水工抗冲磨混凝土原材料选用分析

摘要:文中介绍了水工混凝土的冲磨破坏机理及研究现状，结合张峰水库杭冲磨混凝土配合比试脸对杭冲磨混凝土的原材料选用进行分析，通过原材料优选研制出了经济合理满足设计要求的杭冲磨混凝土。

关键词:杭冲磨;原材料;性能

中圈分类号:TV41 文献标识码:B

水工抗冲磨混凝土不同于普通混凝土，它是以抵抗含砂石、高速水流冲磨破坏为目的的特种混凝土。据调查，我国运行中的大坝泄水建筑物有70%由于高速含砂水流的冲刷磨损和空蚀作用，存在不同程度的冲磨破坏问题，导致建筑物过流面表层大面积剥蚀破坏，甚至有严重的安全隐患。如何获得力学性能稳定，具有较高的抗冲磨强度和较好的冲击韧性的抗冲磨混凝土，一直是我国水工混凝土材料领域研究的重要课题。

1 水工混凝土冲刷磨损机理

水流中的悬移质泥砂颗粒较小，在高速水流的紊动作用下与水充分混合，非常均匀地与水流一起运动，在移动过程中触及建筑物过流面时对混凝土产生磨损、切削和冲撞。随着磨损剥离程度的增加，过流面产生凹凸不平的磨损坑，高速水流受到扰动进而加剧冲磨破坏的进程，并同时产生空蚀破坏。水流中的推移质在高速水流作用下以滑动、滚动及跳动等方式与过流面产生滑动摩擦和冲击砸撞，在撞击区形成很高的局部应力，当应力超过混凝土内聚力时，发生局部破坏。

2 水工抗冲磨混凝土研究现状

为提高水工混凝土的抗冲磨、空蚀能力，20世纪60,70年代多采用高分子材料护面，但由于其存在与基底混凝土温度适应性不好，容易开裂脱落且有毒性、污染环境、施工不便等缺点，80年代以来国内多家科研单位先后开展了无机胶凝材料类的水工泄水建筑物抗冲磨混凝土研究和应用，主要有:硅粉混凝土、纤维增强混凝土、粉煤灰混凝土、铁钢砂混凝土等。经过十几年的工程实践，硅粉混凝土抗冲磨性能良好，技术指标超过高分子材料。

3 原材料选用分析

混凝土是一种以胶凝材料、水、砂石骨料及掺合料、外加剂混合形成的一个多相体，决定这种多相体的抗冲磨主要有两个方面的性能，一个是组成材料本体的抗冲磨性能，另一个是各种材料相互结合是否牢固的性能。后一个性能可以用混凝土的强度代表，而提高本体材料抗冲磨性能需要采用坚硬的骨料。

水泥混凝土强度的提高，其主要影响因素在于胶凝材料活性及水灰比。通过选用高标号水泥、高活性超细粉材料、超细磨矿渣粉材料、优质粉煤灰等掺合料增强胶凝材料活性。在保证混凝土的耐久性、经济性和体积稳定性的基础上，选用高效减水剂、引气剂等外加剂。

4 工程实例

张峰水库位于山西省晋城市沁水县沁河干流上，水库大坝采用粘土斜心墙堆石坝，最大坝高72.2 m，总库容3.92亿m3，泄水建筑物有导流泄洪洞和滋洪道，导流洞断面最大流速为29m /s,滋洪道断面最大流速为31m/ s，平均含砂量为5.54 kg/m3,

4.1 技术要求

张峰水库泄水建筑物有导流泄洪洞和溢洪道，设计要求:导流泄洪洞强度等级C40，抗冻等级F150，抗冲磨强度大于0.8 h/(叼‘)，骨料要求二级配，建议掺铁矿石、硅粉;滋洪道强度等级C35，抗冻等级F150，抗冲磨强度大于0.75 h(kg/m)，骨料要求二级配，建议掺硅粉。

4.2 水泥的选用

在高性能水工抗冲磨混凝土的配置中，水泥是最主要的胶凝材料，它的优质与否直接影响抗冲磨混凝土物理力学性能和耐久性。由于水泥在棍凝土中的重要性，要求使用高强度等级水泥，以减少水泥用量。通常高性能水工抗冲磨混凝土应首选纯硅酸盐水泥，普通硅酸盐水泥也可以，水泥标号宜选用42.5级水泥。初选三种水泥，依据(硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》GB175-1999进行检验，物理力学性能试验结果见表1，从表中可以看到三种水泥的物理力学性能指标均符合国家标准。经过对比筛选，采用邯郸P.O 42.5进行抗冲磨混凝土试验。

4.3 骨料

混凝土中的骨料包括粗骨料和细骨料两种，骨料作为经济的填充料，在混凝土中占体积的70%-80%，骨料的优劣，

直接影响混凝土的抗冲磨防空蚀强度，工程应用的骨料品种繁多，高性能抗冲磨水工混凝土的高抗冲磨性能要求骨料与水泥石界面性能良好、骨料的抗冲磨性能高.使混凝土具有体积的稳定和耐磨性能，所以高性能抗冲磨水工混凝土要求使用优质骨料。

