HF抗冲耐磨剂在泄洪洞工程中的应用

2016-08-17张科中国水电建设集团十五工程有限公司陕西咸阳712000

陕西水利 2016年4期

关键词：硅粉抗冲泄洪洞

张科（中国水电建设集团十五工程有限公司陕西咸阳712000）

HF抗冲耐磨剂在泄洪洞工程中的应用

张科
（中国水电建设集团十五工程有限公司陕西咸阳712000）

本文通过系统地分析研究泄洪隧洞的水力条件，对抗冲耐磨混凝土采用不同外参进行了综合比较，确定了在泄洪洞流速大、容易发生气蚀部位采用HF抗冲磨混凝土可以防止出现真空气蚀破坏，且施工方便，经济效益显著。

HF抗冲耐磨外加剂；泄洪洞；配合比

1　工程概括

科克塔斯水库泄洪洞洞室衬砌共分三大部分，泄0+017～泄0+147为前半洞基本为平直线型；泄0+147～泄0+251为龙抬头段为圆曲线－直线－圆曲线形式；泄0+251～泄0+432为永久利用段基本为平直线型；衬砌长度400m，衬砌完成后断面呈城门洞型，宽度3.5m，高度4.5m，衬砌厚度60cm，均为C40W 6F300抗冲耐磨混凝土，从而确保泄洪洞在高速水流条件下运行安全。

2　抗冲耐磨混凝土性能要求

根据科克塔斯水库泄洪隧洞的水力学特性、结构要求，对抗冲耐磨混凝土的性能有如下要求：

（1）基本性能：强度为C40、坍落度5cm～7cm、二级配、抗冻（F300）、抗渗（W 6），需要泵送混凝土要求坍落度18cm～20cm，其余要求相同；

（2）抗冲蚀性能：抗冲磨强度是普通混凝土的2至3倍以上；

（3）变形性能：能具备较小的干缩变形和较高的极限拉伸值，减少和防止裂缝产生。

根据目前抗冲耐磨材料的最新和成熟的应用成果，并满足上述要求，可采用硅粉混凝土、钢纤维混凝土和HF抗冲磨混凝土。

3　硅粉混凝土和钢纤维混凝土与HF抗冲磨混凝土之综合对比

3.1经济效益比较

根据目前市场原材料价格和成熟的现场施工配合比情况分析，其经济增加费用如表3-1。从表中结果可知，硅粉混凝土与HF混凝土增加费用大致相等，但钢纤维混凝土的造价则十分昂贵。

3.2施工性能对比

（1）硅粉混凝土：由于硅粉颗粒极细，比表面积很大，加入混凝土中后，虽然有效增大了混凝土粘聚性，但是流动性变差，施工和易性不好，导致混凝土施工费工费时，并且蜂窝麻面较多，混凝土表面平整度差，且龟裂及较大裂缝很多。同时对混凝土运输距离、时间和运输方式也有限制，否则将难于卸料。因此硅粉混凝土施工难度大，施工质量不易保证。

（2）钢纤维混凝土：在混凝土中掺入一定量的断面积为0.1mm2～0.4mm2，长度为20mm～40mm的钢纤维后，要使其钢纤维在水泥硬化体中均匀的分散，不使它同水泥浆或砂子结成球状团块与离析，就需要搅拌量控制在搅拌机公称容量的1/3以下，并增大搅拌时间，而造成搅拌设备效率低下。同时由于钢纤维相互摩擦和相互缠绕，形成具有一定刚性的空间网络结构，而抑制了钢纤维混凝土内部水及水泥浆的流动，这将会大大增加混凝土泵送的难度。

（3）HF抗冲磨混凝土：新拌HF高强耐磨粉煤灰混凝土在施工中易于振捣密实、出浆和收光抹面，抗剪力显著减小，容易产生流动，泌水性能达到良好的预期。

3.3抗冲耐磨性

混凝土破坏多发生在水泥石及其与骨料粘结面等薄弱环节。受挟砂石水流冲磨破坏的混凝土，先把其组成材料中耐磨性能较差的部份冲刷掉，若骨料中含软弱颗粒或骨料的耐磨性能较砂浆低时，则骨料先被冲磨成凹坑。若骨料比砂浆耐冲磨性能好，则挟砂水流先把砂浆冲磨掉，而粗骨料逐渐凸出，这样在高速水流作用下就会产生气蚀而造成破坏。根据以往工程实际情况可知硅粉混凝土和钢纤维混凝土的抗冲耐磨性都有优异的表现。

