水工混凝土抗冲蚀防护研究进展

冯 立，姜怡林，唐慧琪，文 涛，李福海

(1.中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610031；2.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031)

0 前 言

混凝土坝是我国高坝的主要类型之一，占200 m以上大坝的56%以上[1]。高坝受到水流冲刷不可避免，其下泄流速已达50 m/s，水中沙石会对混凝土大坝造成冲刷磨蚀作用，缩短水工混凝土结构使用寿命。沙石在水流带动下撞击、磨损混凝土表面，造成细骨料脱落，粗骨料外露，进而出现钢筋外露、锈蚀等现象，影响结构的耐久性。

高速挟沙水流对混凝土的冲磨和空蚀作用机理不同。根据水流中的介质大小，冲磨会对混凝土表面均匀磨损和撞击混凝土表面，留下形状不规则的坑洞；空蚀主要是在水流急剧变化区域形成气压差，产生的空化气泡破裂冲击混凝土过流面，造成破坏。冲磨和空蚀二者作用机制不同，但一般是同时发生，并且相互之间有一定促进和增强作用，发生条件受水中介质、水流流速、地质条件等因素影响。

普通混凝强度低，易产生裂缝，常年受水流冲刷，影响水工建筑物结构后期性能。此时，环氧砂浆、聚脲弹性体、纤维混凝土等常被用作水工建筑物的修补材料。

基于此，本文将对一些水工混凝土冲蚀破坏机理以及现阶段常用的冲磨防护措施进行综述，并分析各种防护措施的优缺点。

1 混凝土冲蚀破坏机理

一些研究结果表明，清水流过混凝土面对混凝土的破坏作用很小(除消能不良和空蚀破坏外)[2]。但高速含沙石水流会导致水工建筑物混凝土过流面发生冲磨蚀和空蚀破坏。

1.1 冲磨破坏机理

通常水流中的介质分为悬移质和推移质。悬移质冲磨破坏是对混凝土造成切削作用，表现为混凝土的均匀磨损,而推移介质则主要造成冲撞破坏,在高速水流带动下，推移质在混凝土结构壁面滚动跳跃前进，不仅造成切削摩擦作用，而且不断撞击混凝土表面[3]。

1.1.1 悬移质破坏机理

悬移质泥沙颗粒较小,以与水流相近的运动速度和一定冲角(5°～15°)冲刷磨损边壁材料。小流速的悬移质不会对材料造成明显的磨损，当超过临界流速(10～12 m/s),磨损现象较为明显。悬移质磨蚀破坏发生在边壁材料与细颗粒泥沙接触的各个部位，表现为均匀磨损，接触面较为光滑，先磨掉混凝土表面的砂浆与细骨料，粗骨料裸露。含悬移质高速水流对泄水建筑物过流表面冲磨破坏作用的大小与诸多因素有关，如水流速度、流态，悬移质形状、粒径、硬度、含量以及混凝土的抗冲磨强度等[4]。

1.1.2 推移质破坏机理

推移质主要是以粗砂、砾卵石、块石等大颗粒为主，对泄水建筑物过流面的破坏机理与悬移质不同，破坏作用更加明显。除了会磨损混凝土表面外还会以很大的能量撞击混凝土表面，硬度较大的骨料露出，留下凹凸不平的坑洞。由于粗骨料硬度较大且不易松动，使得混凝土表面形成凹凸不平的磨蚀坑，水流在壁面不稳定会形成各种漩涡流，条件进一步恶化，加剧磨蚀破坏。

对推移质沙石在混凝土表面反复跳跃冲击式破坏，使用目前常用强度较高的纤维混凝土、硅粉混凝土等刚性材料，针对性不强，不能很好地解决混凝土表层的推移质磨损。将一些高韧性、高弹性材料如橡胶混凝土、SK 手刮聚脲等用作抗冲磨材料，吸收砂石冲击混凝土的能量，可以有效解决推移质破坏问题。袁群等[5]在普通混凝土中掺入橡胶颗粒等体积替代砂制成橡胶混凝土进行抗冲磨试验，与普通混凝土相比，抗冲磨强度提高了9.57倍，推荐最优掺量10%～15%。有文献[6]提出采用柔性材料将高弹性抗冲磨砂浆、环氧砂浆以及SK手刮聚脲混合使用进行冲磨破坏修复，满足工程技术指标。

1.2 空蚀破坏机理

高速水流泄水建筑物的空蚀现象比较复杂，主要是发生在水流形态急剧变化区域。高速水流会产生低气压区，当压力下降到一定程度时，流体中会形成空穴或气泡，称为“空化”。空化气泡无法稳定存在，运动至高气压区后，在高压强下形成微射流以极大的冲击力冲击混凝土过流面，对其造成破坏。与冲磨破坏一致，都表现为混凝土表面水泥浆和细骨料脱落，再到粗骨料外露。

