抗冲磨混凝土的试验研究

2019-04-23成会军

陕西水利 2019年3期

成会军

（甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃兰州 730000）

0 引言

我国北方高海拔寒冷区的砼结构，尤其是水坝的泄冲建筑物，因其担负的功能，常常受到高速水流的冲刷和严寒环境的双重作用，其工况更加恶劣复杂。在二者的双重作用下，该结构往往容易因融蚀和空蚀的作用而破坏，有些地方甚至3 年～5年就会出现极大的冲深，钢筋外露，给工程的正常运行造成极大的负面影响。

石门沟水库工程所在地属高寒半干旱湿润气候，气温低，日照短，无霜期短，阴雨天较多多年平均气温0℃，历年极端最高气温28.1℃（发生在2000 年7 月24 日），极端最低气温为-30.6℃（发生在1980 年2 月4 日）。石门沟水库工程枢纽水库大坝为混凝土重力坝，位于高山峡谷区，下游河道狭窄，泄水建筑物采取集中于坝身布置。泄水建筑物的水头为45 m，采用了坝身表孔和中孔联合泄洪方式，挑流消能。泄水建筑物最大流速为21.2 m/s，底板及侧墙防冲抗磨面层厚度15 cm。

本文通过对石门沟水库C50W8F250 抗冲耐磨泵送混凝土配合比进行设计优化，寻找适合于高海拔寒冷区泵送施工的泄冲建筑物护面混凝土配比方案，为类似工程提供参考。

1 试验材料及试验方法

1.1 试验材料

工程采用永登祁连山水泥有限公司生产的P·O42.5 普通硅酸盐水泥，28 天抗折强度8.7 MPa，28 d 抗压强度47.8 MPa；硅粉采用甘肃三远硅材料有限公司产品，SiO2含量92.3%，Al2O3含量0.44%，比表面积18.2 m2/g，pH 值6.9；粉煤灰采用西固热电厂F类Ⅱ级粉煤灰，细度 2.3%（45 μm 筛筛余量）密度 2.51 g/cm3，需水量比98%；引气减水剂采用山西格瑞特科技有限公司生产的GRT/A1 型引气减水剂（液态），减水率为26%，含气量为4.2%；膨胀剂采用甘肃兰州天创科源新型建材有限公司产UEA 膨胀剂（硫铝酸盐型）；混凝土细骨料采用当地金强河出产的河砂，细度模数2.8；粗骨料：金强河卵石，5 mm～20 mm、20 mm～40 mm二级配，表观密度2710 kg/m3，堆积密度1680 kg/m3。

1.2 试验方法

主要设计要求见表1。

表1 石门沟水库泄冲护面混凝土设计指标

根据设计要求和施工工艺要求，拟采取的配合比设计思路如下：

（1）20 世纪80 年代以来，国内科研机构曾开展过硅粉混凝土做防冲抗磨混凝土抗面材料的研究工作并取得了较为丰硕的成果[1]，因此，利用添加硅粉提高水泥浆体自身的硬度，进而改善浆体的抗磨性能并通过硅粉的火山灰反应和Ca(OH)2的晶体细化，增强浆体与骨料界面的胶结强度，大幅提高硅粉混凝土的抗冲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悬移质水流造成的冲刷磨损破坏和推移质水流造成的冲击磨损破坏，由于硅粉的比表面积非常高，在新拌混凝土中许多自由水都被硅粉粒子所约束和锁定，可大大减少新拌混凝土的泌水量。另外，硅粉掺入会增加混凝土的粘聚性，当坍落度较大时长时间振捣也不易离析[2-6]。那么，硅粉掺量与混凝土抗磨蚀性能之间的关系是需要论证的问题之一。同时为了平抑硅粉掺入带来的早期水化峰值，进一步改善混凝土的工作性能并节约成本，本次研究的前提为硅灰和粉煤灰“双掺”。掺入粉煤灰混凝土除可能造成碳化性质劣化和抗冻性能的变化外，具备诸多的优点，根据前人的研究成果及规范规定，内掺15%的粉煤灰是协调平衡其优劣点的较好选择。

（2）内掺硅粉必然带来强度的增加，这是因为硅粉的有效系数一般在2～5 之间，与硅粉双掺的粉煤灰又带来早期强度的降低，由此，在确定满足抗冲磨性能的基础上确定的硅粉含量加内掺15%粉煤灰的混凝土的水胶比与强度之间的关系是做好本次配合比的重要环节也是需要论证解决的问题之二。