HF抗冲磨剂的作用是激发粉煤灰的活性，使胶凝材料的水化产物致密、坚硬、耐磨，改善胶材与骨料间的界面性能，并使自身强度和胶结力显著提高，提高了混凝土的抗裂性和混凝土的整体强度，提高混凝土抵抗高速水流空蚀和脉动压力的能力，达到提高混凝土的抗压强度、抗冲磨强度及耐久性能。结合多个已实施本抗冲磨混凝土的工程（大峡、刘家峡、洪家渡、尼那水电站等大中型工程）和新疆水科院抗冲磨抗高速水流冲蚀试验，证明了HF混凝土能显著的提高混凝土的强度、耐磨性和抗高速水流空蚀性能。

根据以上综合分析本工程决定采用HF粉煤灰抗冲耐磨混凝土。

4　HF粉煤灰抗冲耐磨混凝土配合比

表3-1　C40W 6F300、C40W 6F250抗冲磨泵送混凝土抗冲磨混凝土推荐配合比

4.1原材料

根据本工程已使用原材料的情况，选定的原材料分别为：

水泥：水泥为伊犁南岗水泥厂生产的黄鸭牌P·042.5水泥。

粉煤灰：伊宁热电厂Ⅱ级粉煤灰20%（以胶凝材料重量百分比计）。

砂石料：砂为伊宁县明兴砂石料厂生产的天然砂砂F·M=3.10；砂石料：石为伊宁县明兴砂石料厂生产的二级配卵石5mm～20mm：20mm～40mm。

表4-1　水泥的化学成份（单位：%）

表4-2　水泥的物理力学性能

表4-3　粉煤灰品质检验成果

表4-4　砂的颗粒级配

表4-5　砂、粗骨料的物理性质

表4-6　HF抗冲磨剂物理性能

引气剂：山西奥鑫建材科技有限公司生产的AXSF混凝土引气剂。

抗冲磨剂：甘肃巨才电力技术有限责任公司生产的“HF”抗冲磨外加剂2%（以胶凝材料重量百分比计）。

4.1.1水泥

抗冲耐磨混凝土一般应选用标号较高、质量稳定、耐磨性能好的水泥。伊犁南岗水泥厂生产的黄鸭牌P·042.5水泥，其化学成份及物理力学性能见表4-1和表4-2。

由表4-1至表4-2可知，伊犁南岗水泥厂生产的黄鸭牌P·042.5水泥的物理力学性能满足国标《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥GB175-1999》的要求，使用在本工程部位上是合适的。

4.1.2粉煤灰

粉煤灰是混凝土的主要掺合料之一，混凝土掺入粉煤灰具有减水增强、节约水泥降低工程造价、降低混凝土的温升、延长混凝土凝结时间和提高混凝土拌和物的和易性等优点，从而获得混凝土质量、技术、经济上的效果。伊宁热电厂生产的Ⅱ级粉煤灰化学和物理力学性能见表4-3。

根据以往的工程实践证明，混凝土抗冲磨强度主要是受最软弱颗粒的耐冲磨度的影响。在选用抗冲磨混凝土骨料时，应选用水泥结石冲磨强度高的骨料，同时要兼顾其经济性。

实践证明，较大粒径的粗骨料可以减少水泥用量，有利于提高混凝土抗冲耐磨强度。选用抗冲耐磨混凝土粗骨料时，原则上应尽可能选用较大粒径的骨料，但也不能太大，一般不应超过40mm。

本次试验选用的砂石骨料的物理性质见表4-4、表4-5。试验结果表明，砂、粗骨料满足设计及《水工混凝土施工规范》（DL/T5144-2001）要求。

4.1.4抗冲磨剂

甘肃省电力试验研究所研究的HF抗冲耐磨剂，是掺和粉煤灰，提高粉煤灰混凝土抗冲磨性能的专用耐磨剂。其物理力学性能检测见下表4-6。

4.2配合比设计

针对科克塔斯水库泄洪洞工程的特点，在粉煤灰和外加剂双掺的基础上掺入“HF”抗冲磨外加剂并在此基础上进行混凝土试验研究。第一阶段试验，主要是根据室内试拌混凝土配合比按有关规范推算出混凝土配合比参数，并提出相应推算配合比，配合比的参数选取相对来说比较保守。第二阶段，主要根据28d抗压强度试验结果，结合混凝土抗冻、抗渗、抗冲磨试验结果，综合考虑各种因素提出满足设计要求的泄洪洞抗冲磨混凝土配合比参数，并通过室内试拌后提出相应的推荐配合比。推荐配合比的材料用量见表4-7