HF抗冲耐磨剂在双河口电站泄洪洞的应用.doc

HF抗冲耐磨剂在双河口电站泄洪洞中的应用付 波摘要：本文通过系统地分析研究本泄洪隧洞的水力条件，并结合施工工艺，在流速大、水流空化数小或初生空化数大的部位采用抗冲耐磨材料以防止空蚀破坏。关键词：HF抗冲耐磨外加剂，泄洪洞，配合比，混凝土，泵送，应用1 工程概括本工程泄洪洞采用龙抬头的形式，原设计为有压隧洞、开挖半径为4.35m的圆形洞，衬砌厚度为80cm， C40钢钎维砼和C25砼各40cm厚；由于考虑到工程施工成本和施工难度及施工进度，质量便于控制等方面的原因，进行设计变更，变更后为8.512.1m的城门型开挖，衬砌80cm厚的C9045抗冲耐磨砼，隧洞全长528m。度汛标准为50年一遇洪水，相应的度汛设计流量为Q=3200m3/s，泄洪时洞内最大流速达到35m/s，为高速水流。根据国内外已建工程泄水建筑物破坏或失事的经验教训，因高速水流的空化，导致建筑物空蚀破坏的不乏其例，因此，本工程高速水流的防蚀问题也是主要的工程技术问题之一，其中采用抗冲耐磨材料是高速水流防蚀的重要措施。通过系统地分析研究本泄洪隧洞的水力条件，并结合施工工艺，在流速大、水流空化数小或初生空化数大的部位采用抗冲耐磨材料以防止空蚀破坏。2 抗冲耐磨混凝土性能要求根据本泄洪隧洞的水力学特性、结构要求及实际施工条件，对抗冲耐磨混凝土的性能要求如下：（1）基本性能：强度为C45（90天）、二级配、坍落度57cm、抗渗（W10）、抗冻（F100），需泵送的混凝土要求坍落度1820cm，其余要求相同；（2）抗冲蚀性能：抗冲磨强度为普通混凝土的23倍以上；（3）变形性能：希望具有较高的极限拉伸值和较小的干缩变形，以减少和防止裂缝产生。为了满足上述要求，根据国内外抗冲耐磨材料的最新和成熟的应用成果，可采用硅粉混凝土、钢纤维混凝土和HF抗冲磨混凝土。3 硅粉混凝土和钢纤维混凝土与HF抗冲磨混凝土之综合对比3.1 经济效益根据目前市场原材料价格和成熟的现场施工配合比情况分析，其经济增加费用如表3-1-1。从表中结果可知，硅粉混凝土与HF混凝土增加费用大致相等，但钢纤维混凝土的造价则十分昂贵。3-1-1 C45各型抗冲耐磨砼增加费用表类型单价（万元/T）掺量（kg/每方砼）每方砼增加费 （元/m3）硅粉0.20.3406080180钢纤维11.240904001000HF抗冲磨剂1.278801003.2 施工性能（1）硅粉混凝土:由于硅粉颗粒极细，比表面积很大，加入砼中后，可使砼粘聚性增大，流动性变差，施工和易性不好，使砼不易振捣密实,不易收光抹面,费工费时。在以往工程验收中，往往会发现硅粉砼蜂窝麻面较多，砼表面平整度差，一般不能满足平度要求，且龟裂及较大裂缝很多。同时对混凝土运输距离、时间和运输方式也有限制，否则将难于卸料。因此硅粉混凝土施工难度大，并且不易保证质量。（2）钢纤维混凝土：在混凝土中掺入一定量的断面积为0.10.42，长度为2040的钢纤维后，要使其钢纤维在水泥硬化体中均匀的分散，不使它同水泥浆或砂子结成球状团块与离析，就需要搅拌量控制在搅拌机公称容量的1/3以下，并增大搅拌时间，而造成搅拌设备效率低下。同时由于钢纤维相互摩擦和相互缠绕，形成具有一定刚性的空间网络结构，而抑制了钢纤维混凝土内部水及水泥浆的流动，这将会大大增加混凝土泵送的难度。（3）HF抗冲磨混凝土：新拌HF高强耐磨粉煤灰混凝土的粘聚性与保水性介于硅粉混凝土与普通混凝土之间，既克服了硅粉混凝土粘聚性太大不泌水的缺点，又改善了普通混凝土粘聚性差易泌水的性能；在和易性方面，由于粉煤灰的微集料效应，使粉煤灰混凝土的抗剪力显著减小，在外力作用下，易产生流动，因此在施工方面HF粉煤灰抗冲耐磨混凝土表现出了较大的优越性，易于振捣密实，易于出浆和收光抹面。3.3 抗冲耐磨性 我们知道混凝土破坏时，多发生在水泥石及其与骨料粘结面等薄弱环节，一旦薄弱环节破坏，整个混凝土便被破坏，受挟砂石水流冲磨破坏的混凝土，是先把其组成材料中耐磨性能较差的部份冲刷掉，若骨料中含软弱颗粒或骨料的耐磨性能较砂浆低时，则骨料先被冲磨成凹坑，若骨料比砂浆耐冲磨性能好，则挟砂水流先把砂浆冲磨掉，而粗骨料逐渐凸出，这样在高速水流作用下就会产生气蚀而造成破坏。