黄河上游水电站抗冲磨混凝土试验研究

胡宏峡

摘 要：为解决黄河上游水电站建设中抗冲磨混凝土收缩和开裂等问题，对黄河上游已建工程进行调查分析，结果没有发现泄水建筑物抗冲蚀层混凝土渗透侵蚀和冻融破坏现象，但开裂和脱空现象比较严重。针对存在的问题，结合某工程混凝土配合比设计项目，开展了抗冲磨混凝土试验研究，在中热水泥、粉煤灰和硅粉组成的复合材料基础上，通过掺入聚羧酸减水剂、聚丙烯纤维和减缩剂等进行改性研究。结果表明：改性后混凝土干缩率大幅度降低、抗裂性显著提高，可防止或减缓黄河上游地区水电工程的抗冲磨混凝土收缩开裂，改善混凝土结构耐久性。

关键词：抗冲磨混凝土;干缩变形;耐久性;试验研究;水电站;黄河上游

中图分类号：TU528.36;TV882.1 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.10.030

Experimental Study on Anti-Abrasion Concrete of Hydropower Stations in the Upper Yellow River

HU Hongxia

（Investigation， Design and Research Institute， Sinohydro Fourth Engineering Bureau Co.， Ltd.， Xining 810000， China）

Abstract：In order to solve the problems of shrinkage and cracking of abrasion resistant concrete in the construction of hydropower stations in the upper Yellow River， the existing projects in the upper Yellow River were investigated and analyzed. No seepage erosion and freeze-thaw damage of the erosion resistant concrete of the discharge structures were found， but the cracking and void phenomena were serious. In view of the existing problems， combined with the concrete mix proportion design project of a project， the anti-abrasion concrete test was carried out. On the basis of composite materials composed of medium heat cement， fly ash and silica fume， the modification research was carried out by adding polycarboxylate water reducer， polypropylene fiber and shrinkage reducing agent. The results show that the dry shrinkage rate of the modified concrete is greatly reduced and the crack resistance is significantly improved， which can prevent or slow down the shrinkage cracking of anti-abrasion concrete of hydropower projects on the upper Yellow River and improve the durability of concrete structure.

Key words： anti-abrasion concrete; dry shrinkage deformation; durability; experimental study; hydropower station; Upper Yellow River

黃河上游的大中型水电站水头高、配套的泄水建筑物内水流速度很高，为了防止高速水流及夹杂的泥沙对溢流面冲蚀破坏，一般采用掺硅粉和低水胶比的技术方案，使混凝土力学指标和抗冲磨强度得到大幅度提高。在黄河上游干燥寒冷、常年多风少雨的恶劣气候条件下，低水胶比的抗冲磨混凝土收缩而导致脱空和开裂等耐久性问题非常严重。通过对该地区已建水电工程调查分析[1-6]，没有发现泄水建筑物抗冲蚀层混凝土渗透侵蚀和冻融破坏现象，但是开裂和脱空现象比较严重，影响水电站的安全运行。例如：2001年竣工的黄河李家峡水利枢纽工程三孔泄水道抗冲蚀层采用了C60硅粉混凝土，2003年5月对该水电站泄水建筑物进行汛前检查时，发现三孔泄水道泄槽明渠段底板抗冲蚀层表面普遍产生龟裂，底板抗冲蚀层存在多处不同程度的脱空现象，对此进行了大规模修补工作;2006年在龙羊峡水电站检查时，发现表孔溢洪道抗冲蚀护面干硬性水泥砂浆和硅粉砂浆局部出现裂缝、脱落等现象，影响泄水建筑物的正常运行，随后进行了修复;2018年10月29日，国家电投集团黄河上游水电开发有限责任公司发布了水电站泄水建筑物修复工程公开招标公告，主要包括龙羊峡水电站中孔、表孔泄水道冲蚀破坏永久性修复，李家峡水电站左、右中孔泄水道冲蚀破坏永久性修复和积石峡水电站表孔溢洪道、泄洪排沙底孔冲蚀破坏永久性修复。该地区因环境恶劣、气候干燥而导致的混凝土结构收缩和开裂问题经常出现，修复及维护耗资巨大。

