泥沙矿物成分对混凝土材料磨蚀的影响

2023-08-08董志勇袁雨晨罗鑫悦徐瀚冉

农业工程学报 2023年10期

董志勇，袁雨晨，罗鑫悦，徐瀚冉

（浙江工业大学土木工程学院, 杭州310023）

0 引言

水利是农业的命脉，农业水利工程通过水工建筑物解决河流天然来水在时间、水量、高程上的矛盾，以满足农田灌溉和其他用水部门的需要，但在汛期为了保证水利枢纽的安全，需要通过溢洪道、泄洪洞、溢流坝等泄洪建筑物宣泄多余洪水。泄洪建筑物中水流为高速水流，易产生空化并发生空蚀破坏[1-2]。遭受空蚀破坏的泄洪建筑物数不胜数，如美国黄尾（Yellowtail）坝泄洪洞1967年泄洪后检查发现反弧段末端及其下游附近出现严重空蚀破坏，较大空蚀破坏区有10处，反弧段最大空蚀坑宽1.8 m，深0.6 m，平洞段最大空蚀坑长13.8 m，宽5.9 m，深达2.1 m，已穿过混凝土衬砌达到围岩[3]。在中国，如柘溪水电站溢流坝差动式挑流鼻坎、盐锅峡水电站消力池的消力墩等消能设施均发生过严重的空蚀破坏[4]。显然，仅靠泥沙对泄洪建筑物的磨损很难造成如此巨大的破坏。

中国河流中挟带泥沙量较高, 如黄河潼关水文站、辽河兴隆坡水文站、海河石匣里水文站等多年平均含沙量较大，分别为27.5、26.7、19.4 kg/m3[5]。由于早期大多数大、中型水电站和水泵站建在黄河上，其水力机械（水轮机、水泵）空化空蚀和磨损严重，故挟沙水流的空化空蚀和磨损问题研究是从黄河开始的。刘一心[6]对黄河花园口天然泥沙的浑水空化试验结果表明，含沙量低于10 kg/m3时，含沙水流较清水容易发生空化，但含沙量为 10～40 kg/m3时，悬浮泥沙对空化起抑制作用。程则久[7]采用黄河沙和塑料沙进行空化空蚀试验，发现存在临界含沙量，在低含沙量时，含沙量对空化和磨蚀起促进作用，在高含沙量时，对空化和磨蚀起抑制作用。赵万勇[8]关于引黄工程某泵站抽送含沙水时对叶轮产生的空蚀与磨损破坏的原因进行了分析，认为空蚀伴有泥沙会使破坏程度成倍增加。王磊等[9-10]对青铜峡、八盘峡及万家寨水电站实测结果表明，初生空化压力值随含沙量的增加均有所提高。由此可知，黄河泥沙对水力机械的磨蚀作用不容忽视，为此许多学者针对挟沙水流中泥沙粒径、含沙量、泥沙级配等因素对金属和混凝土材料空化磨蚀影响的机理开展了试验研究工作。HU 等[11]对清水和浑水中的304不锈钢进行了磨蚀试验，结果表明，临界含沙量质量比约为3%，超过临界含沙量，磨蚀量随含沙量的增加而增大，当含沙量为5%～10%时，磨蚀量随含沙量的变化趋于稳定。空化水流是当水流压强低于相应水温的饱和蒸汽压强时，溶解于水体中的微小气核膨胀成空泡形成的。鉴于此，常近时[12-13]认为浑水时气核数量远多于清水，浑水发生空化时泥沙会对构件表面产生破坏，增大空蚀作用；若空化不发生，则构件表面不产生泥沙磨损。浑水中空泡溃灭引发的微射流强度远大于清水情形，相同条件下浑水空蚀破坏较清水时强烈。董志勇等[14]通过循环式水洞试验得出，含沙量增加会促进磨蚀发生，加剧混凝土试件的破坏程度。卢金玲等[15]采用旋转喷射磨蚀试验装置进行不同沙粒粒径下的磨蚀试验，结果表明同种材料试件的磨蚀质量损失随粒径的增大而增加。黄继汤等[16]研究了挟沙水流对混凝土等脆性材料抗磨蚀性能影响，水流含沙量越高，平均磨蚀率越大，试件表面磨蚀越严重。尹延国等[17]给出高速水流中含沙量越大，冲刷磨损越严重。水流含沙后相较于清水其流动特征发生了变化，致使水流紊动强度和紊动混掺作用也发生改变[18]。许洪元等[19-20]对离心泵叶轮中固体颗粒的运动规律进行了试验研究，结果显示，颗粒密度和粒径越大，颗粒运动会越趋于叶片工作面，运动中受水流紊动作用越小。

