抗沖磨混凝土的試驗研究

成會軍

（甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

我國北方高海拔寒冷區的砼結構，尤其是水壩的泄沖建筑物，因其擔負的功能，常常受到高速水流的沖刷和嚴寒環境的雙重作用，其工況更加惡劣復雜。在二者的雙重作用下，該結構往往容易因融蝕和空蝕的作用而破壞，有些地方甚至3 年～5年就會出現極大的沖深，鋼筋外露，給工程的正常運行造成極大的負面影響。

石門溝水庫工程所在地屬高寒半干旱濕潤氣候，氣溫低，日照短，無霜期短，陰雨天較多多年平均氣溫0℃，歷年極端最高氣溫28.1℃（發生在2000 年7 月24 日），極端最低氣溫為-30.6℃（發生在1980 年2 月4 日）。石門溝水庫工程樞紐水庫大壩為混凝土重力壩，位于高山峽谷區，下游河道狹窄，泄水建筑物采取集中于壩身布置。泄水建筑物的水頭為45 m，采用了壩身表孔和中孔聯合泄洪方式，挑流消能。泄水建筑物最大流速為21.2 m/s，底板及側墻防沖抗磨面層厚度15 cm。

本文通過對石門溝水庫C50W8F250 抗沖耐磨泵送混凝土配合比進行設計優化，尋找適合于高海拔寒冷區泵送施工的泄沖建筑物護面混凝土配比方案，為類似工程提供參考。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 試驗材料

工程采用永登祁連山水泥有限公司生產的P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，28 天抗折強度8.7 MPa，28 d 抗壓強度47.8 MPa；硅粉采用甘肅三遠硅材料有限公司產品，SiO2含量92.3%，Al2O3含量0.44%，比表面積18.2 m2/g，pH 值6.9；粉煤灰采用西固熱電廠F類Ⅱ級粉煤灰，細度 2.3%（45 μm 篩篩余量）密度 2.51 g/cm3，需水量比98%；引氣減水劑采用山西格瑞特科技有限公司生產的GRT/A1 型引氣減水劑（液態），減水率為26%，含氣量為4.2%；膨脹劑采用甘肅蘭州天創科源新型建材有限公司產UEA 膨脹劑（硫鋁酸鹽型）；混凝土細骨料采用當地金強河出產的河砂，細度模數2.8；粗骨料：金強河卵石，5 mm～20 mm、20 mm～40 mm二級配，表觀密度2710 kg/m3，堆積密度1680 kg/m3。

1.2 試驗方法

主要設計要求見表1。

表1 石門溝水庫泄沖護面混凝土設計指標

根據設計要求和施工工藝要求，擬采取的配合比設計思路如下：

（1）20 世紀80 年代以來，國內科研機構曾開展過硅粉混凝土做防沖抗磨混凝土抗面材料的研究工作并取得了較為豐碩的成果[1]，因此，利用添加硅粉提高水泥漿體自身的硬度，進而改善漿體的抗磨性能并通過硅粉的火山灰反應和Ca(OH)2的晶體細化，增強漿體與骨料界面的膠結強度，大幅提高硅粉混凝土的抗沖耐磨性能是便捷而可行的。硅粉混凝土必然大幅度提升混凝土抵御懸移質水流造成的沖刷磨損破壞和推移質水流造成的沖擊磨損破壞，由于硅粉的比表面積非常高，在新拌混凝土中許多自由水都被硅粉粒子所約束和鎖定，可大大減少新拌混凝土的泌水量。另外，硅粉摻入會增加混凝土的粘聚性，當坍落度較大時長時間振搗也不易離析[2-6]。那么，硅粉摻量與混凝土抗磨蝕性能之間的關系是需要論證的問題之一。同時為了平抑硅粉摻入帶來的早期水化峰值，進一步改善混凝土的工作性能并節約成本，本次研究的前提為硅灰和粉煤灰“雙摻”。摻入粉煤灰混凝土除可能造成碳化性質劣化和抗凍性能的變化外，具備諸多的優點，根據前人的研究成果及規范規定，內摻15%的粉煤灰是協調平衡其優劣點的較好選擇。

（2）內摻硅粉必然帶來強度的增加，這是因為硅粉的有效系數一般在2～5 之間，與硅粉雙摻的粉煤灰又帶來早期強度的降低，由此，在確定滿足抗沖磨性能的基礎上確定的硅粉含量加內摻15%粉煤灰的混凝土的水膠比與強度之間的關系是做好本次配合比的重要環節也是需要論證解決的問題之二。

（3）用硅粉取代部分水泥，在帶來諸多正面效應的同時不可避免的存在著一些其固有的缺點，其中對本次配合比有重大影響的主要問題是塑性收縮增大的問題，硅粉混凝土在提高混凝土粘聚性改善泌水的同時增加了塑性開裂的危險性，對于抗沖耐磨抗面層，表面裂縫放大了凍蝕和沖蝕的危害，其危害在抗凍抗沖耐磨混凝土中比普通混凝土更大更明顯。對此，摻入適量的膨脹劑對于混凝土開裂補償收縮是一種較好的解決手段，膨脹混凝土在結構中建立的預壓應力可防止或大大減輕混凝土硬化過程產生的收縮裂縫，達到抗滲防裂的目的。補償收縮混凝土應用技術規程（JGJ/T178）認為在膠凝材料用量和水膠比相同的條件下，補償收縮混凝土的28 天強度與普通混凝土相近[7]；南京水科院對此做過專門研究，結論與此相同，同時認為硅粉混凝土制作補償收縮混凝土時膨脹劑品種以硫鋁酸鹽型的補縮效果最好，因此只要選材適當，摻量合理，摻入膨脹劑的硅粉混凝土達到設計強度（配制強度）所需水膠比與已經論證的硅粉粉煤灰混凝土就無大的差異，但其補縮效果是需要論證的問題之三。據此，為了簡化問題，膨脹劑的摻量參考《補償收縮混凝土應用技術規程實施指南》JGJ/T178-2009 選用固定的摻量30 kg/m3、40 kg/m3、50 kg/m3對比驗證其補縮效果是否滿足要求。