针对上述问题，笔者结合某工程进行了相关研究和探讨。首先，从提高混凝土抗冲磨强度、抗拉强度和极限拉伸值，同时减少其体积变形方面考虑，掺加了一定比例的硅粉和Ⅰ级粉煤灰;其次，从防裂和阻裂、减少收缩方面考虑，选择聚羧酸类减水剂，并掺加适当比例的聚丙烯纤维材料，同时对双掺聚丙烯纤维和减缩剂混凝土进行研究，以期为解决或减缓黄河上游抗冲磨混凝土结构容易出现的收缩和开裂等问题提供参考。

1 研究方法

主要通过试验对比的方法进行研究，其中混凝土性能对比试验按照《水工混凝土试验规程》（DL/T 5150—2001）[7]的要求进行。圆环开裂对比试验装置和要求[8]如下：试验装置为钢制圆环，其中起约束作用的钢环内径为275 mm、外径为305 mm;试验过程中成型的混凝土圆环内径为305 mm、外径为375 mm、高度为140 mm。在混凝土圆环成型时筛除粒径为5 mm以上的粗骨料，养护24 h后拆除混凝土圆环外模，并在混凝土圆环上表面涂刷一层水玻璃，防止水分从上表面蒸发。试件放置在湿度为40%±5%、温度为20 ℃±1 ℃的环境中进行养护和观测。由于钢环外部混凝土在发生收缩时易受到钢环的约束作用而发生开裂，因此需在开裂之前每隔12 h通过显微镜仔细观察圆环开裂情况，准确记录开裂时间和裂缝宽度，开裂后需要定期观测混凝土裂缝的发展变化情况。

2 原材料选用

水泥采用甘肃永登水泥厂生产的祁连山牌P.MH42.5水泥，品质符合GB 200—2003[9]要求;粉煤灰和硅粉采用兰州西固电厂生产的Ⅰ级粉煤灰和兰州西北铁合金厂生产的微硅粉，产品质量均符合DL/T 5144—2001[10]要求;骨料采用甘肃刘家峡红柳台料场生产的天然粗细骨料，产品质量符合DL/T 5144—2001要求;外加剂分别采用西宁喜信混凝土外加剂有限公司生产的RT-1萘系高效减水剂、浙江五龙化工股份有限公司生产的ZWL-PC（Ⅰ）聚羧酸減水剂和河北石家庄外加剂厂生产的DH9引气剂， 产品质量均符合DL/T 5100—1999[11]要求;纤维和减缩剂采用美国格雷斯公司生产的GRACE束状单丝聚丙烯纤维和GRACE Eclipse减缩剂。

3 试验及结果分析

3.1 聚丙烯纤维对混凝土抗裂性能的影响

为了提高混凝土抗裂、抗冲击性能，常常掺入纤维材料，以防止混凝土塑性开裂和早期产生微裂纹。纤维对水泥基体起增强作用的理论学说目前主要有纤维阻裂理论和复合材料理论，其中纤维阻裂理论是基于线弹性断裂力学来解释纤维在混凝土裂缝发生和发展过程中所起的约束作用[12]。根据该理论，混凝土中掺入的聚丙烯纤维可以分散其微裂缝尖端的集中应力，起到阻止或延缓混凝土开裂、减小裂缝宽度的作用。

为了进一步研究聚丙烯纤维对混凝土力学性能和抗裂性能影响或改善效果，对掺聚丙烯纤维混凝土（试件编号TX-1）与不掺纤维的基准混凝土（试件编号TX-0）进行了力学性能对比和圆环开裂对比试验。试件的配合比参数见表1，力学性能指标见表2，裂缝宽度随时间发展变化情况见图1。

