高抗沖磨橡膠混凝土在前坪水庫導流洞的應用

羅福生 郝二峰 歷從實 馮凌云 皇甫澤華

（1.河南省水利第二工程局 鄭州 450016 2.河南省前坪水庫建設管理局 鄭州 450000 3.河南省水利科學研究院 鄭州 450003）

1 前言

含沙高速水流對水工建筑物過流表面混凝土的沖磨和空蝕破壞，是水工泄流建筑物如溢洪道、溢流壩、泄洪洞等常見的病害，尤其是當水流流速較高且水流中又夾帶著懸移質或推移質時，對水工建筑物的沖磨、空蝕破壞就更為嚴重。隨著我國水利行業的發展，因壩高、流速、水頭等逐漸增大而發生的沖磨破壞的事例也不斷增多，研發出具有較高抗沖磨性能的混凝土，是我國水工混凝土材料研究領域亟待解決的重要課題。

為提高混凝土的抗沖磨性，在混凝土中加入摻合料是一種常用的技術手段：一種是在混凝土中摻入鋼纖維、聚丙烯纖維等，通過增強混凝土的阻裂作用來提高其抗沖磨性；另一種是在混凝土中摻入硅粉、粉煤灰和細礦渣粉等，通過增強混凝土的強度和密實性來提高其抗沖磨性。這兩種方法應該歸類為通過提高混凝土的強度，實現混凝土抗沖磨性的提高，是一種以“硬”克“硬”方法。橡膠混凝土是將橡膠顆粒摻入混凝土的一種新型建筑材料，目前對其抗沖磨性能的研究已有報道，認為橡膠混凝土可以提高混凝土的抗沖磨強度，很明顯它是一種以“軟”克“硬”新方法。

本文介紹高抗沖磨橡膠混凝土在前坪水庫導流洞的應用情況，重點說明高抗沖磨橡膠混凝土在拌合、澆筑過程中的施工工藝、工作性能、抗沖磨性能和表觀情況，為高抗沖磨橡膠混凝土在水利工程中的推廣應用提供工程參考。

2 實施方案

2.1 工程概況

前坪水庫是國務院批準的172項重大水利工程之一，位于淮河流域沙潁河主要支流北汝河上游洛陽市汝陽縣，是一座的以防洪為主，結合供水、灌溉，兼顧發電的大（2）型水利樞紐工程。主要建筑物包括主壩、副壩、溢洪道、泄洪洞、輸水洞、電站等。總庫容5.84億m3，控制流域面積1325km2，最大壩高90.3m，工程等別為II等。

前坪水庫導流洞布置在大壩右岸山體，工程包括進口明渠段、控制段、洞身段、消能工段及尾水渠段五部分。導流洞軸線總長度約1128m，其中進口明渠段長約387m，控制段長10m，洞身段長341m，出口消能段長140m，尾水渠段長250m。進口底板高程為343.0m，閘孔尺寸為7.0m×9.8m（寬×高），洞身采用城門洞型，斷面尺寸為7.0m×7.2m＋2.6m（寬×直墻高＋拱高），隧洞出口底板高程342.0m，采用底流消能，導流洞消力池末端尾水渠入主河道。

2.2 材料概況

高抗沖磨橡膠混凝土，是在普通混凝土基礎上，用廢舊汽車輪胎粉碎而成的一定粒徑的橡膠顆粒取代部分砂配制成的一種新型混凝土材料，利用橡膠顆粒良好的彈塑性和韌性，既能緩和混凝土內部的應力集中，減少原生裂紋缺陷發生的幾率，又能耗散外界施加的能量，抑制內部結構的損傷破壞。橡膠顆粒經過由河南省水利科學研究院研制開發的改性劑處理后，使得混凝土具有較好的抗裂性能、抗沖磨性能和抗凍性性能。高抗沖磨橡膠混凝土在水利工程中應用，一方面可有效大量回收利用廢舊汽車輪胎，變廢為寶，既節約資源又能減少污染，還可節省堆放廢舊汽車輪胎所占用土地，社會和環境效益顯著；另一方面，其優異的材料性能可在較大程度上延長原混凝土結構的服役期限，減少維護修補成本，直接經濟效益顯著。

根據工程實際情況，前坪水庫選擇在導流洞出口段在洞身段（導0+317.64～導0+327.64）底板及“右側底板⑤600mm面層”澆筑高抗沖磨橡膠混凝土。

2.3 施工方案

（1）建筑材料

水：井水；水泥：天瑞牌P·O42.5型普通硅酸鹽水泥；細骨料：普通河砂，細度模數為2.70，最大粒徑5mm，表觀密度為2703 kg/m3；粗骨料：石灰巖碎石，粒徑有5～20mm、20～40 mm兩種，連續級配，兩者之比為4∶6；橡膠顆粒：由新鄉市獲嘉縣一橡膠廠生產，粒徑3～6mm，表觀密度為1119kg/m3；減水劑：聚羧酸系高效減水劑。

