風沙環境下渠道混凝土沖蝕磨損試驗研究

杜曉虎

(新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

強風環境下夾帶的沙粒對混凝土的結構產生十分嚴重的沖蝕磨損，造成結構混凝土表面產生裂紋甚至脫落，從而大大降低混凝土的結構強度和耐久性，對工程的長久穩定運行帶來重大隱患[1]。

目前，大多數關于混凝土材料的沖蝕磨損研究主要集中于含沙水流對水工混凝土的破壞，在試驗研究方法、沖蝕磨損的機理、評價指標和防治措施上取得了一定的成果和進展[2- 5]。

蔡寶紅針對道路混凝土的耐久性，對其磨損機理進行了詳細分析，并提出了專門的改善措施[6]。高欣欣等將不同直徑的鋼球作為磨損介質，模擬了不同流速和磨粒形態下水工混凝土的磨損率，并認為直徑越大，磨粒的形狀越鋒銳，磨損率越大[7- 8]。王志強等則針對烏魯瓦提水利樞紐工程泄洪排沙洞襯砌混凝土的沖蝕破壞處理機理進行了分析研究，認為混凝土質量和空蝕是引起混凝土破壞結構破壞的主要原因。

對于風沙環境下混凝土的沖蝕磨損研究還比較鮮見，為此，本文采用氣固兩相流沖蝕磨損試驗裝置，對取自某渠道混凝土試件進行了沖蝕磨損試驗，分析了在風沙環境下混凝土的沖蝕磨損行為和機理，為類似渠道工程的建設提供試驗和理論支撐。

1 試驗簡介

本試驗基于氣流挾沙噴射法原理，自制沖蝕磨損試驗裝置，該裝置可以模擬不同風沙環境特征，試驗裝置共分為四個部分：供氣裝置、供沙裝置、噴槍及噴嘴裝置、試樣放置裝置。裝置布置原理如圖1所示。

將取自渠道現場的現制混凝土樣制成100mm×100mm×100mm的正方體試件。根據工程部位的重要性，混凝土試件分為C15、C20、C25和C40四種強度等級，風力等級分為8、9、10、11、12四個等級，對應的風速為17m/s、22m/s、26m/s、31m/s和35m/s，沖蝕角度設置為0°、30°、45°、60°和90°，風中所含沙粒量分別為30g/min、50g/min、70g/min、90g/min、和120g/min 5種。

2 試驗結果分析

將養護28d的混凝土試件清理干凈稱重，然后進行沖蝕試驗，帶試驗完成后再將表面清洗干凈，重新再次稱重，便可確定沖蝕質量。沖蝕率計算公式為：

(1)

式中，wr—沖蝕率，mm3/g；M—試件的質量損失，mg；ρ—混凝土的密度，g/cm3；MP—沙粒的含量，g/min；t—沖蝕的時間，min。

2.1 強度等級對混凝土沖蝕率的影響

沖蝕角度為60°，沖蝕速度為22m/s，含沙量為70g/min，試驗時間為5min后得到的沖蝕率與混凝土強度等級的關系，如圖2所示。從圖2可以看出，混凝土的強度等級對其沖蝕率的影響相差不大，C15、C20、C25和C40強度等級下的沖蝕率分別為3.6mm3/g、3.5mm3/g、3.8mm3/g和3.6mm3/g，表明強度等級不是影響抗沖蝕能力的決定性因素。據有關研究[10]：混凝土的抗沖蝕能力與其粗細骨料的含量和細度模數有關。

圖2 沖蝕率與強度等級的關系

2.2 沖蝕角度對混凝土沖蝕率的影響

當沖蝕速度為22m/s，含沙量為70g/min，試驗時間為5min時，沖蝕率隨沖蝕角度變化的關系如圖3所示。從圖3可以發現，混凝土的沖蝕率隨沖蝕角度呈逐漸上升的趨勢，當沖蝕角度為30°時，混凝土的沖蝕磨損率最小，當沖蝕角度為90°時，混凝土的沖蝕磨損率最大。出現上述情況的原因在于，在沖蝕角度較小時，混凝土的硬度是影響沖蝕磨損性能的主要因素，而在高沖蝕角度時，材料的韌性是影響其抗沖蝕磨損性能的主要因素，由于混凝土為脆性材料，輕度高而韌性低，因此沖蝕率在低沖蝕角度小而在高沖蝕角度下大。

