凝土。對水利水電樞紐破壞情況大型調查結果表明：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量，減少因混凝土產生的裂縫和原材料質量引起的耐磨性所花費的修補費用，是必須解決的問題。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。據調查，我國運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題，它導致建筑物過流面表層大面積剝蝕破壞，甚至有嚴重的安全隱患。為提高水利水電樞紐混凝土的抗沖磨、空蝕能力，20世紀60，70年代多采用高分子材料護面。但由于其存在與基底混凝土溫度適應性不好，容易開裂脫落且有毒性、污染環境、施工不便等缺點，80年代以來國內多家科研單位先后開展了無機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用。

2 水利水電樞紐抗沖耐磨混凝土配合與設計具體措施

2.1 水利水電樞紐抗沖耐磨混凝土配合與設計的材料控制

（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。它的優質與否直接影響抗沖磨混凝土物理力學性能和耐久性。由于水泥在混凝土中的重要性，要求使用高強度等級水泥，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首選純硅酸鹽水泥，普通硅酸鹽水泥也可以，水泥標號宜選用42.5級水泥。在配制高強混凝土時，應采用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。根據前蘇聯B.H浮克在進行了水泥石及水泥砂漿磨損試驗，表明硅酸三鈣抗沖磨強度最高，硅酸二鈣最差，鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣性能接近。由于高強混凝土水泥用量大，應采用低水化熱水泥。

（2）骨料

混凝土中的骨料包括粗骨料和細骨料兩種。骨料作為經濟的填充料，在混凝土中占體積的70%-80%。骨料的優劣直接影響混凝土的抗沖磨防空蝕強度。工程應用的骨料品種繁多，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質骨料。砂子質地堅硬、清潔干凈、級配較好的中、粗砂抗沖耐磨較好。水利水電科學院試驗表明，砂子的細度模數從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，用作細集料，混凝土中需水量減少，因此高強混凝土優先采用天然砂。而粗骨料的選用上應選用巖石力學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，使混凝土產生了兩種破壞：一是骨料本身的破壞；二是沿骨料和砂漿結合面破壞。集料的顆粒大小和形狀影響界面粘結力，因此碎石混凝土的強度比礫石混凝土的強度高。高強混凝土更應選擇強度高的骨料。最大粒徑應控制在40毫米以內。

（3）外加劑

對于高性能抗沖磨防空蝕混凝土要求有高的強度、好的抗滲性和穩定的體積。滿足這些性能不能只靠增加水泥用量提高強度，應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%。不適用配制高強混凝土，而高效減水劑減水率在15-25%以上，可以較大范圍調整用水量。參加高效減水劑對混凝土有早強和增強作用。引氣會降低強度特別是高強混凝土每引氣1%，強度降低5-7%。只有耐久性要求時才使用引氣劑。

（4）硅粉

由于硅粉顆粒很細，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先采用硅粉活性細摻料。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。使混凝土結構緊密，大大的減少了結構內部的細微裂隙和氣泡。摻入硅粉可提高抗耐磨和抗氣蝕性，有關資料報道可提高耐磨性3倍、氣蝕性4倍。

（5）粉煤灰

粉煤灰的摻用可以節省水泥用量，更能改善混凝土性能。優質粉煤灰的顆粒非常細小，可以填充混凝土孔隙，并發生水化熱產生物理作用和化學作用，提高混凝土耐久性和抗沖蝕能力，為此摻用優質粉煤灰對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性、減少泌水、改善混凝土的和易性。等量取代水泥時，可節約水泥并減少混凝土的發熱量，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計應注意的幾點

原材料的控制應主要從水泥、骨料、摻合料、外加劑等方面控制，必須是合格的、符合高強混凝土施工條件的。材料稱量一定要準確，以重量計量。其次在攪拌工藝中外加劑采用滯后30秒加入法，先加入粗、細骨料、膠凝材料、水攪拌后30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部空隙的吸收和表面吸附，使外加劑的性能充分發揮，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、早期收縮大對振搗工藝有較高的要求。現場采用高頻插入式振搗器，適當延長振搗時間，不漏振，可形成內在致密顏色均勻的混凝土。最后在養護工藝上必須高強混凝土對養護要求較高，即要保護混凝土的保濕工作，又要保證混凝土的保溫工作。混凝土內外溫差≤25℃，有條件的可蓄水養護，是一種好的養護方法。

3 水利水電樞紐抗沖耐磨混凝土配合與設計的總結

對水利水電樞紐抗沖耐磨混凝土進行配合與設計必須要弄清水利水電混凝土沖刷磨損機理，水流中的懸移質泥砂顆粒較小，在高速水流的紊動作用下與水充分混合，非常均勻地與水流一起運動，在移動過程中觸及水利水電樞紐過流面時對混凝土產生磨損、切削和沖撞。隨著磨損剝離程度的增加，過流面產生凹凸不平的磨損坑，高速水流受到擾動進而加劇沖磨破壞的進程，并同時產生空蝕破壞。水流中的推移質在高速水流作用下以滑動、滾動及跳動等方式與過流面產生滑動摩擦和沖擊砸撞并在撞擊區形成很高的局部應力，一旦當應力超過混凝土內聚力時就會發生局部破壞。最重要的一點就是原材料選用分析，因為混凝土是一種以膠凝材料、水、砂石骨料及摻合料、外加劑混合形成的一個多相體，所以這也決定這種多相體的抗沖磨主要有兩個方面的性能，一個是組成材料本體的抗沖磨性能，另一個是各種材料相互結合是否牢固的性能。后一個性能可以用混凝土的強度代表，而提高本體材料抗沖磨性能需要采用堅硬的骨料。總而言之水泥混凝土強度的提高選用合理的施工材料進行合理的配合與設計，并在保證混凝土的耐久性、經濟性和體積穩定性的基礎上，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量，促進我國的發展。