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1、浅议高速水流对水工混凝土结构影响和对策 摘要：随着社会的发展与进步，重视高速水流对水工混凝土结构的影响与对策对于现实生活中具有重要的意义。本文主要介绍高速水流对水工混凝土结构的影响与对策的有关内容。关键词高速水流；水工混凝土；结构；磨损；试验；中图分类号：TV131.3文献标识码：A文章编号：引言近年来我国为开发水利水电资源,许多高水头水利枢纽建于或将建于多泥沙水流中。由于高速含沙水流对水工建筑物表面的冲击、摩擦及切削等作用,使得建筑物表面不断被磨损,这已成为我国水工建筑物砼表面的主要病害之一。水工砼材料的
2、抗冲击磨损问题,由于影响因素多、实验周期长、成本高,并且很难做到室内试验模型和实际工况条件的统一,致使其机理和规律的研究还不够深入。目前,国内外学者主要从两方面对水工砼材料的抗冲磨损问题进行研究。一、磨损理论模型概述可以把水工砼表面受到水流与沙石的冲击、摩擦、冻融、腐蚀等的综合作用而产生磨损的进展情况,用以下的模型来描述(如图1所示)6。磨损首先从砼表面的砂浆部分开始。随表面砂浆逐渐磨损掉,粗骨料不断露出表面,此时砂浆和粗骨料共同承担水流的冲磨作用。由于两者耐磨性能的差异,使得耐磨性能好的粗骨料逐渐凸出,而水
3、泥砂浆不断磨损,逐渐形成凹坑,从而使水流的冲磨作用主要由凸出的粗骨料承担。随着骨料凸出程度增加,骨料与水泥石承受冲磨作用力的差别也随之增大,而两者的磨损速度则逐渐趋于稳定。随着磨损的持续,当表面凹凸不平的程度达到粗骨料难于与水泥砂浆连成一体时,粗骨料脱离基体被冲走,水泥石承受的冲磨作用力增大,磨损加剧,直至下一层粗骨料再次露出表面,重新达到新的平衡。如此反复进行,使得砼不断被磨损。砼是一种非均质多组分的脆性复合材料,并含有大量的缺陷,这里可以把砼看成是由三相复合而成的,即由骨料、水泥浆以及界面过渡层所组成。一
4、般情况下砼中骨料的强度与耐磨性高于基体,其形状和大小对耐磨性有一定的影响。骨料表面愈粗糙,与基体的结合愈好,砼的耐磨性愈高。大量的实验结果表明,骨料最大粒径Dmax小于10mm时,易于拔出,其对砼的耐磨贡献率降低;而当Dmax过大时,骨料与水泥浆体的界面增大,缺陷增多,也易于从基体中拔出,同时在基体表面留下较大的凹坑。进入凹坑中的砂砾由于高速水流而转动,使砼受到洗挖,6磨损加剧。骨料与水泥浆体的界面层(20~25m)是相对薄弱的环节,它由粗大的Ca(OH)2与钙矾石结晶及少量的C-S-H凝胶组成,并含许多粗大
5、的空隙和其它缺陷,强度不好。改善砼中骨料与水泥浆体的界面状态是提高砼耐磨性的重要途径。砂浆是砼的粘接相和承载基体,在砼的磨损过程中它首先被磨损掉,并在其后的磨损过程中控制着砼的磨损进程。可以说,砼的耐磨性主要取决于水泥砂浆的耐磨性。若能把砼中砂浆的耐磨性能提高到高于砼本身及粗骨料本身的耐磨性的话,就能制造出高耐磨性的砼。砼表面和亚表面以及其内部都含有大量的缺陷,包括裂纹、空隙、气泡、界面和夹杂物等。水泥浆体中的孔隙与界面过度层是砼材料的主要缺陷,对砼的各项力学性能以及耐久性能有较大的影响。研究砼的缺陷,孔隙率
6、是常被采用的参数。随着孔隙率的降低,砼的各项性能都将得到提高,特别是抗压强度提高几乎与孔隙率的降低成线性关系。同样,砼的磨损破坏过程也与基体中的孔隙及界面过渡层等缺陷紧密相关。高速水流中的砂石反复冲击表面产生高的接触应力,在砼缺陷部位产生较大的应力集中,于是微细裂缝就从这些部位产生或扩展。当表层或亚表层的多条微裂纹扩展直至连成一体时,就导致被磨损粒子的产生,并脱离表面。阻止微裂纹的产生与扩展就能减轻砼的磨损。钢纤维加到砼中,能阻止砼中原有微裂纹的引发,又能对基体中的微裂纹扩展产生阻滞效应,达到增强、增韧和阻裂
7、的效果,6因而能减轻磨损。所以,钢纤维砼在提高水工建筑物耐磨性方面的成功应用充分说明了砼的耐磨性与微裂纹的发生和发展密切相关。二、磨损试验这里,我们以掺入高效减水剂和硅灰为技术途径而配制的砼为研究对象,探讨其抗磨性能与各种影响因数的关系。按标准方法分别配置5种不同组分的砼试样,其养护龄期分别为3d、7d、28d和56d,具体的材料配比和抗压强度如表1所示。由表1可见,2号试样与1号试样相比,加入高效减水剂后使各龄期的强度均提高了30%以上。3、4、5号试样在掺入相同减水剂及水灰比一样的条件下,又分别掺加了5%
8、、10%、15%的硅灰,其28d抗压强度分别提高了692%、885%、923%。当硅灰的掺合量超过10%时,对砼强度增加的贡献减小,故硅灰的掺入量一般以不超过10%为宜。在模拟高速水流的实验设备上进行砼的冲刷磨损试验,固定流速为30m/s,并在水流中分别加入了1%、3%、5%和10%的河砂,试验时砼试样的龄期为28d,试验经时8h,试验结果如表2所示。试验表明,含沙量越大,冲刷磨损越厉害。然而,磨损
