高抗冲磨橡胶混凝土在前坪水库导流洞的应用

2018-05-18罗福生郝二峰历从实冯凌云皇甫泽华

治淮 2018年4期

罗福生郝二峰历从实冯凌云皇甫泽华

（1.河南省水利第二工程局郑州 450016 2.河南省前坪水库建设管理局郑州 450000 3.河南省水利科学研究院郑州 450003）

1 前言

含沙高速水流对水工建筑物过流表面混凝土的冲磨和空蚀破坏，是水工泄流建筑物如溢洪道、溢流坝、泄洪洞等常见的病害，尤其是当水流流速较高且水流中又夹带着悬移质或推移质时，对水工建筑物的冲磨、空蚀破坏就更为严重。随着我国水利行业的发展，因坝高、流速、水头等逐渐增大而发生的冲磨破坏的事例也不断增多，研发出具有较高抗冲磨性能的混凝土，是我国水工混凝土材料研究领域亟待解决的重要课题。

为提高混凝土的抗冲磨性，在混凝土中加入掺合料是一种常用的技术手段：一种是在混凝土中掺入钢纤维、聚丙烯纤维等，通过增强混凝土的阻裂作用来提高其抗冲磨性；另一种是在混凝土中掺入硅粉、粉煤灰和细矿渣粉等，通过增强混凝土的强度和密实性来提高其抗冲磨性。这两种方法应该归类为通过提高混凝土的强度，实现混凝土抗冲磨性的提高，是一种以“硬”克“硬”方法。橡胶混凝土是将橡胶颗粒掺入混凝土的一种新型建筑材料，目前对其抗冲磨性能的研究已有报道，认为橡胶混凝土可以提高混凝土的抗冲磨强度，很明显它是一种以“软”克“硬”新方法。

本文介绍高抗冲磨橡胶混凝土在前坪水库导流洞的应用情况，重点说明高抗冲磨橡胶混凝土在拌合、浇筑过程中的施工工艺、工作性能、抗冲磨性能和表观情况，为高抗冲磨橡胶混凝土在水利工程中的推广应用提供工程参考。

2 实施方案

2.1 工程概况

前坪水库是国务院批准的172项重大水利工程之一，位于淮河流域沙颍河主要支流北汝河上游洛阳市汝阳县，是一座的以防洪为主，结合供水、灌溉，兼顾发电的大（2）型水利枢纽工程。主要建筑物包括主坝、副坝、溢洪道、泄洪洞、输水洞、电站等。总库容5.84亿m3，控制流域面积1325km2，最大坝高90.3m，工程等别为II等。

前坪水库导流洞布置在大坝右岸山体，工程包括进口明渠段、控制段、洞身段、消能工段及尾水渠段五部分。导流洞轴线总长度约1128m，其中进口明渠段长约387m，控制段长10m，洞身段长341m，出口消能段长140m，尾水渠段长250m。进口底板高程为343.0m，闸孔尺寸为7.0m×9.8m（宽×高），洞身采用城门洞型，断面尺寸为7.0m×7.2m＋2.6m（宽×直墙高＋拱高），隧洞出口底板高程342.0m，采用底流消能，导流洞消力池末端尾水渠入主河道。

2.2 材料概况

高抗冲磨橡胶混凝土，是在普通混凝土基础上，用废旧汽车轮胎粉碎而成的一定粒径的橡胶颗粒取代部分砂配制成的一种新型混凝土材料，利用橡胶颗粒良好的弹塑性和韧性，既能缓和混凝土内部的应力集中，减少原生裂纹缺陷发生的几率，又能耗散外界施加的能量，抑制内部结构的损伤破坏。橡胶颗粒经过由河南省水利科学研究院研制开发的改性剂处理后，使得混凝土具有较好的抗裂性能、抗冲磨性能和抗冻性性能。高抗冲磨橡胶混凝土在水利工程中应用，一方面可有效大量回收利用废旧汽车轮胎，变废为宝，既节约资源又能减少污染，还可节省堆放废旧汽车轮胎所占用土地，社会和环境效益显著；另一方面，其优异的材料性能可在较大程度上延长原混凝土结构的服役期限，减少维护修补成本，直接经济效益显著。

根据工程实际情况，前坪水库选择在导流洞出口段在洞身段（导0+317.64～导0+327.64）底板及“右侧底板⑤600mm面层”浇筑高抗冲磨橡胶混凝土。

2.3 施工方案

（1）建筑材料

水：井水；水泥：天瑞牌P·O42.5型普通硅酸盐水泥；细骨料：普通河砂，细度模数为2.70，最大粒径5mm，表观密度为2703 kg/m3；粗骨料：石灰岩碎石，粒径有5～20mm、20～40 mm两种，连续级配，两者之比为4∶6；橡胶颗粒：由新乡市获嘉县一橡胶厂生产，粒径3～6mm，表观密度为1119kg/m3；减水剂：聚羧酸系高效减水剂。

