水工抗冲磨混凝土原材料选用分析

第一篇：水工抗冲磨混凝土原材料选用分析

水工抗冲磨混凝土原材料选用分析

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

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。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I'll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。

第二篇：混凝土抗冲磨试验机使用说明书

HKCM-2混凝土抗冲磨试验机使用说明书

一、概述

HKCM-2混凝土抗冲磨试验机测定仪是根据《水工混凝土试验规程DL/T5150-2001》规定的技术要求设计的，利用旋转水流冲击钢球，在预制混凝土表面形成钢球冲击磨损的试验，以测定各类混凝土表面抗水流冲击磨损的能力。

二、主要技术参数

1.试样尺寸：φ300×100mm

2.试样容器筒尺寸：φ302×430mm

3.电机搅拌转数：1200r/min

4.钢球直径：φ12.7mm；φ19.1mm;φ25.4mm25个

5.电源：AC 380V50HZ

6.功率： 1.5KW

7.体积：1800 mm ×800mm ×500mm

8.重量： 180kg

三、结构原理

由机架、电磁调速电机、滑轮工作台、试验容器、水流搅拌器、试样成型筒等组成。

在电机工作情况下，通过电磁调速电机带动装有搅拌器的主轴旋转、搅拌器安装在试样容器中，试样表面放置不同规格的滚动钢球，搅拌器局部浸入水中，按照1200r/min的速度旋转搅动钢球，对试样产生摩擦磨损，以达到验证混凝土表面抗磨损的能力的目的。

四、安装使用

在检查抗冲磨试验机安装、控制正常后进行下列操作：

1、事先利用试样成型模，预制试样，称量试件重量并编号备用。

2、松开滑轮工作台试验筒中心轴上螺丝，拉动滑轮工作台试样容器筒到机架外面；松开容器筒周边8个固定螺钉，上抬，取下容器筒，将预制的试件放入托盘上，然后再放在试样容器筒内，拧紧钢筒8个不锈钢螺杆，拉动试样容器筒至固定位置上，插上两边插销固定。

3、把钢球按照直径25.4mm×10个，直径19.1mm×35个，直径12.7mm×25个的比例，装在试样容器筒内试样的表面上，将搅拌器装在调速电机轴上拧紧。检查搅拌器下端面，距离最大的钢球表面约13-15mm左右。

4、在试样的容器筒内灌入清水，水面高度以淹没搅拌器上端面后，在略高处10-15mm，合上分开的防水盖，按下锁扣。

5、合上漏电保护开关，再合上调速控制器开关，启动电机，开始搅拌，把调速转到1200r/min档，工作达到要求的磨损时间后，关闭电机停止试验。

6、松开防水盖和搅拌器轴上的螺丝，拉动工作台到机架外打开试样容器筒底座下的防水开关，放水完成后，松开容器筒与底座的四个固定螺杆，卸下试样容器筒和试件，清洗并擦干现场设备及工具，称重计算磨损量。试验结束。

五、注意事项

机架和未进行表面处理的金属件，须经常涂抹防腐油。

第三篇：溪洛渡水电站抗冲耐磨水泥混凝土性能试验研究

溪洛渡水电站抗冲耐磨水泥混凝土性能试验研究

来源：国家电力公司成都勘测设计研究院

2009年07月08日

前言

溪洛渡水电站装机12600MW，位于四川省雷波县和云南省永善县接壤的金沙江溪洛渡峡谷，是一座以发电为主，兼有防洪、拦沙和改善下游航运等综合利用效益的特大型水利水电枢纽工程。溪洛渡水电站具有“高水头、大泄量、窄河谷”特点，泄洪洞最大流速接近50m/s，泄洪功率约为9500MW，为二滩水电站的2.5倍。多年平均含沙量1.72 kg/m3，为二滩水电站的3倍多。坝址处多年平均推移质输沙量180万t，多年平均悬移质输沙量2.47万t。这样大的挟沙水流通过电站泄洪排沙建筑物，对建筑物表面材料的磨损破坏是一个急待解决的技术问题。为此，本文结合溪洛渡水电站工程，对各种抗冲耐磨混凝土的特性进行研究，从而优选出抗冲耐磨性能优良的材料供电站施工采用。2 影响混凝土抗冲耐磨性能的主要因素