近年来，许多学者对含沙空化水流进行了数值模拟。沈鑫伟等[21]通过对旋转圆盘试验装置的数值模拟结果表明，旋转圆盘空蚀附近静压力最大值随泥沙浓度的增加而增大，存在临界泥沙浓度0.09，小于0.09时促进空化，大于0.09时抑制空化。赵伟国等[22]对不同泥沙粒径、含沙量情形含沙水空化流动的数值计算表明，同一含沙量、不同沙粒粒径与同一粒径、不同含沙量下，空泡分布均呈现先增大、再接近、后减小的变化趋势，表明沙粒对空化的影响为先促进、后抑制。此外，一些学者采用多相流模型和空化模型对不同含沙量下模型泵进行数值模拟分析，认为泥沙固体颗粒对空化影响较大[23-27]。

综上所述，挟沙水流中泥沙含量对空化磨蚀有着重要影响，但前人主要研究人工沙粒浓度或天然含沙量对水力机械装置的空化空蚀和磨损的影响，所得结果不尽相同。而对挟沙高速水流中不同泥沙矿物成分引起的磨蚀问题则研究甚少。李亚杰[28]曾用人工破碎的石英沙与天然河沙进行对比试验，结果表明在沙速及沙粒径均相同的条件下，破碎石英沙对混凝土垂直冲击磨损为天然河沙的1.25倍。河流中泥沙是由各种矿物成分（如石英、长石、白云石等）组成，泥沙矿物成分对泄洪建筑物的磨蚀问题有何影响，迄今尚未见有文献报导。本文以泥沙矿物成分（石英，长石，白云石，云母，辉石）为研究对象，在小型循环式水洞中试验研究不同含沙量矿物成分在高速水流工况下对混凝土材料磨蚀的影响，以揭示泥沙矿物成分对混凝土材料磨蚀影响的机理。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验在浙江工业大学水力学实验室进行，采用自主研发的小型循环式水洞模拟高速水流对泄洪建筑物混凝土壁面的空化磨蚀作用。水洞装置如图1a所示，主要由水箱、多级离心泵、文丘里工作段、电磁流量计、控制阀及循环管路等组成。文丘里工作段包含收缩段、喉部和扩散段。工作段底部有7个测点，压力测点位置如图1b所示，其中测点Ⅰ位于喉部，测点Ⅱ~Ⅶ等距位于扩散段。扩散段顶部设有混凝土试件安放盒，用于放置混凝土试件，试件下表面与高速水流相接。挟沙水样从内筒经多级离心泵抽入循环管路，经控制阀、文丘里工作段、电磁流量计后回流至内筒。由于空化空蚀作用使水温升高，外筒盛放冷却水用以对水流降温。挟沙水流经收缩段后从低速变成高速，喉部局部压力突然降低，发生空化现象；水流进入扩散段后，因断面扩大，流速降低，压力升高，空泡溃灭引起空蚀。

图1 小型循环式水洞及其工作段示意图Fig.1 Sketch of small looped water tunnel and its working section

1.2 试验设计

试验主要通过控制含沙量、泥沙矿物成分等变量来研究高速挟沙水流对混凝土表面磨蚀的影响。人工筛分粒径80～120目（0.178～0.125 mm）的石英、长石、白云石等矿物泥沙，中值粒径d50为 0.150 mm，以及粒径300目（0.048 mm）的云母、辉石，分别取200、960、1 600 g，含沙量S取低含沙量2.5 kg/m3、中含沙量12.0 kg/m3和高含沙量20.0 kg/m3，在水洞内筒中配制不同矿物成分水样，并用红外测沙仪（Model 3 150和TSS）测定挟沙水样的含沙量。由SINOCERA-YE6263压力数据采集系统实时采集水洞工作段各测点压力。混凝土试件采用的水泥标号为425号硅酸盐水泥，砂粒粒径小于1.7 mm，水灰比（W/C）为 0.375，灰砂比（C/S）为2.5，龄期为7 d，试验得出其抗压强度为19.03 MPa，试件尺寸如图2所示。混凝土试件进行历时4 h的磨蚀破坏试验，每小时取出混凝土试件，用电热鼓风干燥箱以60℃烘干3 h，称量、观察并拍照记录混凝土试件表面形态，然后重新放入循环式水洞中继续试验。以混凝土试件每小时的质量损失来表征磨蚀量，用以反映高速挟沙水流对混凝土材料的磨蚀程度。

