新型水工混凝土用抗冲磨剂试验研究

2018-09-23李家东顾光伟王海龙凡涛涛

陕西水利 2018年5期

李家东，顾光伟，王海龙，凡涛涛，涂博

（武汉三源特种建材有限责任公司，湖北武汉 430080）

高速含沙水流对水工混凝土建筑物的泄水口、溢流面等部位的冲蚀破坏，导致建筑物表面出现麻面、凹坑，严重的部位甚至出现大面积墙体剥落的现状，这将缩短建筑物的使用寿命，影响工程安全[1]。一些大型高水头电站的泄水流速高达40 m/s～50 m/s，这就使水工建筑物需要匹配更高的抗冲磨性能来抵御冲蚀破坏，而冲蚀破坏的根本原因是水泥石基体、骨料及其界面处存在各种缺陷和弱耐磨区域[2]。通过外掺抗冲磨外加剂，提高混凝土弱耐磨区域的力学强度及表层硬度，降低开裂风险，将更加现实有效的提高水工混凝土的抗冲磨性能。

目前常用水工混凝土抗冲磨剂主要有以下三类：①减水剂类，粉剂减水剂功能单一、工作性难调整，还存在与其他减水剂配伍性差等问题[3]；②硅粉类，硅粉的掺量较高且早期放热量大，极易导致混凝土开裂[4]；③钢纤维类，存在施工不便、难分散且成本较高等弊端[5]。综上，传统抗冲磨剂在实际应用中均存在一定缺点，加之国内抗冲磨剂市场鱼龙混杂，产品质量层次不齐。自主研制的SY-CM高性能水工混凝土用抗冲磨剂，除了具备传统抗冲磨剂的高效减水效果，还能产生微膨胀以补偿混凝土收缩，同时相较于硅粉，早期水化放热量降低明显，本文针对硅粉、HF及SY-CM抗冲磨剂开展对比试验研究。

1 试验原材料基本性能及配合比设计

1.1 试验原材料基本性能

（1）试验研究采用华新水泥股份有限公司生产的P.O 42.5普通硅酸盐水泥，其水泥化学成分和物理性能检测结果，见表1水泥的性能指标。

表1 硅酸盐水泥的性能指标

（2）采用长沙某电厂生产的Ⅱ级粉煤灰。

（3）采用甘肃巨才电力技术有限责任公司生产的“HF”抗冲磨外加剂。

（4）采用成都锦和科技有限公司提供的硅粉，见表2硅粉性能指标。

表2 硅粉的性能指标

1.2 混凝土配合比设计

参照DLT 5207-2005《水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规范》设计的混凝土配合比见表3，拌和物坍落度控制在80±10 mm，水胶比为 0.36。

表3 抗冲磨混凝土配合比设计

2 试验方法

（1）混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度试验和砂浆干缩率按照《水工混凝土试验规程》（DL/T 5150-2001）的规定进行，其中力学试验采用100 mm×100 mm×100 mm的试模成型，胶砂干缩试验采用两端模板带有中心孔的40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体成型。

（2）抗冲耐磨试验依据《水工混凝土试验规程》（DL/T5150-2001）水下钢球法进行试验，采用内径300mm±2mm，高100mm±1mm的金属圆环试模成型，1200 r/min速度旋转电机装置。

（3）水化动力学分析试验采用美国New Castle DE公司生产的热导式等温量热仪，当水化热放热曲线趋于平稳后，储存数据并停止试验。

3 SY-CM抗冲磨剂对水工混凝土性能的试验研究

3.1 抗冲磨混凝土力学性能试验研究

硅粉颗粒具有较大的比表面积和火山灰效应，可以改善混凝土内部尺寸分布，因此常在水工抗冲磨混凝土中扮演着重要角色，但其单位需水量大，放热量高，加剧了混凝土开裂风险。根据某工程应用实际情况，试验确定硅粉抗磨蚀剂掺量为8%，并与推荐掺量下（2.5%）的HF抗冲磨剂及同掺量下SY-CM抗冲磨剂的混凝土进行力学性能对比试验。从表4可以看出，掺2.5%SY-CM抗冲磨剂的混凝土28 d抗压强度较硅粉及HF抗冲磨混凝土分别提高6.3%、23.3%；劈裂抗拉强度能够反映混凝土承受荷载情况下的抗开裂能力，可以看出，掺SY-CM抗冲磨剂混凝土的28d劈裂抗拉强度较硅粉及HF抗冲磨剂分别提高17.6%、8.6%。得出相同原材料及水胶比条件下，掺SYCM抗冲磨剂的水工混凝土具有更好的力学性能。