混凝土是由胶凝材料和沙石骨料组成的多相复合材料。在悬移质和推移质泥沙的冲磨作用下，组成材料中抗冲耐磨性能较差的部分将首先被磨掉，抗冲耐磨性能较强的部分则凸现出来，并承受较多的冲磨作用。显然，提高混凝土内各组分的抗冲耐磨性能，提高耐磨性较高的组分在混凝土内所占比例及改善各组分之间的界面结合状况，都有利于混凝土抗冲耐磨性能的提高，其中水泥品种与骨料品种是影响混凝土抗冲耐磨性能的主要因素。2.1 水泥品种对混凝土抗冲耐磨性能的影响

水泥的各项力学性能，主要决定于组成它的矿物成分及其含量。对合成单矿物熟料的水泥进行的相同稠度浆体的单矿物水泥石及沙浆的磨损试验结果表明，C3S抗冲磨强度最高，C2S的抗冲磨强度最低，C3A及C4AF的抗冲磨强度较接近。结合溪洛渡水电站的实际情况进行的不同品种水泥的抗冲耐磨性能试验研究结果表明：在相同条件下，采用江津中热525号水泥的混凝土抗冲耐磨性能优于采用水城普硅525号水泥的混凝土。用单位强度的混凝土抗冲耐磨强度指标来衡量，也可以得出这个结论。这是由于江津中热525号水泥与水城普硅525号水泥相比，其C3S的含量较高、C2S含量较低的缘故。水泥的基本性能及不同品种水泥混凝土抗冲耐磨性能见表

1、表2。

2.2 骨料品种对混凝土抗冲耐磨性能的影响

一般情况下，挟沙石的水流首先将混凝土表面水泥石的分子与母体分离，使水泥石逐渐成凹坑，而骨料逐渐凸出来。在挟沙石水流的继续冲击下，凸出的骨料所承受的冲磨作用力大于凹陷下去的水泥石，因而骨料的品种以及骨料的自身耐磨性能对混凝土的抗冲耐磨性能的影响是不容忽视的。

溪洛渡水电站工程区域内天然沙砾石质次、量少，大坝混凝土需采用当地的灰岩和玄武岩加工人工骨料。鉴于溪洛渡水电站的实际情况，对玄武岩和灰岩人工骨料进行了耐磨性能试验，并对不同品种人工骨料混凝土的抗冲耐磨性能进行了试验研究。

2.2.1 人工骨料的耐磨性能

采用ASTM标准中C131和C535方法对灰岩和玄武岩人工骨料分别进行耐磨性能试验。试验结果表明（见表3）：灰岩和玄武岩的磨损率均未超过ASTM标准中C131和C535的规定，不同粒径的玄武岩耐磨性能都优于相应的灰岩。在对ASTM标准中C131和C535方法进行修改和补充的基础上，进行了不同组合人工骨料的耐磨性能试验。试验结果表明（见表4）：玄武岩人工骨料的耐磨性能最好，灰岩人工骨料的耐磨性能最差，玄武岩粗骨料与灰岩细骨料组合的耐磨性能介于两者之间。