图2 混凝土试件尺寸示意图Fig.2 Sketch of concrete specimen dimension

2 结果与分析

2.1 矿物成分及其含沙量对空化区、磨蚀区压力的影响

配制5种矿物成分（白云石、长石、石英、云母及辉石）、3种典型含沙量（S= 2.5，12.0，20.0 kg/m3）的挟沙水样，通过压力数据采集系统实时测定各水样的压力，每种挟沙水样均做3次试验，分析不同矿物成分、不同含沙量与压力、混凝土试件磨蚀量的变化关系。

2.1.1 矿物含沙量对空化区、磨蚀区压力的影响

图3为含沙量S取2.5、12.0和20.0 kg/m3条件下，各泥沙矿物成分不同测点的时均压力。由图可知，在矿物成分和试验条件相同情况下，空化区测点Ⅰ压力随含沙量的增加而降低，磨蚀区测点Ⅱ~Ⅶ的压力则随含沙量的增加而升高。在磨蚀区，随着距喉部入口距离的增大，各测点时均压力逐渐升高，这是由于扩散段断面逐渐扩大，流速变慢所致。测点Ⅱ~Ⅳ的时均压力增加幅度较小，而测点Ⅴ~Ⅶ的时均压力急剧增加，表明扩散段后部的磨蚀作用比前部大。含沙量对空化区和磨蚀区压力的影响表现为：不同矿物粒径的含沙量增加时，空化区压力降低，磨蚀区压力升高，具有促进空化和磨蚀的作用。

图3 不同矿物成分不同含沙量时各测点时均压力（p）Fig.3 Time average pressure (p) at each measuring point under different mineral compositions and different sediment concentrations

以白云石为例，将空化区和磨蚀区3次试验的各测点时均压力与矿物含沙量的关系曲线进行拟合，如图4所示。由图可见，空化区时均压力与矿物含沙量呈线性负相关，而磨蚀区压力与含沙量则呈线性正相关，曲线的拟合优度R2均趋于1，表明图中曲线拟合程度较好，由此得出的时均压力与矿物含沙量的关系可信。在试验范围内，不同矿物粒径的含沙量表现为促进空化作用。相较于清水，含沙水流中沙粒使气核数量增加，因此矿物含沙量越高，气核数量就越多，压力降低时其释出的空泡就越多，并且试验采用的矿物为非黏性沙，沙粒粘滞性起的作用有限，所以不同矿物含沙量对空化起促进作用。

2.1.2 矿物成分对空化区、磨蚀区压力的影响

本试验选取5种矿物成分（石英、长石、白云石、辉石、云母），其摩氏（Mohs）硬度从小到大排列分别为：云母（2.5）、白云石（3.5）、辉石（6）、长石（6.5）、石英（7），将5种矿物分别配制成中含沙量S为12.0 kg/m3的挟沙水样，5种矿物各测点时均压力如图5所示。空化区压力（测点1）为负压，随摩氏硬度的增加而降低，硬度的增加会加剧压力脉动，从而使负压降低，促进空化的发生；随着扩散段断面沿程增大，磨蚀区（测点Ⅱ～Ⅶ）压力沿程升高。

图5 不同摩氏硬度各测点时均压力Fig.5 Time average pressure at each measuring point of different Mohs hardnesses

2.1.3 不同含沙量及矿物成分对空化数的影响

由空化数的定义[29]知，压力和流速是影响磨蚀的主要因素，因此可用空化数σ来表征水流空化条件：

式中pa为测点处绝对压力，Pa；pv为相应温度下水的饱和蒸汽压，Pa；ρ为水流密度，kg/m3；V为喉部断面平均流速，m/s。

图6为不同含沙量及矿物成分下各测点空化数，空化区含沙量越高、摩氏硬度越大，则空化数越低，空化现象越剧烈，这是因为空化数越低，空化区水流越容易发生空化，亦即水流中产生的空泡越多；磨蚀区空化数则随含沙量及摩氏硬度的增加而增大，磨蚀破坏加重，这是因为磨蚀区空化数的增大表明水流压力升高，致使空化区产生的空泡随水流进入磨蚀区后越容易发生溃灭，而空泡溃灭形成的微射流和冲击波作用易使混凝土、金属等固体材料表面发生磨蚀破坏。

