水工混凝土冲磨机理及抗冲磨性增强方法综述

水工混凝土冲磨机理及抗冲磨性增强方法综述

李同健

（重庆交通大学，材料科学与工程学院，重庆 400074）

摘要：本文在对水利水电工程中水工混凝土抗冲耐磨需求分析的基础上，综合国内外现有研究成果，分别从冲磨对混凝土的作用机理、抗冲磨性能增强方法展开综述，以期为解决水工建筑物冲磨问题提供理论参考。

关键词：水工混凝土；冲蚀破坏；抗冲磨；增强机理

0  引言

冲磨破坏作为水工混凝土损伤破坏的主要因素之一，是在混凝土耐久性领域被重点研究的对象之一。通过调查我国10条主要入海河流的径水流量及输沙量发现，含泥沙量大、河流径流量大是我国大多数河流的特点之一[1]。据调查，全国已开工建成的32座大型混凝土坝中有近七成的工程项目出现了比较严重的冲刷性磨损现象，使得水工建筑的耐久性受到威胁[2,3]。尽管后期采用多种材料和技术对建筑进行修补维护，但效果均不太理想，可见对于水工混凝土易发生的冲磨破坏问题急需找到有效的解决办法[4]。

1冲磨作用特征

冲磨作用是指由高速水流作用和水中固体颗粒共同对水工建筑物表面产生的一种不良作用。一般在大坝溢流面、泄洪底孔、水闸底板、消力池、排沙洞等部位易受到冲磨作用导致表面混凝土剥离，这是因为这些部位满足了产生冲磨作用的两个基本条件[5]：1）水流速度足够快，可以启动沙石的运动；2）水流运动中携带一定数量的固体颗粒。

发生冲磨破坏的水工混凝土常常有以下特征[6]：1）表面受冲刷磨损作用范围一般较大，并且受损表面呈现出一定连续性；2）未受冲磨作用的剩余部分力学性能变化不大，仍然比较坚硬；3）冲磨破坏的出现常常伴随着空蚀破坏，两者通常相伴相生；4）水工混凝土的冲磨破坏达到一定程度时，骨料间胶结料受严重淘刷，可能进一步加重混凝土受到的大面积的空蚀破坏。

2  冲磨作用机理

水工混凝土的冲蚀破坏包括冲磨破坏与空蚀破坏两种。冲磨破坏又包括悬移质破坏与推移质破坏两种。它们相互结合相互影响，共同对水工建筑物产生破坏。

悬移质泥沙由于质量较轻，靠水流的紊流以悬浮状态存在[4,8]，会随着水流向前运动，两者充分均匀混杂。固液两相流在水工混凝土表面不断产生具有紊动结构的小涡旋[9]，随着涡旋体的不断产生与消失，悬移质颗粒对水工建筑物表面产生较小角度的碰撞和切削等不良作用[10]。

推移质主要是以固体粗砾、块石颗粒为主的体积较大的物质，由于水流的脉动分流速不足以使推移质一直随水流运动，而自身沉降力又不足以使其在河床上保持静止状态，因此推移质多在水工混凝土的表面滚动、跳跃，时上时下。

3  抗冲磨性能的增强方法

通过对冲磨作用的过程与作用机理的分析可知，水工混凝土在运作过程中最先切最易被高速水流中泥沙冲刷磨损掉的是其表面的胶结材料，因此可以考虑通过改善胶结材料的物理力学性能与耐久性进而提高水工混凝土的抗冲磨性。

3.1  原材料对混凝土抗冲磨性能的影响

水泥是混凝土胶结材料的主要组成部分之一，水泥的优质与否直接影响混凝土的抗冲磨性能。李光伟等分别对两种不同水泥混凝土进行抗冲磨性能比较分析试验，研究亦得出相同结论：硅酸三钙含量较多的水泥砂浆抗冲磨性能较好。因此对于抗冲磨混凝土，水泥原材料一般选用矿物组成中硅酸三钙含量较高的高标号水泥产品，由此得到的混凝土抗冲磨性能较为优良。

硅粉、粉煤灰等掺和料的加入可以有效的改善混凝土表面胶凝材料的抗冲耐磨性能。Liu通过试验研究分析表明，与对照组相比，混凝土的抗冲磨性能在硅粉掺量为5%的情况下提高了13%，在硅粉掺量为10%的情况下提高了25%。

粉煤灰作为一种工业生产废料，具有成本低、干缩小等突出优势。Tarun R、薛媛等对混凝土抗冲磨性能的影响进行研究，研究结果表明掺入粉煤灰后混凝土抗冲磨性能整体改善并不明显。但如果把粉煤灰和外加剂共掺则可以在一定程度上解决这一问题，使其满足抗冲磨性能的要求。如在粉煤灰中掺入HF复合型外加剂可以进一步提高混凝土的抗冲磨性能。

3.2  配合比设计对混凝土抗冲磨性能的影响

当混凝土原材料不变时，水灰比降低，混凝土整体密实性得到大幅度提升，从而进一步改善其相关性能，这是混凝土抗冲磨强度得以进一步明显升高的关键原因。但同时，由于水灰比的显著降低，水泥浆稠度有所增加，混凝土为达到流动度要求，水泥用量也随之增加，这又是不利于提高混凝土抗冲磨强度的方面。

3.3  施工工艺对混凝土抗冲磨性能的影响

采用二次振捣的方法可以在一定程度上消除或减少水工混凝土裂纹的产生。在合适的时间对混凝土进行二次振捣，可以破坏包裹在水泥微粒表面的膜层，使剩余未反应的水泥可以继续反应，从而使混凝土的水化反应更充分，增加混凝土密实性，进而提高混凝土抗冲磨强度。

采用真空处理工艺，可以降低水灰比、提高混凝土的结构密实度，有利于减少水工混凝土表面产生裂纹、材料剥落等现象的发生，同时还可改善水工混凝土抗冲磨、抗渗、抗冻融等性能。

可以在大规模工程建设使用初期对水工混凝土表面涂覆一些防护材料来防止或者延缓外界因素通过水工混凝土表面孔隙对混凝土产生化学腐蚀或破坏。

4总结

混凝土的冲磨破坏作为水工混凝土损伤破坏的重要原因之一，对其机理以及解决方法的研究具有重要意义。本文在总结概括水工混凝土冲磨破坏机理、常用的抗冲磨方法以及存在问题后，对橡胶增强混凝土抗冲磨性的方法及机理进行概括总结，以期为未来解决水工混凝土冲磨破坏问题提供理论支持。

参考文献

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[6]尹延国, 胡献国, 朱元吉. 水工高强混凝土抗磨耐蚀性试验研究[J]. 水利水电技术, 1998(12):51–52.

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[9]宋志诚. 含沙高速水流泄水建筑物过流面维护方法[J]. 云南水力发电, 2021, 37(11):251–253.

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[11]尹延国, 胡献国, 解挺, 等. 水工混凝土的受力状态与磨损[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版), 2001(04):493–497.

[12]方鑫, 陈晓清, 陈剑刚, 等. 泥石流防治工程混凝土材料的抗冲磨性能[J]. 水土保持通报, 2021, 41(04):113–120.

基金项目：重庆市研究生联合培养基地建设项目（JDLHPYJD2018006）

Chongqing Joint Training Base Construction Project for Postgraduate Students(JDLHPYJD2018006)