（2）改性处理

水洗处理：将橡胶颗粒倒入清水中，搅拌，多次清洗，直至水不浑浊，捞出晾干，装袋备用；NaOH处理：配制一定量的1%NaOH水溶液，将橡胶颗粒倒入溶液中浸泡，放置阴凉处24h，之后用清水多次清洗橡胶颗粒，用pH试纸测量水溶液，直至呈中性，捞出晾干，装袋备用；复合处理：橡胶颗粒经NaOH溶液处理晾干后，再称取橡胶颗粒质量1%的KH570，用一定量的无水乙醇稀释后倒入橡胶颗粒中，以橡胶颗粒恰好全部湿润为宜。

（3）橡胶混凝土配合比。以普通C30混凝土为基准（基准混凝土），橡胶颗粒按照15%掺量（砂总体积的百分比）等体积取代部分砂配制橡胶混凝土，配合比见表1。

（4）橡胶混凝土浇筑分块。橡胶混凝土按橡胶颗粒的改性方法分为三种，在洞身段（导0+317.64～导0+327.64）段底板浇筑复合改性橡胶混凝土，在右侧底板⑤600mm面层浇筑NaOH改性橡胶混凝土，在导流洞出口处3m长的连接段浇筑水洗改性橡胶混凝土。

3 实施过程

（1）混凝土拌合。橡胶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预先称好的橡胶颗粒加入料斗，与砂石料一同进入拌合楼进行混凝土搅拌。

（2）混凝土浇筑。第一天晚上23点导0+317.64～导0+327.64开始浇筑复合改性橡胶混凝土，至次日凌晨1点5分结束。拌合楼出口拌合物坍落度为20cm，入仓坍落度为19cm；拌合楼气温25℃，出口拌合物温度32℃；导流洞气温28℃，入仓拌合物温度36℃。

表1 混凝土配合比表

表2 高性能橡胶混凝土强度指标表

第二天凌晨2点，导流洞出口处3m长的连接段开始浇筑水洗处理橡胶混凝土，至凌晨4点35分结束。拌合楼出口拌合物坍落度为20cm，入仓坍落度为18cm；拌合楼气温26℃，出口拌合物温度32℃；导流洞气温28℃，入仓拌合物温度36℃。

第二天下午5点，右侧底板⑤600mm面层开始浇筑NaOH改性橡胶混凝土。拌合楼出口拌合物坍落度为20cm，入仓坍落度为18cm；拌合楼气温27℃，出口拌合物温度33℃；导流洞气温28℃，入仓拌合物温度35℃。

4 橡胶混凝土性能

（1）表观：橡胶混凝土的和易性较好，浇筑成型后表面平整，有部分橡胶颗粒裸露，无可见裂缝。

（2）强度：各仓橡胶混凝土伴随试件的抗压强度、劈拉强度和抗冲磨强度见表2。普通混凝土的抗压强度为38.62MPa，劈拉强度为3.03MPa，满足C30强度等级，但抗冲磨强度只有4.7h·m2·kg-1，橡胶混凝土抗压、劈拉强度较普通混凝土低，但仍满足C30强度等级，而抗冲磨强度大幅度提高。水洗处理、NaOH改性和复合改性橡胶混凝土的抗冲磨强度依次增大，改性效果明显，分别是普通混凝土的3.68倍、4.64倍和5.19倍。从冲磨质量损失看，普通混凝土质量损失严重，达到了1kg，冲磨后表观坑洼深度较大，橡胶混凝土冲磨后质量损失较小，最大仅为0.295kg，表观较平整。

（3）机理：对于普通混凝土，由于水泥石的强度比骨料低，在冲磨过程中会首先被冲磨掉，进而骨料逐渐凸出，然后，凸出的骨料因其所受到的冲磨力大于周边凹处的水泥石而被逐渐磨平，如此反复。而对橡胶混凝土来说，表面的水泥石被冲磨掉以后，裸露出来的不仅有骨料，还有橡胶颗粒，由于橡胶颗粒的韧性要比砂子和石子大很多，对冲磨能量有很强的吸收作用，在一定程度上延缓了水泥石的破坏。随着冲磨程度的发展，橡胶颗粒周围的水泥石被冲磨掉后，橡胶颗粒脱落，水泥石会被再冲掉一层，新的橡胶颗粒又会裸露出来，对水泥石再次形成保护作用。这样往复循环，橡胶混凝土的抗冲磨性能显著提高，而且表面比较平整，也正是因为这个原因，在相同时间内，橡胶混凝土被冲磨掉的质量比基准混凝土小，磨损率小。