（3）用硅粉取代部分水泥，在带来诸多正面效应的同时不可避免的存在着一些其固有的缺点，其中对本次配合比有重大影响的主要问题是塑性收缩增大的问题，硅粉混凝土在提高混凝土粘聚性改善泌水的同时增加了塑性开裂的危险性，对于抗冲耐磨抗面层，表面裂缝放大了冻蚀和冲蚀的危害，其危害在抗冻抗冲耐磨混凝土中比普通混凝土更大更明显。对此，掺入适量的膨胀剂对于混凝土开裂补偿收缩是一种较好的解决手段，膨胀混凝土在结构中建立的预压应力可防止或大大减轻混凝土硬化过程产生的收缩裂缝，达到抗渗防裂的目的。补偿收缩混凝土应用技术规程（JGJ/T178）认为在胶凝材料用量和水胶比相同的条件下，补偿收缩混凝土的28 天强度与普通混凝土相近[7]；南京水科院对此做过专门研究，结论与此相同，同时认为硅粉混凝土制作补偿收缩混凝土时膨胀剂品种以硫铝酸盐型的补缩效果最好，因此只要选材适当，掺量合理，掺入膨胀剂的硅粉混凝土达到设计强度（配制强度）所需水胶比与已经论证的硅粉粉煤灰混凝土就无大的差异，但其补缩效果是需要论证的问题之三。据此，为了简化问题，膨胀剂的掺量参考《补偿收缩混凝土应用技术规程实施指南》JGJ/T178-2009 选用固定的掺量30 kg/m3、40 kg/m3、50 kg/m3对比验证其补缩效果是否满足要求。

2 抗冲耐磨混凝土试验结果

项目研究结合石门沟水库泄水建筑物护面混凝土的性能要求，通过硅粉、粉煤灰和膨胀剂的掺入，使所制备混凝土抗冲磨性和耐久性达到技术要求。

2.1 硅粉掺量对混凝土抗磨性能的影响

试验选取水胶比为0.3、0.4 的混凝土硅粉掺量对抗磨性能的影响见表2，试验方法采用水下钢球法，试验混凝土坍落度160 mm～180 mm，含气量4.2%～5.0%。

表2 硅粉掺量与混凝土磨蚀性能

由表2 可见，混凝土掺入一定量的硅粉后其抗冲磨能力均得到提高，其抗冲耐磨强度增加倍数在1.47～3.45，但也并非掺量越大越好，当掺量超过15%时，其增加的倍数反而有所下降；综合考虑后在水胶比为0.3～0.4 之间时，内掺10%硅粉，能更好的发挥硅粉对混凝土的正面效益。

硅粉的加入改变了浆体的抗磨性和硬度，改善了水泥浆界面的粘接，从而使粗骨料在磨损作用时难以被冲蚀。

2.2 胶水比对抗压强度的影响

试验选取确定的硅粉最佳掺量10%，通过改变水胶比，使制备的混凝土力学性能满足设计要求。

图1 胶水比与强度关系曲线

由图1 可见，在坍落度和胶水比相同的情况下内掺10%硅粉在较大程度上提高混凝土的28 d 抗压强度，这与南京水科院的研究成果基本一致。加入硅粉混凝土的抗压强度提高是由于硅粉与水泥水化产物发生火山灰反应；当水胶比越大时，其提升的幅度愈大，这是因为在大流动度情况下硅粉的微颗粒填充效应和对自由水锁定更好地改善了混凝土中的孔结构和界面的胶结力。

护面混凝土设计强度为C50（配置强度58.2 MPa），通过回归分析线性方程式计算得到试配28 d 强度为59 MPa 的相应水胶比为0.38。

2.3 膨胀剂掺量对补缩效果的影响

硅粉的比表面积较大，掺入硅粉使混凝土拌合所需用水量较普通混凝土增多，混凝土硬化过程中表面失水导致开裂[5-6]。

根据确定的粉煤灰、硅粉掺量及水胶比检测不同的膨胀剂掺量的膨胀率（试验方法采用GB50119 附录B）试验结果见图2。

图2 膨胀剂掺量对混凝土的影响

从图2 可以看出，水灰比为0.38 时，混凝土内掺40 kg 及以上的膨胀剂其限制膨胀率和干缩率即可满足要求，综合考虑取内掺40 kg 膨胀剂。膨胀剂加入能够提高膨胀率降低干缩率是由于试验研究所用膨胀剂膨胀成分主要是硫铝酸钙，硫铝酸钙水化生成钙矾石晶体产生的膨胀压力抵消了收缩拉应力，因而可减少收缩引起的裂缝。