2.2.2 不同品种人工骨料对混凝土抗冲耐磨性能的影响

在水泥品种及混凝土配合比相同的情况下，玄武岩混凝土的抗冲磨强度比灰岩混凝土的提高1倍多。当保持混凝土粗骨料品种（玄武岩）不变时，仅改变细骨料品种（将玄武岩人工砂代替灰岩人工砂），混凝土抗冲磨强度提高73%；在保持细骨料品种（灰岩）不变情况下，仅改变粗骨料品种（将玄武为岩代替灰岩作粗骨料），混凝土的抗冲磨强度可提高28%。由此可见，骨料的品种对混凝土的抗冲耐磨性能具有显著的影响，其中细骨料品种的影响要大于粗骨料品种的影响。由试验结果可以看出（见表5），不同一试验条件下，骨料的耐磨性能与混凝土的抗冲磨强度有明显的关系，耐磨性能好（骨料磨耗率小）的骨料，其混凝土的抗冲磨能力就强。对溪洛渡水电站有抗冲耐磨要求的部位，其混凝土应选用玄武岩人工骨料。武岩人工骨料。

溪洛渡水电站抗冲耐磨混凝土的性能试验研究

减轻或防止推移质及悬移质破坏水工建筑物的途径，可以从两个方面着手：一是设计时，在工程布置和工程结构上尽可能使水流顺直，消能工应避免采用使水流紊乱的结构形式，以减轻推移质的撞击；二是在水工建筑物过流部位采用抗冲耐磨性能优良的材料加以保护。针对溪洛渡水电站的实际情况分别进行了玄武岩人工骨料混凝土、硅粉混凝土、聚丙烯纤维混凝土、铁矿石混凝土和矿渣微粉混凝土抗冲耐磨性能的试验研究。通过试验研究，推荐适合溪洛渡水电站的抗冲耐磨混凝土，以减轻和防止溪洛渡水电站水工建筑物发生冲磨破坏。

高速挟沙水流及推移质沙石对混凝土材料的冲磨试验方法及抗冲磨性能的评定标准，至今未统一。为了客观地评定各种抗冲耐磨材料的性能，采用了圆环法（以抗冲磨强度表示）、水下钢球法（以抗磨损强度表示）、圆盘耐磨仪法（以耐磨硬度表示）和冲击法（以抗冲击韧性表示）等多种试验方法对混凝土抗冲耐磨性能进行试验研究。

3.1玄武岩人工骨料混凝土的抗冲耐磨性能

玄武岩人工骨料自身坚硬致密（密度为2.96g/cm3，吸水率为0.52％），耐久性能好，其混凝土基本性能及抗冲耐磨特性见表6。试验表明，随着混凝土水灰比的减小，玄武岩人工骨料混凝土的密实性提高，抗冲磨强度增大。但抗冲磨强度随着水灰比减小逐渐增大的规律是有一定区限的。当水灰比过小时，水泥浆过于黏稠，致使在相同坍落度条件下，混凝土内水泥浆量过多，骨料含量相对较少，混凝土抗压强度虽然有所增加，但抗冲磨强度反而可能下降。因此在抗冲耐磨混凝土配合比设计时，不能无限制地减小水灰比，否则不仅不能达到提高混凝土抗冲磨强度的目的，反而会产生浪费水泥、增大混凝土发热量及干缩率等一系列弊病。

3.2 硅粉混凝土的抗冲耐磨特性

硅粉的主要成分为无定形氧化硅，其颗粒为极细小的球形微粒，比表面积达20m2/g，具有很高的活性。试验研究表明：硅粉掺入混凝土中，可显著改善水泥石的孔隙结构，使大于320A的有害孔显著减少，可使水泥石中力学性能较弱的Ca（OH）2晶体减少、C－S－H凝胶体增多；同时也可改善水泥石与骨料的界面结构，增强了水泥石与骨料的界面黏结力，从而提高混凝土的各项力学性能。本次试验研究采用昆明铁合金厂生产的硅粉，其SiO2含量为88.9%，密度为2.28g/cm。硅粉掺入混凝土的方法为内掺法（取代同重量水泥），掺量分别为8%、10%和12%。与普通混凝土相比，掺8%硅粉时，抗压强度增加4%左右；掺10%硅粉时，抗压强度增加9%左右；掺12%硅粉时，抗压强度增加18%左右。