由表2可知，掺纤维混凝土的抗压强度、劈拉强度与基准混凝土相比没有明显的差别，但轴拉强度、极限拉伸值等抗裂性指标稍高于基准混凝土。由图1看出，基准混凝土开裂时间为4.5 d，聚丙烯纤维混凝土开裂时间为5.5 d，裂缝宽度均在开裂后15 d内增长迅速，约在22 d后趋于稳定。两个圆环试件开裂宽度相差很大，90 d龄期的基准混凝土开裂宽度为2.80 mm，而掺聚丙烯纤维的混凝土开裂宽度为1.00 mm，约为基准混凝土的1/3。通过力学性能和抗裂性对比试验发现，聚丙烯纤维对提高混凝土抗压强度、劈拉强度等力学性能效果不明显，但对提高混凝土抗裂性却有较为显著的效果。

3.2 减水剂品种对混凝土各项性能的影响

3.2.1 对配合比参数及其拌和物性能的影响

试验条件：混凝土水胶比为0.40，掺20%粉煤灰和6%硅粉，聚丙烯纤维用量为0.6 kg/m3，引气剂采用DH9，减水剂采用ZWL-PC（Ⅰ）聚羧酸减水剂和RT-1萘系高效减水剂。试验过程中控制混凝土15 min坍落度为7～9 cm，含气量为3%～4%。试验结果：采用ZWL-PC（Ⅰ）聚羧酸减水剂并且在拌和物坍落度和含气量均合适的条件下，混凝土用水量和最优砂率分别为110 kg/m3和30%，减水剂最佳掺量为1.10%，引气剂适宜掺量为0.004%;采用RT-1萘系减水剂时，其最佳掺量仍为1.10%，在拌和物含气量和坍落度均合适的条件下，DH9引气剂适宜掺量为0.014%，混凝土用水量和最优砂率分别为133 kg/m3和29%（见表3）。

3.2.2 力学性能对比试验

按照表3配合比参数，掺ZWL-PC（Ⅰ）聚羧酸减水剂与掺RT-1萘系减水剂混凝土力学性能试验结果见表4。可以看出，采用RT-1减水剂的混凝土早期抗压强度和劈拉强度高于采用ZWL-PC（Ⅰ）减水剂的，但后期没有明显的差异;而采用ZWL-PC（Ⅰ）减水剂的混凝土在轴拉强度、极限拉伸值等抗裂性指标略高于采用RT-1减水剂的。

3.2.3 抗冲磨性能对比试验

按照表3配合比参数，分别采用ZWL-PC（Ⅰ）聚羧酸减水剂与RT-1萘系减水剂，按照水下钢球法和圆环法进行混凝土抗冲磨性能试验，结果见表5。可以看出，在水胶比相同的条件下，两种方法得到的结果一致，即掺ZWL-PC（Ⅰ）聚羧酸减水剂比掺RT-1萘系减水剂的混凝土抗冲磨强度略高。

3.2.4 干缩变形对比试验

按照表3配合比参数，掺ZWL-PC（Ⅰ）、RT-1两种减水剂配制的混凝土干缩率对比见图2。可以看出，由ZWL-PC（Ⅰ）减水剂配制的混凝土干缩率较小。

3.2.5 圆环开裂对比试验

为了比较掺不同品种减水剂的混凝土收缩开裂情况，按照表3配合比参数进行了圆环开裂对比试验，结果见图3。由图3可以看出，掺ZWL-PC（Ⅰ）减水剂配制的混凝土开裂时间为8.5 d，90 d龄期开裂宽度0.62 mm;掺RT-1减水剂配制的混凝土开裂时间为6.5 d，90 d龄期开裂宽度为1.02 mm。

3.3 不同水胶比对混凝土各项性能的影响

3.3.1 力学性能对比试验

不同水胶比条件下各项性能试验采用的配合比参数见表6，力学性能试验结果见表7。可以看出，在粉煤灰和硅粉掺量一定的情况下，混凝土水胶比与力学性能之间具有较好的相关性，水胶比越小，混凝土抗压强度、劈拉强度、轴拉强度越高，极限拉伸值越大。在水胶比不大于0.40时，28 d龄期抗压强度均高于40 MPa，极限拉伸值均大于1.29×10-4;90 d龄期抗压强度均高于48 MPa，极限拉伸值均大于1.40×10-4。根据试验结果，以C40抗冲磨混凝土为例，若设计龄期为28 d，则采用的水胶比不得大于0.36（根据TPS-1、TPS-2、TPS-3试验结果所确定的混凝土抗压强度与水胶比关系的推定值）;若设计龄期为90 d，则采用0.40水胶比就能满足设计要求。

