溢洪道抗沖耐磨混凝土拌和系統優化研究

莊子健 ZHUANG Zi-jian

（中國葛洲壩集團路橋工程有限公司，宜昌 443000）

0 引言

溢洪道是水利工程中重要的水能調節和安全控制設施之一，承擔著調節洪水、保護工程安全的重要任務。在溢洪道中，由于洪水的沖擊和摩擦作用，混凝土結構容易受到嚴重的沖擊力和磨損，導致結構的損壞和壽命的縮短。因此，提高溢洪道混凝土的抗沖耐磨性能，對于保障工程的安全穩定運行具有重要意義。目前，國內外對于溢洪道混凝土的抗沖耐磨性能研究已經取得了一定的成果，但仍存在一些問題。首先，由于不同地區的水文地質條件和工程要求的差異，混凝土拌和系統的優化策略仍然需要進一步研究和探索。其次，現有的抗沖耐磨性能測試方法和評價標準存在一定的局限性，需要進一步完善和改進。此外，目前大部分研究集中在抗沖性能或耐磨性能的研究上，對于二者之間的關系和影響因素的研究較少。

1 溢洪道抗沖耐磨混凝土抗沖耐磨性能分析

1.1 實驗材料與試驗方法

選擇適用于抗沖耐磨性能測試的材料和試驗方法。常用的材料包括水泥、骨料、粉煤灰等，試驗方法包括沖擊試驗和摩擦試驗等。表1 是水泥、骨料和粉煤灰的一些常見指標數據。

表1 水泥、骨料和粉煤灰的數據指標

1.2 抗沖性能測試與分析

通過沖擊試驗，模擬溢洪道中洪水的沖擊力，測定混凝土在不同沖擊載荷下的抗沖性能。可以通過測量沖擊載荷下混凝土的變形、破壞形態等指標來評估抗沖性能。

首先，根據實際需求和試驗要求，確定試樣的尺寸和數量，見表2。通常情況下，試樣為長方體或圓柱體形狀。然后，準備混凝土材料，并按照設計配合比進行拌和，普通混凝土配合比（按重量比）：水泥∶砂∶骨料=1∶2∶4，水泥∶砂∶骨料=1∶2.5∶5；高強度混凝土配合比（按重量比）：水泥∶砂∶骨料=1∶1.5∶3，水泥∶砂∶骨料=1∶1.2∶2.4；超高強度混凝土配合比（按重量比）：水泥∶砂∶骨料=1∶0.8∶1.6，水泥∶砂∶骨料=1∶0.6∶1.2。將拌和好的混凝土倒入模具中，進行振實和養護，使其達到所需強度。待混凝土完全凝固后，取出試樣并進行表面處理。

表2 試樣尺寸和數量

將制備好的試樣放置在沖擊試驗設備上，調整設備參數，如沖擊能量和沖擊速度等。然后，通過設備的沖擊裝置對試樣施加沖擊載荷，模擬溢洪道中洪水的沖擊力。在試驗過程中，記錄沖擊載荷的大小和沖擊時間。同時，使用傳感器或測量儀器測量試樣的變形情況，并注意觀察試樣的破壞形態。

根據試驗中記錄的沖擊載荷和沖擊時間，可以得到混凝土在不同沖擊載荷下的抗沖性能數據（第三章分析）。同時，根據測量的試樣變形情況和破壞形態，可以進一步分析混凝土的抗沖性能。常見的分析指標包括試樣的最大位移、應變、破壞形態等。通過對數據的統計和比較，可以評估混凝土在不同沖擊載荷下的抗沖性能，并進一步優化材料配比和結構設計，提高混凝土的抗沖耐磨性能。

1.3 耐磨性能測試與分析

在耐磨性能測試中，首先需要制備符合標準規范的試樣。根據具體要求，可以制備不同形狀和尺寸的試樣，如圓盤、矩形板等。然后，根據材料特性和測試要求，對試樣進行必要的預處理，包括表面處理、養護等。確保試樣的表面光滑且無明顯缺陷。

常見的耐磨性能測試方法包括磨損試驗、摩擦試驗等。其中，磨損試驗可以采用旋轉磨損試驗機、滑動磨損試驗機等設備進行。在試驗中，試樣與摩擦劑或磨損介質接觸，通過施加一定的載荷和循環運動，模擬實際工況下的磨損情況。在試驗過程中，記錄試樣的磨損質量損失、摩擦系數等指標。