图6 不同含沙量及矿物成分各测点空化数Fig.6 Cavitation number of each measuring point with different sediment concentrations and mineral compositions

2.2 矿物成分及其含沙量对混凝土试件磨蚀的影响

本试验制作了不同水灰比、灰砂比的混凝土试件，以高强度水灰比W/C= 0.375、灰砂比C/S= 2.5的混凝土试件为例，用以研究不同矿物成分及其含沙量对混凝土试件磨蚀量的影响，磨蚀量以每小时质量损失来表征。

2.2.1 矿物含沙量对混凝土试件磨蚀的影响

试验选取天然河流典型中值粒径d50为 0.150 mm的白云石、长石、石英，中值粒径d50为0.048 mm的云母和辉石，分别配制3种含沙量，分别为 2.5、12.0、20.0 kg/m3，如图7所示。从图7可以看出，混凝土试件在龄期、配合比、试验历时相同工况下，随着含沙量的增加，混凝土试件每小时损失量不断增加，即磨蚀量增加；累积磨蚀量随试验历时呈线性变化，拟合后近似为线性函数。由此表明，矿物含沙量具有促进磨蚀的作用。

图7 不同矿物含沙量混凝土试件累积磨蚀量随时间的变化曲线Fig.7 Variation curves of cumulative cavitation and abrasion erosion amount of concrete specimen with time under different mineral compositions

图8为不同矿物成分时，混凝土试件累积磨蚀量与矿物含沙量的关系。由图可见，5种矿物成分的变化趋势大致相同，按粒径可将5种矿物分为两组，以摩氏硬度由小到大排列，分别为组1：白云石、长石、石英，组2：云母、辉石。组1和组2的规律一致，均随着硬度增大，累积磨蚀量随矿物含沙量的增加而增大，二者近似为线性关系。

图8 不同矿物成分下混凝土试件累积磨蚀量随含沙量的变化曲线Fig.8 Variation curves of cumulative cavitation and abrasion erosion amount of concrete specimen with sediment concentration under different mineral compositions

通过对比不同矿物含沙量试验后混凝土试件表面的变化（以长石为例），由图9可见，低含沙量时，试件表面出现了较小孔洞，且分布较为均匀；中含沙量时出现较大较深孔洞，试件表面开始凹凸不平；高含沙量时，表面凹凸现象更为明显，且试件前部磨蚀剧烈，尾部较为平缓，其他矿物造成的混凝土试件表面破坏也与此相似。由此可知，矿物含沙量的增加使混凝土试件磨蚀作用加剧，随着试验时间的延长，试件表面破坏面积越来越大，破坏程度越加严重，造成的孔洞也越深。

图9 不同长石含沙量时混凝土试件表面破坏程度随时间的变化Fig.9 Variation of surface damage degree of concrete specimen with time under different feldspar concentrations

2.2.2 矿物成分对混凝土试件磨蚀的影响

本试验选取云母、白云石、辉石、长石、石英5种矿物成分，摩氏硬度分别为2.5、3.5、6.0、6.5、7.0，其中由于矿物加工限制，无法控制5种矿物粒径相同，白云石、长石、石英的中值粒径d50为0.150 mm，云母和辉石的中值粒径d50为0.048 mm。在含沙量S为12 kg/m3的工况下，龄期、配合比相同时混凝土试件与矿物摩氏硬度的关系如图10所示。由图可知，粒径相同的矿物成分，随着摩氏硬度的增大，混凝土试件磨蚀量基本呈上升趋势，小范围内呈现波动；随着试验进行，累积磨蚀量很明显随着摩氏硬度的增大而增加。硬度促进磨蚀的主要原因为：矿物硬度越大，空泡溃灭时微射流和冲击波的冲击作用就越强，水流冲刷过程中对混凝土试件表面造成的磨损就越大，从而使试件表面孔洞增多、粗糙度增加，表面分布越不平整，越能促进空蚀坑形成，二者相互影响，陷入恶性循环，使得磨蚀作用越来越强。

图10 不同矿物成分累积磨蚀量随时间的变化（S=12.0 kg·m-3）Fig.10 Time variation of cumulative cavitation and abrasion erosion amount of different mineral components (S=12 kg·m-3)