根据以往工程实际情况可知硅粉混凝土和钢纤维混凝土的抗冲耐磨性都有优异的表现。HF抗冲磨剂的作用机理是激发粉煤灰的活性，使胶凝材料的水化产物致密、坚硬、耐磨，改善胶材与骨料间的界面性能，并使自身强度和胶结力显著提高，使混凝土形成一种较均匀的整体，提高了混凝土的抗裂性和混凝土的整体强度，提高混凝土抵抗高速水流空蚀和脉动压力的能力，达到提高混凝土的抗压强度、抗冲磨强度及耐久性能。结合多个已实施本抗冲磨混凝土的工程（含大峡、刘家峡、洪家渡、尼那水电站等大中型工程）和西北水科所、长江科学院对施工取样进行抗冲磨抗高速水流冲蚀试验，证明了HF混凝土能显著的提高混凝土的强度、耐磨性和抗高速水流空蚀性能。 根据以上综合分析本工程决定采用HF粉煤灰抗冲耐磨混凝土。4 HF粉煤灰抗冲耐磨混凝土配合比4.1 原材料 根据本工程已使用原材料的情况，选定的原材料分别为：水 泥：贵州水泥厂生产的“乌江”牌PO 42.5水泥。粉煤灰：安顺电厂生产的级粉煤灰。砂石料：本工程现场砂石料场生产的灰岩人工砂石料。减水剂：萘系高效减水剂。抗冲磨剂：甘肃省电力试验研究所的HF抗冲耐磨剂。4.1.1 水泥 混凝土的物理力学性能以及抗冲耐磨性能与使用的水泥品种及水泥标号有密切的关系。对抗冲耐磨混凝土来说，一般应选用标号较高、质量稳定、耐磨性能好的水泥。贵州水泥厂生产的“乌江”牌PO 42.5水泥，其化学成份及物理力学性能见表4-1-1和表4-1-2。表4-1-1 水泥的化学成份（%）SiO2烧失量SO3Fe2O3CaOAl2O3MgOK2ONa2O碱含量20.620.772.433.6159.506.262.191.20.180.52表4-1-2 水泥的物理力学性能水泥品种细度(%)稠度(%)凝结时间(min)抗折强度(MPa)抗压强度(MPa)安定性初凝终凝3d28d3d28d“乌江”牌P.O 42.52.426.41953305.18.128.147.4合格由表4-1-1至表4-1-2可知，贵州水泥厂生产的P.O 42.5水泥的物理力学性能满足国标硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥GB175-1999的要求，使用在本工程部位上是合适的。4.1.2 粉煤灰粉煤灰是混凝土的主要掺合料之一,混凝土掺入粉煤灰具有减水增强、节约水泥降低工程造价、降低混凝土的温升、延长混凝土凝结时间和提高混凝土拌和物的和易性等优点，从而获得混凝土质量、技术、经济上的效果。安顺电厂生产的级粉煤灰化学和物理力学性能见表3-1-3。表4-1-3 粉煤灰品质检验成果细度（%）烧失度（%）SiO2（%）含水率（%）需水比（%）备注17.85.470.830.2098达到dL/T5055-1996级粉煤灰标准要求4.1.3 砂、碎石骨料根据以往的工程实践证明，不同品种的骨料其耐冲磨度若小于水泥浆体的耐冲磨度，则对混凝土的抗冲耐磨性能影响很大，若耐冲磨度明显高于水泥浆体的耐冲磨度，则对混凝土的抗冲耐磨性能影响较小，这主要是由于在挟砂河水流对混凝土的冲磨过程中首先是冲磨掉较软弱的颗粒。因此，其抗冲磨强度主要是受最软弱颗粒的耐冲磨度的影响。因此，在选用抗冲磨混凝土骨料时，宜选用比设计的水泥结石冲磨强度高的骨料，同时要兼顾其经济性。粗骨料粒径大小对混凝土的抗冲耐磨强度影响较小。较大粒径的粗骨料可以减少水泥用量，有利于提高混凝土抗冲耐磨强度。选用抗冲耐磨混凝土粗骨料时，原则上应尽可能选用较大粒径的骨料，但也不能太大，一般不应超过40mm。本次试验选用的是本工程现场生产的灰岩人工砂石骨料，其砂石骨料的物理性质见表4-1-4、表4-1-5。试验结果表明,砂、碎石满足设计及水工混凝土施工规范（DL/T5144-2001）要求。