通過耐磨性能測試獲得的數據，可以進行數據分析和評估。常見的分析指標包括磨損速率、磨損模式、摩擦系數等。磨損速率可以通過計算試樣質量損失量與試驗時間的比值得到。磨損模式可以通過觀察試樣的磨損表面和磨損形態來判斷。摩擦系數可以通過測量試樣與摩擦劑之間的摩擦力和垂直載荷的比值得到。通過對數據的分析和對比，可以評估材料的耐磨性能，優化材料配比和結構設計，提高材料的抗磨損能力。

2 溢洪道抗沖耐磨混凝土拌和系統的優化方法

2.1 混凝土拌和系統的主要技術指標

系統規模為月高峰澆筑強度5.0 萬m3混凝土。預冷混凝土生產強度為160m3/h，出機口溫度16℃。

以高峰月強度計算拌和廠的小時生產能力Qh：

Qh=Kh×Qm÷20÷25=1.5×50000÷20÷25=150（m3/h）

式中：Qh——小時生產能力，m3/h；

Kh——小時不均衡系數，可取1.5；

Qm——混凝土的高峰月澆筑強度。

由于標書明確預冷混凝土生產強度為160m3/h，大于按高峰月計算強度150m3/h。故而拌和樓的生產能力按生產預冷混凝土的能力選取。選取兩座HL115-3F1500 的拌和樓，最大小時生產能力230m3/h，制冷混凝土生產能力160m3/h。

2.2 材料配比優化

2.2.1 骨料上拌和樓能力計算

G骨=K×Qh×q=1.7×115×1.6=312.8t/h

G砂=K×Qh×q=1.5×115×0.8=138t/h

其中：

G——攪拌樓要求的粗骨料、砂的供料能力，t/h；

q——每立方米混凝土中粗骨料和砂的用量，t/m3；

K——系數，粗骨料供料取1.7（骨料預冷時間比較長），細骨料供料取1.5；

Qh——拌和樓的混凝土生產強度，HL115-3F1500 拌和樓銘牌產量m3/h；

Q——擬選用的帶式輸送機的輸送能力，t/h。

2.2.2 水泥、粉煤灰上拌和樓能力計算

G水泥=K×Qh×q水泥=2×230×0.25=115t/h＜150t/h=Q水泥

G粉煤灰=K×Qh×q粉煤灰=2×230×0.10=46t/h＜60t/h=Q粉煤灰

其中：

G水泥、G粉煤灰——攪拌樓要求的水泥、粉煤灰的供料能力，t/h；

q水泥、q粉煤灰——每立方米砼中水泥和粉煤灰的用量，t/m3；

K——系數，水泥、粉煤灰均取2.0；

Qh——攪拌樓的砼生產強度，m3/h；

Q水泥、Q粉煤灰——擬選用的水泥、粉煤灰輸送裝置的輸送能力，t/h。

2.3 摻加添加劑的優化

根據高峰期每月5 萬m3的混凝土澆筑需求，按照每方混凝土使用180kg 膠凝材料和外加劑按膠凝材料的0.7%計算，外加劑儲備量按照高峰期半個月的量進行配置，堆料的堆積密度為500kg/m3，需要約100m2的堆料面積。

外加劑配液池和成品池的計算如下：

外加劑配液池：上層設置2 個配液池，每個配液池尺寸為4×3.0m，高2.5m，根據房間結構布置和攪拌器的大小規格確定。

外加劑成品池：下層設置4 個成品儲液池，每個儲液池尺寸為6×4m，液面高2.0m，單個儲液池的凈容積為6×4×2.5m=60m3，共計240m3的容量。

外加劑配液濃度計算：按照20%的濃度計算，高峰期每天需要的外加劑量為5 萬m3/月/25 天×1 天×2×0.7%/20%=120m3。

4 個配液池的容量完全足夠滿足高峰期2 天的外加劑使用量。

2.4 拌和工藝優化

根據所需流程計算儲量的需要，選擇了4 臺1500t 的水泥罐，總儲量為6000t，以及2 個1500t 的煤灰罐，實際總儲量為2000t。水泥罐和煤灰罐的罐體直徑為10m，總罐高為26.7m，其中罐體部分高為14m，各罐體中心距離為11.0m。

膠凝材料罐的基礎采用鋼筋混凝土圈梁和立柱，罐體為1500t 的利浦筒倉。在倉底安裝了一臺LD-6.0 氣力輸送泵，通過氣力和無縫鋼管輸送至拌和樓的膠凝材料罐。為了分開水泥和粉煤灰的輸送管路，設置了散裝水泥運輸車卸載站，并配備壓縮空氣專用供氣系統和帶有快速接頭的輸送管。

