水工混凝土抗冲磨性能试验研究

张红光

(北票市东官营镇产业发展服务中心,辽宁 北票 122100)

0 引 言

水工建筑物的溢流面、泄水口等部位受高速含沙水流冲刷破坏致使表面出现凹坑、麻面甚至大范围墙体剥落的情况,这将大大缩短水工结构使用年限,对工程安全造成严重影响[1]。在泄水过程中,有的高水头大型电站水流速度可以达到40～50m/s,要抵御冲蚀破坏就需要使用抗冲磨性能更高的混凝土。研究表明,骨料、水泥石基体及其界面处存在的弱耐磨和各种缺陷区域是导致冲蚀破坏的根本原因[2-3]。如买淑芳等研究发现抗压强度在一定程度上决定着混凝土的抗冲磨性能,其抗冲磨能力与骨料、胶材性能等因素存在密切联系;Hu等定量分析了水泥砂浆物相组成和孔隙率受冲刷-溶蚀共同作用的影响,结果发现随冲刷流速的增大混凝土水化产物含量和表层密实度呈现先下降后上升的变化特征;有学者认为[6]浆体表面的微观结构状况显著影响着混凝土抗冲磨强度[4-6]。采用抗冲磨外加剂可以增强耐磨区域的表层硬度、力学强度和抗冲磨性能,有效降低混凝土表面开裂风险。

目前,水工混凝土中比较常用的抗冲磨剂有减水剂类、硅粉类和钢纤维类3种,其中减水剂类的工作性调整难度大、功能单一,并且与其他材料的配伍性较差;硅粉类的早期放热量大且掺量较高时易引起开裂问题;钢纤维类存在成本较高、难分散且施工不便等问题[7-8]。因此,在实际应用时传统抗冲磨剂都存在一些不足,加之国内现有抗冲磨剂的产品质量层次不齐,类型多样,文章自主研制一种能够产生微膨胀补偿混凝土收缩,减水效果良好,早期水化放热相较于硅粉明显下降的SY-05抗冲磨剂,试验探讨粉煤灰、硅灰掺量以及SY-05抗冲磨外加剂对水工混凝土抗压强度、抗冻和抗冲磨性能的影响,以期为抗冲磨水工混凝土配制及其配合比设计提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1)水泥。采用“烽火牌”P·O 42.5级普硅水泥,安定性合格,标稠用水量28.1%,其主要性能指标如表1所示。

表1 水泥的主要性能指标

2)粉煤灰。选用葫芦岛市某电厂生产的F类Ⅱ级粉煤灰,经检测粉煤灰细度20.5%,烧失量2.8%,需水量比103%,含水量0.7%,三氧化硫0.51%,28d活性指数77%。

3)硅灰。采用海城市超细石粉厂提供的微硅灰,比表面积22000m2/kg,SiO2含量96.1%,密度2.1g/cm3,堆积密度200～500kg/m3,为保证较好的经济性和抗冲磨性,其推荐掺量为8%～15%。

4)集料。试验选用葫芦岛市建材厂提供的人工砂和石灰岩碎石,细度模数2.82,石粉含量6.4%,含泥量2.1%,表观密度2610kg/m3,MB值1.4。碎石级配5～30mm,压碎指标6.0%,吸水率0.85%,针片状含量5.2%,含泥量0.24%,表观密度2720kg/m3,硫化物0.12%。

5)外加剂。采用自主研发的SY-05抗冲磨剂和市场上购买的聚羧酸高效减水剂(推荐掺量0.5～1.5%),SY-05抗冲磨剂主要是由活性憎水矿粉、高分子胶粉、抗裂减缩和高效减水组分,经一系列加工处理制成的粉状外加剂,推荐掺量2%～5%,经试验检测其主要性能指标符合《水工混凝土外加剂技术规程》有关要求,如表2所示。

表2 外加剂的主要性能参数

1.2 配合比设计

为了探究水工混凝土抗冲磨性受SY-05抗冲磨剂和粉煤灰、硅灰掺量的影响规律,结合试验目的和《水工混凝土配合比设计规程》设计试验配合比如表3所示。

表3 配合比设计

2 结果与分析

参照《水工混凝土试验规程》中的圆环法(含沙水流抗冲试验)和相关操作流程测定各组试件的抗冲磨性、抗冻性及抗压强度,如表4所示。

表4 抗冲磨混凝土性能测试结果

由表2可知,相同胶材用量条件下,相较于基准组掺高效减水剂和粉煤灰(S1～S4组)会降低混凝土抗压强度,双掺粉煤灰与硅灰(H1～H3组)对提高试件早期强度的作用效果不大,但能够明显增加28d后期强度。掺SY-05抗冲磨剂和粉煤灰(K1～K4组)条件下,粉煤灰掺量不超过20%时可以在一定程度上提高混凝土强度,说明掺入SY-05抗冲磨剂有利于增强混凝土强度。混凝土的抗压强度与抗冲磨性能存在正相关性,所以掺SY-05自制抗冲磨剂配制混凝土抗冲磨性能与掺硅灰、粉煤灰混凝土相当,均优于基准对照组。另外,掺SY-05自制抗冲磨剂混凝土具有更低的水化热和更好的早期抗裂性,拌合物的和易性较好,其成本相较于水泥更低。综上分析,本研究认为掺粉煤灰与SY-05抗冲磨剂混凝土的经济技术性能整体较好。

水工混凝土结构受施工方案、管护方法、原材品质、设计标准等因素影响都或多或少的存在裂缝问题,库水与裂缝贯通形成射流或渗流会污染坝体内部廊道甚至造成结构应力条件的改变,使得整体抗冲蚀能力明显下降,对水工结构美观性和安全可靠性产生影响。所以,为提高抗冲磨性应确保体积稳定性,现有研究主要采用干缩和自生体积变形指标进行分析。结果显示,掺SY-05抗冲磨剂可以降低混凝土干缩变形,干缩90d时掺SY-05抗冲磨剂试件变形相较于基准组可以减小15.8%,并且胶材的水化反应也会改变混凝土体积。究其原因是混凝土中的砂浆可以与SY-05抗冲磨剂充分反应,水化形成的C-S-H凝胶提高了混凝土的整体黏结性能,抑制了裂缝的形成与发展,其抗变形能力明显提高。

3 结 论

文章通过试验探讨了SY-05自制抗冲磨剂对水工混凝土的影响,结果显示SY-05外加剂可以有效增强混凝土的抗冲磨性与抗压强度,其抗冲磨性与掺粉煤灰、硅灰混凝土相当,并且具有更低的水化热和更好的早期抗裂性,拌合物的和易性较好,其成本相较于水泥更低,材料可获取性好,对于配制高抗冲磨水工混凝土具有广泛的应用前景。