表4-1-4 砂的颗粒级配项目筛孔尺寸（）石粉含量（%）细 度模 数52.51.250.630.3150.1600.080筛底累计筛余（%）3.827.844.362.280.690.296.81009.82.97表4-1-5 砂、碎石料的物理性质试验项目砂5202040堆积密度（Kg/m3）169015201482紧密密度（Kg/m3）186517781743表观密度（Kg/m3）268226982714饱和面干比重（Kg/m3）265726722687饱和面干吸水率（%）1.200.410.36针片状（%）/4.61.54.1.4 外加剂 水工混凝土掺用外加剂，目的是:降低水泥用量，减少水化热温升，简化温控成本，加快施工进度、改善施工工艺，可为业主、施工承包单位带来更好的经济效益；改善混凝土施工性能，提高混凝土耐久性，降低混凝土的维修费用及延长建筑物的寿命。昆明仁维工贸有限公司生产的萘系高效减水剂RW和意大利马贝公司的丙烯酸聚合物液体高效减水剂SX物理力学性能检测结果见表4-1-6，均满足水工混凝土外加剂技术规范（DL/T5100-1999）要求。表4-1-6 外加剂物理力学性能试验项目DL/T51000-1999标准检测结果RW外加剂SX外加剂减水率（%）1520.322.2泌水率比（%）10032.628.5含气量（%）3.01.81.8抗压强度比（%）3天1251471467天12515116428天120142150注:RW、SX的掺量分别为胶凝材料总量的0.8%、0.5%。4.1.5 抗冲磨剂HF抗冲耐磨剂是由甘肃省电力试验研究所研究的一种与粉煤灰共掺，提高粉煤灰混凝土抗冲磨性能的专用耐磨剂。其物理力学性能检测见下表3-1-7。表4-1-7 HF抗冲磨剂物理性能试验项目检测结果备 注细度（%）（1.25筛余）3.1试验用水泥采用贵州水泥厂生产的P.O 42.5水泥, 水泥胶砂流动度指标检测为；水泥：标准砂：水：HF抗冲耐磨剂分别为1：2.0:0.35:0.02含 水 量(%)2.4水泥胶砂流动度()136PH 值144.2 使用配合比 根据设计提供的抗冲磨混凝土的主要试验技术指标(混凝土强度等级、抗渗等级、极限拉伸值等指标),进行抗冲磨混凝土配合比设计试验。经过试配、调整、选择，最后确定符合设计、施工技术要求而又经济合理的抗冲磨混凝土配合比（见表3-2-1）。表4-2-1 抗冲磨混凝土配合比C9045推荐表混凝土种类试验 编号水灰比1M3混凝土材料用量外加剂品种水水泥粉煤灰（20%）外加剂 / 掺 量HF （2%）砂/ 砂率碎 石5202040泵送A-40.34125294742.994/0.8%7.36820/43435652RWB-40.34115270681.690/0.5%6.76837/43444666SX非泵送C-40.34105247622.472/0.8%6.18745/39496745RWD-40.3495223561.395/0.5%5.58790/39494742SX4.3 本抗冲磨混凝土的抗冲磨性能 采用水下钢球法，通过测定混凝土表面受水下高速流动介质磨损的相对抗力，来评价混凝土表面的相对磨损性能，试验结果见表4-3-1。表4-3-1 抗冲磨性能试验成果混凝土试验编号试件累计损失质量（Kg）试件受冲磨面积（）抗冲磨强度h/（Kg/）磨损率（%）备注泵送E-10.6180.282832.93.44无抗冲磨剂、外加剂E-20.5940.282834.03.32RWE-30.5880.282834.63.27SXA-40.3850.282852.82.14RW+2%HFB-40.3470.282858.61.92SX+2%HF非泵送F-10.6130.282833.13.41无抗冲磨剂、外加剂F-20.5890.282834.53.31RWF-30.5810.282835.03.23SXC-40.3820.282853.82.10RW+2%HFD-40.3680.282855.42.04SX+2%HF 根据表4-3-1试验结果，对泵送C9045混凝土，在不掺抗冲磨剂、外加剂时，其抗冲磨强度为32.9h/(Kg/)34.6 h/(Kg/)，掺HF抗冲磨剂后，其抗冲磨强度提高到52.8h/(Kg/)58.6 h/(Kg/)。