有研究[7]表明空蚀与冲磨是两种不同的破坏机制，空蚀主要是空化气泡不断对混凝土表面破灭冲击，导致细骨料到粗骨料的连续脱落，留下形状不规则的蚀坑。冲磨主要是沙石的切削磨损，使混凝土表面凹凸不平，没有小颗粒附着在表面。

两者之间有一定促进和增强作用，冲蚀作用在表面产生缺陷孔洞以及散颗粒堆积骨架结构，骨架结构继而被冲磨作用冲散，加速混凝土磨损。

2 冲蚀破坏防治措施及工程应用

工程上现有的抗冲磨材料基本可以分为两大类：一类是柔性材料，如聚脲弹性体、环氧砂浆等；一类是高强刚性材料，如硅粉混凝土、纤维增强混凝土、HF混凝土等。以下是对近几年工程上常用的一些材料及防护技术进行阐述。

2.1 单组分聚脲

单组分聚脲材料是国内近些年来发展起来的一种新型高性能反应型、无溶剂污染的涂料产品。主要是由多异氰酸酯高分子预聚体、化学封闭的多元胺、助剂等组成的多官能团高分子液态混合物。

单组分聚脲材料具有综合力学性能优异、拉伸强度大、抗冲耐磨性好等特点，能与多种基材牢固粘结。该材料已广泛应用于有抗冲磨要求的泄水建筑物等水利水电工程领域，能够有效解决含砂高速水流的冲磨空蚀问题，延长泄水建筑物的服役年限。

山西禹门口灌区水利工程，由于所处地区年际、日际温差变化大，并且渡槽内冬季也有供水任务，导致槽身内混凝土病害严重，主要有冻融剥蚀、钢筋锈蚀等现象。2014年对灌区二级干渠11号、13号两座渡槽进行了补强加固及防护处理，主要选用SK单组分聚脲对混凝土断面进行防护。工程修复后通过对比分析，渗漏问题基本解决，渡槽运行水位流速增大，过流能力明显提高。北疆某水利枢纽工程气温年差较悬殊，多年平均气温仅2.7℃，气象和气候条件十分恶劣。因该地区海拔高、年温差大，如采用传统混凝土，极易产生裂缝，采用抗冲磨型SK单组分聚脲进行表孔溢流面防护，经过现场检查，经处理后的混凝土面裂缝封闭良好、涂层表面无开裂现象。一些其他重要水利工程也采用SK单组分聚脲作为防护试验材料，修补防护效果显著，如庄浪河渡槽,潘家口水库主坝，东江水源工程,蒲石河抽水蓄能电站等。

2.2 环氧砂浆

环氧砂浆又称环氧树脂砂浆，是由环氧树脂、固化剂等有机组分，石英砂、水泥等无机材料充当填料按一定比例混合的多相复合材料。该种砂浆具有粘结强度高、抗冲击和耐磨性好、施工范围广等特点，能有效增强混凝土构件的抗冲磨、抗碳化、抗化学侵蚀等性能,因而其广泛适用于混凝土裂缝修补和表面防护。有研究人员[8]经过室内对比试验，发现环氧砂浆的抗气蚀性能最强，是C40混凝土的6～8倍，C30混凝土的20倍。然而，环氧砂浆使用非常不便，在低温下热塑性差，必须要升高温度才能将固化的树脂从容器中倒出，其粘结性也会因温度的上升而降低，使用效果差。为了弥补环氧树脂的局限性，可以在环氧树脂中加入其他化学物质，更好地发挥其性能。廖婉蓉等[9]基于新型固化剂研发了可用于水下修补的新型环氧砂浆，对三板溪水电站溢洪道边墙及底板进行修补，经过多次冲刷，修复部位完好无损。

2.3 抗冲磨混凝土

传统普通混凝土脆性大、强度低，如果将其用在水工建筑物遭受冲蚀破坏的部位，在短期内会遭受破坏,不仅增加了修补次数，还会造成巨大的安全隐患和较高的经济成本。这就迫切需要开发出具有高强度、高耐磨性和抗冲击韧性优异的混凝土材料。