3.3.2 抗冲磨性能对比试验

一般来说，混凝土抗冲磨强度随着抗压强度的增高而增高，《水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规范》（DL/T 5207—2005）将抗冲磨混凝土划分为C35、C40、C45、C50、C55、C60、大于C60等7个等级[13]。不同水胶比条件下抗冲磨性能试验结果见表8，可以看出：混凝土水胶比越小，抗冲磨强度越高，在水胶比不大于0.40时，混凝土均具有较高的抗冲磨强度和较小的磨损率，同时90 d龄期的混凝土抗冲磨强度比28 d龄期的有大幅提高。

3.3.3 干缩变形对比试验

按表6配合比参数进行干缩试验，结果见图4，可以看出：前14 d混凝土干缩变形速率较快，在15～28 d内变形速率减慢，之后逐渐趋于稳定。从变形的大小来看，呈现出干缩变形随水胶比的减小而增大的趋势，尤其在水胶比为0.30时，干缩变形受水胶比的影响更为显著。

3.3.4 圆环开裂对比试验

按照表6配合比参数，不同水胶比的混凝土圆环开裂情况见图5。水胶比为0.40、0.35、0.30的混凝土环开裂时间分别为8.5、7.5、7.0 d，90 d龄期裂缝宽度分别为0.62、0.65、0.85 mm，即其他条件不变的情况下，混凝土水胶比越小，其开裂的时间越短，开裂宽度也越大。在水胶比为0.35、0.40时，开裂宽度随水胶比的减小增幅不大;在水胶比为0.30时，混凝土开裂宽度增幅较大。

3.4 减缩剂对混凝土性能的影响

3.4.1 减缩剂及其作用原理

根据混凝土毛细张力学说[14]，混凝土中存在有极细的孔隙（毛细管），水从中逸出时，毛细孔中的水分逐渐由饱和状态变为不饱和状态，使孔中的水产生弯月面。在水的表面张力作用下，孔中弯月面水与平面水之间存在压力差ΔP：

ΔP=2γcos θ/r（1）

式中：ΔP为毛细管负压，MPa;γ为液体的表面张力，N/m;r为孔中弯月形水面的曲率半径（凹月面时为负），m;θ为水与毛细管壁的接触角。

由式（1）可知：当混凝土内部相对湿度降低时，存在一个临界半径rk，孔径小于rk的孔全部充满水，孔径大于rk的孔中水被消耗或排空，由此产生毛细管负压ΔP，作为毛细管壁的水泥浆或混凝土在此压力下产生收缩。对于一定孔径的毛细管，ΔP与水的表面张力成正比，减小液相表面张力同样可以降低毛细管负压ΔP，进而减小混凝土的收缩，这也是混凝土减缩剂的作用机理，即在拌和水中加入能降低水表面张力的物质。20世纪80年代末，日本桑约化学工业有限公司和日本水泥有限公司联合开发了混凝土减缩剂（SRA），其主要成分为聚烷基醚乙二醇[15]，能较大程度减小混凝土的干燥收缩。目前很多混凝土外加剂生产厂家生产并销售混凝土减缩剂，其成分已向多元化发展。

3.4.2 对拌和物性能及其配合比参数的影响

试验参数及控制要求：粉煤灰掺量20%，硅粉掺量6%，聚丙烯纤维掺量0.6 kg/m3，砂率28%，水胶比为0.30，用水量为110 kg/m3，减水剂ZWL-PC（Ⅰ）掺量1.10%，GRACE Eclipse减缩剂掺量1.0%;试验过程中控制混凝土拌和物15 min坍落度为7～9 cm，含气量为3%～4%。试验发现掺入减缩剂会减小混凝土的含气量，坍落度也略有减小，为了保证15min混凝土含气量为3%～4%，则需要加大引气剂掺量;在拌和物性能不变的条件下，不掺减缩剂时引气剂掺量为0.003%，掺减缩剂时需要将引气剂掺量提高到0.035%（见表9）。