表4 不同抗冲磨剂对混凝土力学性能的影响

3.2 抗冲磨剂干燥收缩性能研究

干燥条件下，水泥会因毛细孔失水而产生干燥收缩，进而产生开裂风险。对硅粉、HF、SY-CM抗冲磨剂进行了水泥胶砂干缩性能测试，并记录了3 d、7 d、14 d、21 d和28 d龄期试件的长度。由图1胶砂试件的干缩率曲线所示，硅粉会显著增大胶砂试件的干燥收缩；10 d龄期前，基准及掺HF、SY-CM抗冲磨剂的胶砂干燥收缩率相近，10 d龄期后，两种抗冲磨剂均使得胶砂试件的干燥收缩趋于稳定，且优于基准砂浆；在28d龄期时，掺硅粉、HF、SY-CM抗冲磨剂的胶砂28d相对干缩率分别为122%、93%、88%，SY-CM抗冲磨剂对水泥干缩有良好的抑制作用，且效果略优于HF抗冲磨剂，原因是SY-CM抗冲磨剂中具有类似内养护剂成分，能够在10 d龄期后缓慢释放水分，抑制水泥干燥收缩，从而降低开裂风险。

图1 抗冲磨剂水泥胶砂试件的干缩率曲线

3.3 抗冲磨剂水化动力学分析

水泥水化反应产生热量，而外加剂的掺入使得水泥中矿物的水化动力学特征发生了变化，进而影响水泥水化放热速率及放热量，为降低产生温度裂缝的风险，在保证力学性能的前提下，宜降低水泥早期放热速率及放热量。掺抗冲磨剂的水泥净浆水化动力学分析见图2。可以看出，掺硅粉抗冲磨剂的水泥净浆前期水化放热速率快，累计水化放热量大，致使水化热温峰出现的时间早，而掺HF和SY-CM抗冲磨剂的净浆相对于硅粉，其水化放热速率低且60 h累计放热量小。

图2 三种抗冲磨剂对水泥净浆水化动力学的影响

3.4 抗冲磨剂对混凝土抗冲磨性能的影响

图3 冲磨试验后混凝土表面形貌

抗冲磨实验方法参照《水工混凝土试验规程》，先将试块20℃保水养护48 h，此后放入抗冲磨试验机，利用1200 r/min的搅拌叶带动水流和规定级配的钢球高速旋转，期间水流对混凝土表面产生了冲蚀及气蚀作用，而钢球则通过切削、撞击、摩擦作用对混凝土表面产生磨蚀作用，以上均会对混凝土表面的缺陷区域造成不同程度的破坏。图3为水下钢球法冲磨72 h后的混凝土表面形貌，可以看出掺SY-CM抗冲磨剂（下图SY）的混凝土，在72 h冲磨试验后仍具有相对完整的表面，表面骨料露出更少且因冲磨作用而产生的撞击凹陷更浅，试验结果表明SY-CM抗冲磨剂可以有效地提高混凝土的抗冲磨强度。

图4为混凝土72 h抗冲磨试验测试结果，可以看出，SYCM抗冲磨剂与硅粉抗磨蚀剂对混凝土抗冲磨强度增益效果相当，抗冲磨强度分别为9.43 h/(kg/m2)、9.71 h/(kg/m2)，且相对于空白抗冲磨强度提高了124%，较HF抗冲磨剂提高了59%。原因是SY-CM抗冲磨剂除了具有减水及改善拌和物工作性的常规效果，还能激发粉煤灰水化活性，增加水泥与骨料界面的粘接强度；其还具有早期吸水、后期释放的功能，起到内养护的作用，大幅降低混凝土表面微细裂缝产生的风险，减小了表面产生的弱耐磨区域；改善孔隙结构，使混凝土得力学性能更为优异，综合提高混凝土的抗冲磨性能。