锦屏一级水电站抗冲磨混凝土原材料组合优选

严建军 陈霞 周世华 张亮

（长江水利委员会长江科学院、水利部工程安全与病害防治工程技术研究中心，湖北 武汉430010）

摘要：本文依托锦屏一级水电站工程，采用水下钢球法和冲击试验研究了粉煤灰、硅粉、聚丙烯纤维、抗冲磨剂HF和聚脲弹性体抗冲磨涂层等材料对混凝土抗冲磨性能的影响，通过综合比较复掺硅粉和粉煤灰、硅粉和纤维、粉煤灰和抗冲磨剂HF以及涂刷聚脲涂层材料等不同原材料组合混凝土，对比其力学、抗冲磨和抗冻、抗渗等性能指标，结果表明复掺硅粉与纤维混凝土的抗冲磨性能更优越。

关键词：抗冲磨混凝土；粉煤灰；硅粉；纤维；聚脲涂层材料

1 引言

高速水流、含砂水流、推移质水流对水工建筑物过流面混凝土的冲磨破坏是水电工程建设和运行中的疑难问题[1]。水工建筑物的溢流坝、溢洪道、泄洪隧洞、泄水闸闸室底板、护坦、消力墩、排沙底孔的底板及边墙等部位[2]，当受到高速水流或挟沙、挟推移质水流冲击并经历一定运行时间后，往往会出现不同程度的磨蚀冲砸破坏或气蚀破坏，导致表面混凝土大面积剥蚀，严重的则会引发灾难性事故。据调查[3]，我国运行中的大坝泄水建筑物中有70%存在不同程度的冲磨破坏问题，严重的不仅自身受到破坏，甚至危及其他建筑物的安全。

锦屏一级水电站工程属于一等工程，其主体工程混凝土双曲拱坝坝高305m，具有泄洪规模大、水头高、流速快等特点，存在冲磨破坏风险，为保障建筑物结构安全耐久，必须重视抗冲耐磨混凝土的研究。鉴于此，本文分别研究了复掺硅粉和粉煤灰、复掺硅粉和纤维、外掺抗冲磨剂HF和涂刷聚脲弹性体抗冲磨涂层材料等对混凝土抗冲磨性能的影响，通过比较分析优选出具有良好抗冲磨性能的混凝土原材料组合，为锦屏一级水电站工程抗冲耐磨混凝土原材料选择和配合比优化提供依据。

2 原材料与试验方法

采用嘉华42.5中热硅酸盐水泥、宣威Ⅰ级粉煤灰和东南星硅粉，其中硅粉密度为2.19g/cm3，比表面积为18000m2/kg。纤维分别采用上海罗洋聚丙烯纤维和深圳维克聚丙烯纤维两种，外加剂为江苏博特JM-PCA聚羧酸高效减水剂、抗冲磨剂HF和长江科学院研制的CW聚脲抗冲磨涂层材料（主要性能指标见表1）。试验用骨料为锦屏的砂岩人工粗、细骨料，石子组合比中石∶小石=50∶50。混凝土试验配合比见表3。

混凝土的力学性能、水下钢球法抗冲磨试验、抗冻、抗渗性能试验均按《水工混凝土试验规程》（DL/T 5150—2001）的有关规定进行。

3 结果与讨论

3.1 强度

不同原材料组合制备混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度试验结果见表2、表3。

比较复掺粉煤灰与硅粉混凝土试验结果可知，硅粉掺量5%、粉煤灰掺量15%～20%时混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度最高；复掺硅粉与纤维混凝土的强度相比复掺粉煤灰与硅粉混凝土均略有提高，其中复掺8%硅粉与上海纤维混凝土的强度最高，相同条件下掺深圳纤维的混凝土强度比掺上海纤维的混凝土强度略高。

复掺硅粉与纤维混凝土，由于未掺粉煤灰，水泥胶凝体系中凝胶总量更高且荷载作用下纤维在混凝土中乱向分布起到了阻裂、增韧效果[4]，可有效提高混凝土的强度，特性是劈裂抗拉强度。