1)纤维混凝土。水工混凝土中掺入纤维可以提高抗冲磨性能。这主要是由于纤维可以在混凝土中形成一个三维支撑系统，提高混凝土黏性，减少骨料沉降，与混凝土之间还存在桥联作用，可以提高硬化混凝土整体性，从而提高抗冲磨能力。纤维的种类繁多，不同种类的纤维抗冲磨能力也不同。武晓菲等[10]研究了不同种类纤维对混凝土抗冲磨性能的影响，发现掺加长度为12 mm的聚丙烯纤维混凝土综合性能最优。李光伟等[11]通过试验发现，同等条件下，掺40 kg/m3的钢纤维混凝土抗冲耐磨特性要优于掺0.9 kg/m3的聚丙烯纤维混凝土。赵新华等[12]研究了聚乙烯醇纤维水泥基复合材料的力学性能和施工工艺，并将其应用在泄洪建筑物的表面防护。纤维增强混凝土在应用中还存在着一些问题，首先搅拌过程中纤维易缠绕成团，降低混凝土和易性的同时会影响混凝土的性能；其次是一些具有较好增强效果的纤维(如钢纤维)价格较高，增加了混凝土的成本。目前，国内外许多研究人员正致力于纤维改性，使其在混凝土生产过程中更容易分散均匀，同时使其更加经济。

2)硅粉混凝土。硅粉混凝土具有良好的抗冲磨性能、高强度以及防渗和低热等性质，适用于泥沙含量少，推移质粒径较小的水流，在水利水电工程中应用比较普遍。戈国庆等[13]将改性硅粉砂浆应用于石窟水库溢洪道修补加固，两个月后进行现场拉拔试验，平均检测值为2.8～3.1 MPa,试验检测值显著增大，修补效果良好。李东强等[14]针对水流冲刷下导流洞的磨蚀破坏，采用硅粉混凝土施工，并对原材料、浇筑、振捣和抹面进行控制，有效避免混凝土表面产生早期裂缝。湖南鱼潭大坝、石门沟水库和白石水库等均采用了硅粉混凝土，且都达到了设计要求，使用效果好。

3)橡胶混凝土。在多泥沙及推移质粒径较大的河流将橡胶颗粒或橡胶粉掺入混凝土使其更加耐冲磨,同时废旧橡胶粉经济、环保、可循环利用,具有密度低、延性好、抗弯及抗拉强度高、抗震能力强等特点。有研究人员[15]对不同橡胶掺量的混凝土进行疲劳加载试验，结果表明，橡胶掺量为20%混凝土的断裂能是普通混凝土断裂能的31.4倍。与普通混凝土相比，橡胶混凝土可以吸收水流中沙石对混凝土的冲击能量，起到抗冲耐磨的作用。

4)HF混凝土。HF高强耐磨粉煤灰混凝土是由优质粉煤灰、HF外加剂、符合要求的砂石骨料和水泥组成。由于HF外加剂具有减水效果，较小的用水量即可满足坍落度要求，尽可能避免泌水和离析现象的发生。此外，HF外加剂能激发粉煤灰的活性，使胶凝材料与骨料结合更加致密，减小孔隙率，从而提高混凝土抗压强度、抗冲磨强度等性能。HF混凝土在岗南水库、古瓦水电站、桐子林水电站等工程用做抗冲磨护面材料，较普通混凝土抗冲耐磨性有较大提高，各项指标均满足要求。

以上几种混凝土以及护面材料都是当前水利工程中常用的耐磨蚀材料，较普通混凝土性能有较大提高，但也有一定局限性。纤维混凝土在搅拌时容易出现结团现象，掺量较大时会影响混凝土的和易性，降低施工性能，成本较高；硅粉混凝土易产生早期裂缝，需要对施工过程严格控制；橡胶混凝土的强度较低，橡胶颗粒掺量会大幅影响抗压强度，限制了其在工程中的应用；HF混凝土综合性能优异，但其技术要求较高，要对设计、施工再到养护全过程进行把控。因此，在选择水工结构建筑物抗冲磨材料时，要充分考虑现场水流条件、介质粒径及形状特点、价格等因素，进行修补防护。

3 结 语

各类抗冲磨材料在我国水利工程中已得到广泛应用，但由于应用时间不长，材料的长期性能仍需要后期监测。本文针对目前水工混凝土经常出现的冲刷磨损问题以及常用的一些防护材料进行了总结和比较，得到如下结论。

1)通常水流中的介质分为悬移质和推移质。悬移质冲磨破坏是对混凝土造成切削作用，而推移介质则主要造成冲撞破坏。

2)冲磨和空蚀对混凝土作用的表现形式一样，砂浆和细骨料首先脱落，粗骨料裸露。但两者作用机制不同，相互之间有一定促进作用，进一步破坏混凝土表面。

3)目前对于抗冲磨材料的研究主要体现在对传统抗冲磨材料性能的提升，弥补原有材料的缺陷，降低成本，减少维护次数。也有开发出全新性能优异的抗冲磨材料，但在水利工程建筑结构中应用时间不长，材料的耐久性也需要大量试验检测。

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