3.4.3 力学性能对比试验

按表9配比参数，进行掺减缩剂混凝土力学性能对比试验，结果见表10。可以看出，掺减缩剂后混凝土抗压强度略有降低，劈拉强度差别不大，早龄期轴拉强度较低、极限拉伸值较小，但在28 d和90 d龄期时差异减小。总体来看，减缩剂对混凝土最终力学性能稍有影响。

3.4.4 抗冲磨性能对比试验

按照表9配合比参数，进行掺减缩剂混凝土抗冲磨性能对比试验，结果见表11。可以看出，掺减缩剂后混凝土抗冲磨强度略有降低。

3.4.5 干缩变形对比试验

按表9配合比参数，进行混凝土干缩对比试验，结果见图6。可以看出，不摻减缩剂的混凝土90 d干缩率为2.74×10-4，掺减缩剂的混凝土90 d干缩率为1.86×10-4。

3.4.6 圆环开裂对比试验

按表9配合比参数，进行掺减缩剂混凝土圆环开裂对比试验，结果见图7。可以看出，未掺减缩剂的混凝土开裂时间为7 d，90 d龄期开裂宽度为0.85 mm;掺入减缩剂的混凝土开裂时间为19 d，90 d龄期开裂宽度为0.49 mm。可见，掺入减缩剂使混凝土开裂时间大幅度延后，而裂缝宽度减小。

3.5 混凝土抗冻性和抗渗性

由于抗冲磨混凝土采用较小水胶比（一般不超过0.40），且掺硅粉和引气剂，因此混凝土抗渗性和抗冻性大幅度提高。试验结果表明：各种组合的抗冲磨混凝土抗渗等级均在W10以上，经过200次冻融循环后，相对动弹模均在90%以上，质量损失率均在1.2%以内，抗冻性和抗渗性优良。

4 结 语

（1）在水胶比一定的条件下，掺加聚丙烯纤维、减缩剂或采用不同减水剂品种等，对早龄期混凝土的力学性能和抗冲磨性能均有不同影响，但对后期各项力学性能和抗冲磨性能影响不大。掺聚丙烯纤维使28 d龄期和90 d龄期混凝土的抗拉强度和极限拉伸值稍有提高，掺入减缩剂会使其抗拉强度和极限拉伸值略有降低。

（2）与萘系减水剂相比，聚羧酸类减水剂可明显降低混凝土的干缩率，有效延缓混凝土圆环开裂时间，减小其开裂宽度。因此，在抗冲磨混凝土配合比设计时，建议选用聚羧酸类减水剂。

（3）在原材料品种和品质确定的情况下，水胶比越小，混凝土开裂时间越短、裂缝宽度越大，因此在满足混凝土设计要求的前提下，应尽可能采用较大水胶比。90 d龄期的混凝土各项性能指标比28 d龄期的有较大提升空间，建议采用90 d或180 d设计龄期，适当提高水胶比和粉煤灰掺量，降低水泥用量，以防止或减小混凝土的收缩和开裂。

（4）掺入聚丙烯纤维可阻止混凝土早期裂缝的发生和发展，延缓混凝土开裂时间，减小开裂宽度;掺入混凝土减缩剂，可减小其干缩率，大幅度延长开裂时间，减小混凝土开裂宽度。

（5）在水胶比一定的条件下，未掺纤维和减缩剂的基准混凝土开裂时间为4.5 d，裂缝宽度为2.80 mm;掺入聚丙烯纤维和减缩剂的混凝土开裂时间为19 d，裂缝宽度为0.49 mm。

在黄河上游干燥环境下，混凝土干缩和开裂等方面风险加大，建议采用掺入聚丙烯纤维和减缩剂的技术方案，以更好地解决抗冲磨混凝土收缩和开裂等耐久性问题。

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【责任编辑 张华兴】