4.3.1骨料选用

张峰水库位于山西晋东南地区，夭然砂质地很差，质检结果含泥量超标，坚固性超标，不能作为高性能抗冲磨水工棍凝土细骨料。初选邻近地区河北石家庄砂子，该砂颜色偏黄，质量检测结果:坚固性达18.4%，含泥量为3.2%，超出部颁标准SDJ207-82规范要求，该砂质量不合格。重选河南信阳长台关砂场砂子，该砂场是一家小型国有砂场企业，砂场采用机械化采砂，经质量检验该砂各项指标符合SDJ207-82标准要求，该砂细度模数2.8，属中粗砂，适宜配制抗冲磨水工混凝土。

4.3.2 粗骨料选用

粗骨料选用沁水灰岩碎石、芜湖铁矿石、曲沃铁矿石进行试验。沁水灰岩碎石5-20 mm,20--40 mm超径严重，5-20 mm超径达74.6%,2040 mm超径达23.6%，软弱颗粒占12.6%，软弱颗粒超标，会使混凝土在高速挟沙水流冲磨作用下表面凹凸不平，加剧冲磨破坏及空蚀破坏，不能作为高性能抗冲磨水工混凝土骨料;芜湖铁矿石5-20 mm超径占22.7% ,20 -40mm逊径占46.5%，此铁矿石超逊径超标，级配不好需加工处理;曲沃铁矿石坚固性达12.5%超标，不能作为高性能抗冲磨水工混凝土骨料;阳城下川灰岩骨料超逊径超标，级配不合理，需加工处理，选阳城下川灰岩骨料、芜湖铁矿石作为抗冲磨水工混凝土骨料进行试验。对阳城下川灰岩碎石进行加工、筛分，加工后的5-20 mm碎石由5-10mm, 10-20mm碎石配制而成。

4.4 矿物活性细掺料

矿物活性细掺料包括硅粉、粉煤灰、矿渣粉，硅粉是冶炼金属时的副产品，主要成分为SiO2，由于硅粉可明显提高抗磨蚀性能，通常优先掺用硅粉;优质粉煤灰属于人工火山灰质材料，掺用后起物理化学变化，改善混凝土性能;磨细的矿渣粉也可以代替水泥，降低水化热，提高抗渗性，还可抗化学腐蚀，增加耐久性。

4.4.1 硅粉的选用

由于硅粉颗粒很细，可以填充水泥石中的粗孔隙，能明显提高抗磨蚀能力，在抗冲磨混凝土中优先采用硅粉活性细掺料。在硅粉的选择中，采用了山西省忻州铁合金厂生产的硅粉进行选材试验，其性能试验结果:密度为2.23g/cm3，细度为2.65%，在国标要求小于等于10%的范围;比表面积28M2/g，满足国标要求的大于等于15 m2/g;容重163 kg/m3;含水量1.0%，符合国标小于等于3%的要求。

4.4.2 粉煤灰的选用

粉煤灰的掺用可以节省水泥用量，更能改善混凝土性能，优质粉煤灰的颗粒非常细小，可以填充混凝土孔隙，并发生水化热产生物理作用和化学作用，提高混凝土耐久性和抗冲蚀能力，为此掺用优质粉煤灰对配制抗冲磨混凝土十分重要。在张峰水库抗冲磨混凝土粉煤灰的选用试验中，对漳泽电厂粉煤灰、神头二电厂粉煤灰进行了物理化学成分的检验，检测结果漳泽电厂粉煤灰符合国家标准I级灰要求，神头二电厂粉煤灰符合国家标准I级灰要求。根据(水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规范》DU F5207-2005要求，配制高性能混凝土可掺用Ill级粉煤灰，选用神头二电厂I级粉煤灰进行抗冲磨混凝土试验。

4.5 外加荆

对于高性能抗冲磨防空蚀混凝土要求有高的强度，好的抗渗性和稳定的体积，满足这些性能不能只靠增加水泥用量提高强度，应掺用高效减水剂降低水灰比.减少用水量，改善和易性，提高混凝土的抗磨蚀能力。为此，对河北省水工局外加剂厂生产的减水剂DH,和引气剂DH9、山西黄河新型化工有限公司生产的减水剂HJAS-1,HJUNF-2A和引气剂HJAE-A、太原市广达新型建材研究所生产的引气型减水剂XGY进行化学成分、减水率和砂浆强度的试验研究，根据检测结果选择河北省水工局外加剂厂生产的外加剂DH、和DH，作为抗冲磨混凝土配合比掺用材料。

5 结语

构成水工抗冲磨混凝土的原材料对其抗冲磨强度具有决定性的影响，选用优质的、适用于抗冲混凝土的原材料是配制满足设计要求的抗冲磨混凝土的前提条件。张峰水库抗冲磨水工混凝土经过原材料优选、配合比优化设计，研制的混凝土各项技术指标满足设计要求，由于粗骨料全部采用阳城灰岩具有明显的经济效益。