由硅粉混凝土抗冲耐磨特性试验结果可以看出（见表7），硅粉混凝土与普通混凝土相比,抗冲磨强度明显提高。掺8%硅粉时提高22%，掺10%硅粉时提高28%，掺12%硅粉时提高69%。加入硅粉能改善混凝土的抗冲耐磨性能是由于改善了浆体自身的抗磨性和硬度，以及水泥浆与骨料界面的黏结，从而使粗骨料在受到磨损作用时难以被冲蚀。由硅粉混凝土冲磨失重率与冲磨时间的关系曲线可见（见图1），普通混凝土各时段的冲磨失重率明显高于硅粉混凝土，在冲磨早期阶段（水泥石磨蚀阶段，见图2），硅粉混凝土的抗冲磨强度较普通混凝土提高了78.0%－94.5%，掺入硅粉对混凝土水泥石抗冲磨强度的改善可见一斑。

3在冲击荷载作用下，硅粉混凝土的能力比普通混凝土增加53.8%－200.0%，并随着硅粉掺量的增加而增大。在模拟高速水流下推移质对混凝土表面的冲磨情况下，硅粉混凝土的抗磨损强度较普通混凝土提高了78％～92％。由圆盘耐磨仪法试验结果来看，在同等条件下，硅粉混凝土的耐磨硬度比普通混凝土提高174％～246％。从硅粉混凝土的抗冲耐磨特性来看，掺入硅粉对混凝土整体抗冲击能力的提高幅度要大于对混凝土表面抗冲磨能力的提高幅度，说明掺入硅粉有利于混凝土整体增强。

3.3 聚丙烯纤维混凝土的抗冲耐磨特性 在混凝土中掺入一定量的聚丙烯纤维具有防止或减少混凝土裂缝、改善混凝土长期工作性能、提高变形能力和耐久性等优点，因而在工程上得到广泛的应用。本次试验研究采用四川华神建材有限公司研制开发的“好亦特”聚丙烯纤维，试验中聚丙烯纤维采用的三种掺量分别为0.6kg/m3、0.9kg/m3和1.2kg/m3。由聚丙烯纤维混凝土的基本性能可以看出（见表8），同不含纤维的普通混凝土相比，聚丙烯纤维混凝土的脆性指数有所降低，弹性模量降低，极限拉伸变形增大。聚丙烯纤维所具有的这些特征，有利于提高混凝土的延性，改善混凝土变形性能，这对约束混凝土裂缝的扩展以及提高混凝土裂后的承载能力都起很大的作用。混凝土的收缩试验结果表明，掺入一定量的聚丙烯纤维可以明显地减少混凝土的收缩变形，随着纤维掺量的增加，其收缩变形减少的幅度加大。

从混凝土在高速挟砂水流下所测试验结果来看（见表

9、图3），在混凝土中掺入一定量的聚丙烯纤维可以提高混凝土的抗冲磨强度（24％～45％），其抗冲磨强度随着聚丙烯纤维掺量的增加而增大。由聚丙烯纤维混凝土抗冲磨强度时段曲线可以看出（见图4），在冲磨的初期，由于聚丙烯纤维的掺入，水泥石的整体性能增强，抗冲磨强度提高了38．8％～69.4％。随着磨蚀的不断增加，混凝土中的骨料不断裸露，骨料开始承担着大部分的冲磨作用。由于两种混凝土的骨料相同，此时聚丙烯纤维混凝土和普通混凝土两者抗冲磨强度的差异逐渐减小，仅相差18.6%－31.4%。对聚丙烯纤维砂浆表面进行的耐磨硬度测定结果表明，在同等条件下，聚丙烯纤维可使砂浆表面耐磨硬度提高37%。在冲击荷载的作用下，掺入一定量的聚丙烯纤维可以明显提高混凝土的抗冲击韧性（提高26.9%－57.7%），并随着掺量的增加而增大。