3.2 抗冲磨性能

采用水下钢球法研究了混凝土的抗冲磨性能，并参照ACI—544推荐的混凝土抗冲击试验方法进行了不同原材料组合混凝土的抗冲击试验。混混凝土的抗冲磨性能试验结果见表4。

3.2.1 水下钢球法

比较表中试验数据可知，复掺粉煤灰与硅粉混凝土中，粉煤灰掺量为15%、硅粉掺量为8%时，混凝土的抗冲磨强度最高 [6.57h/（kg·m-2）]且磨蚀率最小（4.39%），如图1所示。复掺纤维与硅粉混凝土的抗冲磨强度比粉煤灰硅粉混凝土高，且掺上海纤维混凝土的抗冲磨性能较掺深圳纤维的混凝土更优。

纤维混凝土复掺抗冲磨剂HF后，混凝土的抗冲磨强度比单掺HF的混凝土提高了18.7%、磨蚀率降低了16.3%。经聚脲弹性体抗冲磨涂层处理后混凝土试件无磨损（如图2所示），说明聚脲弹性体抗冲磨涂层处理能显著提高混凝土的抗冲磨性能。

3.2.2 抗冲击强度

成型φ150mm×64mm圆形混凝土试件，置于标准养护室养护28d后进行落锤冲击试验。冲击锤2.1kg，下落高度h=900mm，冲击锤中线与试件中心线对齐，测试时冲击锤自由落下。

试验结果表明，经聚脲弹性体抗冲磨涂层处理的试件，抗冲击性能明显提高。冲击荷载是瞬时荷载，其特点在于作用时间短而能量高，由于涂层材料弹性模量低，断裂伸长率高，具有较大的变形能力，受到冲击作用时，能够产生较大的变形，消耗了部分能量。

复掺硅粉与纤维的混凝土的抗冲击强度略高于粉煤灰硅粉混凝土以及复掺纤维与抗冲磨剂HF混凝土。

3.3 抗冻与抗渗性能

试验混凝土的抗冻及抗渗试验结果列于表5。所有配合比混凝土抗渗等级均达到了W8，由于未掺引气剂，混凝土经受抗冻次数较少，相对而言，纤维混凝土的抗冻性能略好，达到F50。冻融循环试验过程中混凝土质量损失较小，而相对动弹性模数下降较多，说明混凝土冻融破坏主要是混凝土内部产生微裂缝造成，而掺入聚丙烯纤维有助于抑制和减少微裂缝的产生和发展，从而提高了混凝土的抗冻性。

4 结语

（1）与粉煤灰硅粉混凝土比较，复掺硅粉与纤维混凝土的强度小幅增加，其中复掺8%硅粉与上海纤维混凝土的强度最高，相同条件下掺深圳纤维的混凝土强度比掺上海纤维的混凝土强度略高。

（2）水下钢球法表明，复掺纤维与硅粉混凝土的抗冲磨强度比粉煤灰硅粉混凝土高，且掺上海纤维混凝土的抗冲磨性能较掺深圳纤维的混凝土更优。

（3）综合力学、抗冲磨以及抗冻、抗渗性能比较，推荐采用复掺硅粉与纤维制备抗冲磨混凝土。

参考文献

[1] 张广碧，王红强，谢玉杰，等．水工抗冲磨高性能混凝土外掺料合理用量的探讨 [J]．四川水力发电，2007,26（4）:73-76.

[2] 杨华全，李文伟．水工混凝土研究与应用 [M]．北京：中国水利水电出版社，2005.

[3] 陈国新，唐修生，祝烨然，等．几种抗冲磨混凝土性能试验研究 [J]．混凝土，2008,221（3）:72-74.

[4] 朱江．聚丙烯纤维混凝土的防水性能及其应用 [J]．新型建筑材料，2000（2）:38-39.