对非泵送C9045混凝土，在不掺抗冲磨剂、外加剂时，其抗冲磨强度为33.1h/(Kg/)35.0 h/(Kg/)，掺HF抗冲磨剂后，其抗冲磨强度提高到53.8h/(Kg/)55.4 h/(Kg/)。由以上试验结果表明，无论是泵送C9045混凝土，还是非泵送C9045混凝土，在掺HF抗冲磨剂后其抗冲磨强度明显提高。5 HF高强耐磨粉煤灰混凝土在工程施工中出现的问题5.1 混凝土不易泵送 本混凝土在现场施工中发现时常在混凝土泵车中出现堵管，严重影响了施工质量和进度。分析得出，本混凝土试验配合比是在室内试验的基础上得出的，没有使用混凝土泵车输送检测，而当此混凝土在泵送过程中受到高压作用时会出现较严重的离析泌水，造成泵送困难。究其原因是HF粉本身具有高效减水作用，若再掺用高效减水剂，必然会使混凝土中的胶凝材料用量减少，造成混凝土的黏聚性偏差。然而HF高强耐磨粉煤灰混凝土具有一个特点，其拌和物在一段时间后会产生大量的胶凝物质，不经过高压输送，表面上是不易发现其和易性偏差的问题。针对此问题，由监理、设计、施工单位和试验室共同对配合比进行试拌调整，根据试拌结果，得出新的泵送(坍落度1820)C9045混凝土的施工配合比如下表（表54-1-1）表5-1-1 调整的抗冲磨混凝土配合比C9045推荐表强度等级水灰比1M3混凝土材料用量水水泥砂/砂率碎石粉煤灰/掺量HF粉/掺量5202040泵送C90450.34170400761/44%485485100/20%10.0/2% 从上表可以看出，本配合比取消了高效减水剂后，相应的增加了水泥用量，在强度与抗冲磨性能不降低的前提下，施工现场已证实了此混凝土泵送十分顺利。54.2 成型混凝土局部表面上出现少量干缩裂缝 泄洪洞底板浇筑后发现混凝土表面有少量微小裂缝，其宽度小于0.2，成网状，发现其产生的原因是没能及时养护，对于高强度砼应在8小时后及时养护，并且不能少于28d。浇筑时使用振捣棒来平仓，使浆液集中在表面，而形成局部的干缩缝。过振使骨料下沉，表面形成了一定厚度的水泥浆，增大了混凝土局部的水化热。施工单位对上述问题经过整改后，后续浇筑的混凝土再没有出现此裂缝。6 结语 工程中采用不同方法来提高混凝土的抗冲耐磨性能，应从设计指标、工程实际、施工条件、成本等方面综合考虑，选择合适的抗冲耐磨材料。抗冲磨混凝土配合比需经大量深入试验确定。 本泄洪洞工程应用HF高强耐磨混凝土，抗磨剂掺量小，拌和物流动性好，混凝土具有较高的抗压强度、抗冲磨强度和耐久性，较好地满足了混凝土拌和、施工及设计要求，达到了预期目的。但是根据HF抗磨剂的特性应注意以下几点：由于HF抗磨剂是激活粉煤灰，而使混凝土具有高强耐磨性，因此应尽量选用优质的粉煤灰，不低于国家级粉煤灰的标准。HF抗磨剂需以干粉直接加入水泥或粉煤灰中，且搅拌时间不能小于3分钟，以便使粉煤灰被充分激活，但又不能在运输过程中时间太长，避免形成大量的胶质体而影响混凝土泵送，因为此胶质体不能使浆体与骨料结合，只是增大了摩擦系数。由于HF抗磨剂本身具有高效减水作用，因此最好不掺或少掺其它的高效减水剂，保证其混凝土拌和物中骨浆不分离。对于一般工程，设计采用的HF混凝土强度不宜太高，一方面，强度太高不经济，强度越高，混凝土造价越高，并会使混凝土浇筑难度及温控难度加大；另一方面，混凝土的抗冲磨性能在一定的强度范围内，与混凝土的强度成正比关系，但当强度超过一定值之后，随着混凝土抗压强度的提高，其抗冲磨性能反而降低，因此，设计中片面追求混凝土的高强度是不足取的。根据已建工程抗冲耐磨混凝土推广经验，一般水利工程HF混凝土设计强度为C9040C9050即可满足要求，并充分利用混凝土的后期强度，降低成本。 根据多年的很多工程的应用经验和工程运行维护经验，抗冲耐磨部位的混凝土，其钢筋的保护层厚度是设计中应