2 抗沖耐磨混凝土試驗結果

項目研究結合石門溝水庫泄水建筑物護面混凝土的性能要求，通過硅粉、粉煤灰和膨脹劑的摻入，使所制備混凝土抗沖磨性和耐久性達到技術要求。

2.1 硅粉摻量對混凝土抗磨性能的影響

試驗選取水膠比為0.3、0.4 的混凝土硅粉摻量對抗磨性能的影響見表2，試驗方法采用水下鋼球法，試驗混凝土坍落度160 mm～180 mm，含氣量4.2%～5.0%。

表2 硅粉摻量與混凝土磨蝕性能

由表2 可見，混凝土摻入一定量的硅粉后其抗沖磨能力均得到提高，其抗沖耐磨強度增加倍數在1.47～3.45，但也并非摻量越大越好，當摻量超過15%時，其增加的倍數反而有所下降；綜合考慮后在水膠比為0.3～0.4 之間時，內摻10%硅粉，能更好的發揮硅粉對混凝土的正面效益。

硅粉的加入改變了漿體的抗磨性和硬度，改善了水泥漿界面的粘接，從而使粗骨料在磨損作用時難以被沖蝕。

2.2 膠水比對抗壓強度的影響

試驗選取確定的硅粉最佳摻量10%，通過改變水膠比，使制備的混凝土力學性能滿足設計要求。

圖1 膠水比與強度關系曲線

由圖1 可見，在坍落度和膠水比相同的情況下內摻10%硅粉在較大程度上提高混凝土的28 d 抗壓強度，這與南京水科院的研究成果基本一致。加入硅粉混凝土的抗壓強度提高是由于硅粉與水泥水化產物發生火山灰反應；當水膠比越大時，其提升的幅度愈大，這是因為在大流動度情況下硅粉的微顆粒填充效應和對自由水鎖定更好地改善了混凝土中的孔結構和界面的膠結力。

護面混凝土設計強度為C50（配置強度58.2 MPa），通過回歸分析線性方程式計算得到試配28 d 強度為59 MPa 的相應水膠比為0.38。

2.3 膨脹劑摻量對補縮效果的影響

硅粉的比表面積較大，摻入硅粉使混凝土拌合所需用水量較普通混凝土增多，混凝土硬化過程中表面失水導致開裂[5-6]。

根據確定的粉煤灰、硅粉摻量及水膠比檢測不同的膨脹劑摻量的膨脹率（試驗方法采用GB50119 附錄B）試驗結果見圖2。

圖2 膨脹劑摻量對混凝土的影響

從圖2 可以看出，水灰比為0.38 時，混凝土內摻40 kg 及以上的膨脹劑其限制膨脹率和干縮率即可滿足要求，綜合考慮取內摻40 kg 膨脹劑。膨脹劑加入能夠提高膨脹率降低干縮率是由于試驗研究所用膨脹劑膨脹成分主要是硫鋁酸鈣，硫鋁酸鈣水化生成鈣礬石晶體產生的膨脹壓力抵消了收縮拉應力，因而可減少收縮引起的裂縫。

2.4 抗沖磨混凝土的耐久性能

綜合以上成果，最終確定的混凝土配合比見表3。所制備混凝土工作性能滿足施工要求。

表3 混凝土配合比試驗結果

最佳配合比制備的混凝土耐久性能如表4 所示。從表4 可以看出所制備混凝土抗凍性＞F250，抗滲性＞W10。

表4 混凝土配合比其他性能試驗結果

硅粉的加入使制備的混凝土耐久性能較好，是由于加入硅粉提高了混凝土的力學性能、改善了漿體與骨料的界面粘接強度、混凝土內部結構變得更加密實等。

3 結語

通過以上試驗及工程實際使用得出以下結論：

（1）在普通硅酸鹽水泥中添加硅粉配制的混凝土更加密實，混凝土抗壓強度高于普通硅酸鹽水泥混凝土；

（2）在普通硅酸鹽水泥中添加硅粉配制的混凝土可大幅提高混凝土抗磨蝕性能，其最優摻良為內摻10%優質硅灰；

（3）摻硅粉的抗沖耐磨混凝土可以采用粉煤灰和硅粉雙摻進而平抑水化熱峰值，改善摻硅粉帶來的熱性能劣化；

（4）為了改善摻硅粉混凝土的塑性收縮危害，可以通過摻入膨脹劑補償收縮，摻入等量取代水泥的優質膨脹劑對強度沒有影響；

（5）水工建筑物泄沖建筑物護面混凝土可以采取大流動度泵送有模澆筑施工，具備施工速度快，表面光潔度、平整度高、勞動強度低，而且由于表層光潔平整對抗水流沖刷是有利的。