混凝土拌和系統中水泥和粉煤灰的輸送采用氣力輸送，具有輸送量大、操作簡便、布置不受地形影響、有利于環境保護等特點。為了避免水泥和粉煤灰受潮結塊并防止氣動元器件銹蝕，需要使用干燥而純凈的壓縮空氣，并設置過濾式空氣過濾器。壓力露點要求為1.3℃，輸送壓力不超過0.45MPa，水泥的輸送濃度要求大于35，粉煤灰的輸送濃度要求大于25。

對于高壓、大風量、高濃度的氣力輸送系統，合理設計除塵設備至關重要，確保排出的氣體符合環保要求。因此，可以選擇脈沖袋式收塵器作為除塵設備，以滿足環保要求的除塵效果。未明確膠凝材料是散裝還是袋裝，考慮到不同情況下物料的需求，可以設置一個長30m、寬18m 的拆包間，以滿足不同形式的膠凝材料需求。

3 拌和系統優化后的混凝土性能評估

3.1 抗沖性能評估

混凝土抗沖性能評估的拋物線曲線如圖1 所示。以下是對圖像的簡要分析：

圖1 混凝土抗沖性能對比

①x 軸為沖擊載荷（單位：kN），y 軸為試樣的變形情況（單位：mm）。隨著沖擊載荷的增加，試樣的變形情況也隨之增加。

②拋物線形式的曲線顯示了沖擊載荷與試樣變形之間的非線性關系。試樣的變形隨著沖擊載荷的增加而加速增加，這符合抗沖性能的特性。這種非線性關系反映了混凝土在受到沖擊時的變形和破壞行為。

③曲線在x 軸原點處截距為零，這意味著在沖擊載荷為零時，試樣沒有變形。這是合理的，因為沒有沖擊載荷時試樣不會受到任何影響。

④隨著沖擊載荷的增加，曲線上升速度增加，表明試樣的抗沖性能逐漸減弱。這是符合預期的，因為較大的沖擊載荷會導致試樣更大的變形，直至破壞。

⑤曲線在上升階段開始變得趨于平緩，表示試樣的抗沖性能隨著沖擊載荷增加而逐漸飽和。在某一沖擊載荷值后，試樣的變形增加較為緩慢，表明試樣的抗沖性能已接近極限。

3.2 耐磨性能評估

耐磨性能評估數據見表3。

表3 耐磨性能評估表

根據上述數據，可以對混凝土的耐磨性能進行分析和評估。以下是對上述數據的分析和一些可能的優化措施：觀察數據表格可以發現，隨著負荷的增加，磨損量也呈增加的趨勢。這表明混凝土的耐磨性能受到負荷的影響，負荷越大，磨損量也越大。

優化措施1：材料選擇和配比優化。可以通過選擇更硬、更耐磨的材料或者調整混凝土的配比來提高耐磨性能。例如，使用耐磨性能較好的骨料和摻入適量的添加劑來改善材料的耐磨性能。

優化措施2：加入耐磨劑或涂層。可以在混凝土表面添加耐磨劑或者涂層來提高其耐磨性能。這些耐磨劑或涂層可以增加混凝土表面的硬度和耐磨性，減少磨損量。

優化措施3：改善混凝土的密實性和表面質量。通過優化混凝土的施工工藝和加強養護管理，可以提高混凝土的密實性和表面質量，從而增加其耐磨性能。

4 結束語

通過對溢洪道抗沖耐磨混凝土拌和系統的優化研究，得出了以下結論：

①通過合理選擇材料和優化配比，可以顯著提高混凝土的抗沖耐磨性能。使用耐磨性能較好的骨料和添加劑，調整水灰比和砂石比例等因素，可以改善混凝土的耐磨性能，提高其抵抗沖擊載荷的能力。

②添加耐磨劑或涂層是提高混凝土耐磨性能的有效途徑。通過在混凝土表面添加耐磨劑或涂層，可以增加混凝土表面的硬度和耐磨性，從而減少磨損量，延長混凝土的使用壽命。

③提高混凝土的密實性和表面質量對抗沖耐磨性能也具有重要影響。通過優化施工工藝和加強養護管理，可以改善混凝土的密實性和表面質量，減少孔隙率和表面缺陷，從而提高混凝土的抗沖耐磨性能。

在未來的研究中，還可以進一步深入探討以下方面：

①通過實驗和模擬分析等手段，對不同材料和配比的耐磨混凝土進行更加詳細的性能測試和評估，以獲得更準確的數據和結論。

②研究不同耐磨劑和涂層的效果和適用范圍，探索最佳的應用方式和工藝參數，以實現最佳的耐磨性能提升效果。

③進一步研究混凝土的耐磨機理和磨損規律，以深化對耐磨性能的理解，并為混凝土抗沖耐磨設計和施工提供更為科學和可靠的依據。