（2）改性處理

水洗處理：將橡膠顆粒倒入清水中，攪拌，多次清洗，直至水不渾濁，撈出晾干，裝袋備用；NaOH處理：配制一定量的1%NaOH水溶液，將橡膠顆粒倒入溶液中浸泡，放置陰涼處24h，之后用清水多次清洗橡膠顆粒，用pH試紙測量水溶液，直至呈中性，撈出晾干，裝袋備用；復合處理：橡膠顆粒經NaOH溶液處理晾干后，再稱取橡膠顆粒質量1%的KH570，用一定量的無水乙醇稀釋后倒入橡膠顆粒中，以橡膠顆粒恰好全部濕潤為宜。

（3）橡膠混凝土配合比。以普通C30混凝土為基準（基準混凝土），橡膠顆粒按照15%摻量（砂總體積的百分比）等體積取代部分砂配制橡膠混凝土，配合比見表1。

（4）橡膠混凝土澆筑分塊。橡膠混凝土按橡膠顆粒的改性方法分為三種，在洞身段（導0+317.64～導0+327.64）段底板澆筑復合改性橡膠混凝土，在右側底板⑤600mm面層澆筑NaOH改性橡膠混凝土，在導流洞出口處3m長的連接段澆筑水洗改性橡膠混凝土。

3 實施過程

（1）混凝土拌合。橡膠混凝土拌合方法和普通混凝土基本一致，唯一不同的是在加料口把預先稱好的橡膠顆粒加入料斗，與砂石料一同進入拌合樓進行混凝土攪拌。

（2）混凝土澆筑。第一天晚上23點導0+317.64～導0+327.64開始澆筑復合改性橡膠混凝土，至次日凌晨1點5分結束。拌合樓出口拌合物坍落度為20cm，入倉坍落度為19cm；拌合樓氣溫25℃，出口拌合物溫度32℃；導流洞氣溫28℃，入倉拌合物溫度36℃。

表1 混凝土配合比表

表2 高性能橡膠混凝土強度指標表

第二天凌晨2點，導流洞出口處3m長的連接段開始澆筑水洗處理橡膠混凝土，至凌晨4點35分結束。拌合樓出口拌合物坍落度為20cm，入倉坍落度為18cm；拌合樓氣溫26℃，出口拌合物溫度32℃；導流洞氣溫28℃，入倉拌合物溫度36℃。

第二天下午5點，右側底板⑤600mm面層開始澆筑NaOH改性橡膠混凝土。拌合樓出口拌合物坍落度為20cm，入倉坍落度為18cm；拌合樓氣溫27℃，出口拌合物溫度33℃；導流洞氣溫28℃，入倉拌合物溫度35℃。

4 橡膠混凝土性能

（1）表觀：橡膠混凝土的和易性較好，澆筑成型后表面平整，有部分橡膠顆粒裸露，無可見裂縫。

（2）強度：各倉橡膠混凝土伴隨試件的抗壓強度、劈拉強度和抗沖磨強度見表2。普通混凝土的抗壓強度為38.62MPa，劈拉強度為3.03MPa，滿足C30強度等級，但抗沖磨強度只有4.7h·m2·kg-1，橡膠混凝土抗壓、劈拉強度較普通混凝土低，但仍滿足C30強度等級，而抗沖磨強度大幅度提高。水洗處理、NaOH改性和復合改性橡膠混凝土的抗沖磨強度依次增大，改性效果明顯，分別是普通混凝土的3.68倍、4.64倍和5.19倍。從沖磨質量損失看，普通混凝土質量損失嚴重，達到了1kg，沖磨后表觀坑洼深度較大，橡膠混凝土沖磨后質量損失較小，最大僅為0.295kg，表觀較平整。

（3）機理：對于普通混凝土，由于水泥石的強度比骨料低，在沖磨過程中會首先被沖磨掉，進而骨料逐漸凸出，然后，凸出的骨料因其所受到的沖磨力大于周邊凹處的水泥石而被逐漸磨平，如此反復。而對橡膠混凝土來說，表面的水泥石被沖磨掉以后，裸露出來的不僅有骨料，還有橡膠顆粒，由于橡膠顆粒的韌性要比砂子和石子大很多，對沖磨能量有很強的吸收作用，在一定程度上延緩了水泥石的破壞。隨著沖磨程度的發展，橡膠顆粒周圍的水泥石被沖磨掉后，橡膠顆粒脫落，水泥石會被再沖掉一層，新的橡膠顆粒又會裸露出來，對水泥石再次形成保護作用。這樣往復循環，橡膠混凝土的抗沖磨性能顯著提高，而且表面比較平整，也正是因為這個原因，在相同時間內，橡膠混凝土被沖磨掉的質量比基準混凝土小，磨損率小。

5 小結

（1）橡膠混凝土和易性較好，施工方便，服役期表觀較好。

（2）橡膠混凝土較普通混凝土，雖然抗壓、劈拉強度較低，但抗沖磨強度大幅提高，是一種低強度高性能材料。

（3）橡膠混凝土性價比較高，與同抗沖磨強度混凝土相比，節省了水泥用量，利用了廢舊輪胎橡膠，環保意義重大■