圖3 沖蝕率與沖蝕角度關系

圖4 沖蝕率與風力等級關系

2.3 風力等級對混凝土沖蝕率的影響

正向沖蝕時，混凝土沖蝕率隨風力等級(沖蝕速度)的變化關系，如圖4所示。從圖3中可以看到，沖蝕角度(90°)、時間(5min)、含沙量(70g/min)一定時，混凝土的沖蝕率隨著風力等級的提升基本呈線性增長，風力等級越強，沙粒的動能越大，對試件造成的沖擊損害越明顯，因而沖蝕率越大。

2.4 沖蝕時間對混凝土沖蝕率的影響

當沖蝕速度為22m/s，含沙量為70g/min，沖蝕角度為60°下的沖蝕率隨沖蝕時間的關系如圖5所示。圖5顯示，混凝土的沖蝕率隨著試驗時間的延長而降低，這是因為試件本身的水泥漿強度和硬度均小于沙粒，在試驗之初，造成水泥漿表面脫落，沖蝕率因而較大，隨著試驗時間的延長，表面水泥漿脫落完畢，露出粗骨料，此時的強度和硬度大于沙粒的強度和硬度，從而沖蝕較小，并最終會趨于一個相對恒定值。

圖5 沖蝕率與沖蝕時間的關系

2.5 沙粒含量對混凝土沖蝕率的影響

沖蝕時間為5min，沖蝕角度為60°，沖蝕速度為22m/s時，得到的混凝土沖蝕率

隨含沙量的關系，如圖6所示。從圖6可以觀察到，當沖蝕時間一定時，沖蝕率隨著含沙量的增長呈先減小后增加的趨勢，這是因為當顆粒流量逐漸增大時，沖蝕產生的回彈部分顆粒會與后面的入射沙粒產生交互作用，進而產生不可避免的二次沖蝕作用，這種作用會大大減小顆粒對混凝土材料的沖蝕磨損，因而在沙粒含量較小時，會出現沖蝕率隨含量增加而減小的現象；但當含量增加到一定程度后，反彈的沙粒又會與入射沙粒之間相互碰撞產生二次顆粒，會對試件形成不同角度和方向的二次沖蝕，因而沖蝕率又會隨著含沙量的增加而增加。

圖6 沖蝕率與含沙率的關系

3 結論

文章模擬渠道混凝土處于不同的風沙環境中，對其抗沖蝕磨損性能進行了研究。研究成果如下：(1)混凝土的沖蝕磨損率與強度等級關系不大，而是與混凝土的配合比，尤其是粗細骨料的含量及細度模數相關；(2)風力等級和沖蝕角度對沖蝕率的影響規律一致，均呈線性關系；(3)沖蝕率隨沖蝕速度的增加而呈遞減趨勢，最終會趨于一個恒定值；(4)沖蝕率隨含沙量的增加呈先減后增的趨勢，與沙顆粒的二次回彈有關。

[1] 居春常. 混凝土沖蝕磨損及防護材料試驗研究[D]. 蘭州交通大學, 2014.

[2] 王萬生. 高性能抗磨蝕水工混凝土的試驗研究及應用[J]. 水利技術監督, 2007(02): 56- 59.

[3] 陳雯龍. 水工混凝土耐久性影響因素分析及防治措施[J]. 水利規劃與設計, 2011(05): 35- 38.

[4] 張聰慧. 淺析新疆科克塔斯水庫工程抗沖耐磨混凝土施工質量控制[J]. 水利規劃與設計, 2017(01): 125- 127.

[5] 尹延國, 朱元吉, 胡獻國. 水工混凝土沖蝕磨損試驗方法的研究[J]. 水利水電技術, 2001, 32(03): 15- 18.

[6] 蔡寶紅. 道路混凝土磨損機理及其改善措施[J]. 交通世界, 2012(09): 132- 133.

[7] 高欣欣, 蔡躍波, 丁建彤. 基于水下鋼球法的水工混凝土磨損影響因素研究[J]. 水力發電學報, 2011, 30(02): 67- 71.

[8] 高欣欣, 蔡躍波, 丁建彤. 磨粒形態對水工抗沖磨混凝土磨損程度的影響[J]. 混凝土, 2012(04): 77- 79.

[9] 王志強, 花金星. 烏魯瓦提水利樞紐工程泄洪排沙洞襯砌混凝土沖蝕破壞處理[J]. 水利水電技術, 2003, 34(12): 34- 35.

[10] Momber A. W. The erosion of cement paste, mortar and concrete bygritblasting[J]. Wear, 2000, 246(1- 2): 46- 54.