高速含沙水流建筑物抗磨蚀混凝土护面技术研究及应用

1、严，严，摘要VV独创性声明本人所呈交的学位论文是在导讎费辱下进行的#究工作及取得的成果。尽我所 知，除特别加以标注的龙方外，论文中不隹含其他人的磺究成果与我一同工作的同 志对本文的研究工作和成果的任何贡酿均己在论文中#了明确的说明并已致谢。论文作錄名:年一月曰本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承握一切相关责任论文作錄名:年一月曰本人在#嬅敢_警卞:铒餱完虞学位谙文的知识产权归西安理工大学 所有，本人今后在使甩或发表该撬交糨属德研裝敗容时，会注明面安理工大学.本人 作为学位论文著作极撤有赛，翔瞻換权通安理！:大学拥有学位论文的都分使用权（在 以下CT中标明，同輋俯谢 5本興意的dlTx”)，

2、薄：本人提交的印剔版和电 子鮮位论文，0学校可以来用影印、撤复制手段保存；.本人学位论文全部或部分内容的公布（包括刊登授权西安理工大学研究生学脘办理.保密柄学位论文在后，适用本我较锒明）导师麟(：丨年曰M雕作者签名5导师麟(：丨年曰M论文题目：高速含沙水流建筑物抗磨蚀混凝土护面技术研究及应用 学科专业：水结构工程 研究生：支拴喜 指导教师：陈尧隆教授摘要水利水电工程中普遍存在高速含沙水流的冲刷磨损及高速水流的空蚀对泄水建筑物 护面的破坏问题，影响建筑物使用的耐久性甚至威胁工程的安全运行。长期以来，这 问题困扰着水利水电工程的建设和运行，寻求经济而有效的解决办法，是多少年来技术 研究的重要课题。

3、本论文将对目前抗冲耐磨混凝土研究和应用中所存在的问题、抗冲磨 规范所存在的问题、几种抗冲磨混凝土的优缺点及工程应用效果等进行评述，从高速水 流的特点出发，认为解决含沙高速水流的空蚀磨损问题是一个系统工程，除了选择综合 性能好的混凝土之外，还必须从设计、原材料选择、配合比试验、施工艺与质量控制 以及浇筑后养护等环节进行全过程技术创新和系统控制，并且要针对高速水流的特点，采 用以防为主，以抗为辅的原则，才能经济而有效的解决这问题，提出了高速水流建筑 物护面抗冲耐磨混凝土应该具备的性能。认为混凝土的裂缝问题、混凝土的施工性能和 表面平整度问题，混凝土的整体性和均勻性问题、混凝土的再生不平整度问题、混

4、凝土 的养护问题等是除混凝土抗冲磨抗空蚀性能之外最重要的甚至较抗磨抗空蚀性能更为重 要的影响混凝土护面使用效果和使用寿命的关键因素。作者将这一思路应用于混凝土 的试验研究和上百个实际工程的应用中，取得满意的使用效果，证明在解决这问题的 思路和方法是正确的。文内对作者十几年研制、改进、完善的混凝土的定义、配合比 特点、硬化混凝土的性能、机理以及在工程中使用效果进行介绍，说明混凝土是解决 水泥沙磨损、高速水流空蚀破坏的实用技术和揽子解决方案，是得到越来越多的水 利水电工程技术人员认可并得到很多工程包括大型工程广泛采用的水护面材料。其中混凝土表面的“再生不平整度”概念是作者首先提出的，目前的规范和工

5、程设计 中对新建工程护面的平整度要求很高，但对运行后表面出现的再生不平整度的预防和控制 均未给予考虑，这是许多高速水流工程发生破坏的主要原因之一。关键词：抗冲耐磨、混凝土、高速水流空蚀、泥沙磨损、再生不平整度摘要摘要techniques and package solution.lt is get more and more water conservancy & hydropower engineering technicians approved and obtained a lot of projects including major projects widely adopted i

6、n the hydraulic building surface material.One concrete suriace renewable not graining response teeling concept is firstly put forward. The present specification and engineering design in the new construction surface - graining response requires very high, but after running surface appears graining r

7、esponse of the prevention and control are not to be considered. This is one of the main reasons that many high-speed flow works occurred damage.Keywords: anti-scour and anti-abrasion; HF concrete, high-speed flow cavitations; sand wear, renewable not graining response 西安理工大学博士学位论文目录 TOC o 1-5 h z 中文

8、摘要1英文摘要2 HYPERLINK l bookmark3 o Current Document 研究目的、意义及学术创新点1-2第一章国内外水抗冲耐磨护面材料应用现状和研究现状11工程中应用的水抗冲耐磨材料综述11.1.1硅粉混凝土21. 1. 1硅粉混凝土的应用21. 1. 2硅粉混凝土的缺点3 3硅粉混凝土缺陷产生的危害7 4硅粉混凝土应用中出现的质量问题实例9 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 2纤维（钢纤維、聚丙烯纤维类及玄武岩纤维）混凝土102. 1纤维混凝土及其特点101. 2. 2纤维硅粉混凝土的抗裂性能111. 2. 3纤维对

9、混凝土抗磨性能的影响13 3高強度或高性能混凝土 (含聚羧酸类高效减水剂混凝土）15 HYPERLINK l bookmark7 o Current Document 4铁矿石（或铁钢砂）混凝土171.4. 1铁矿石混凝土的定义171. 4, 2铁矿石混凝土原材料技术指标174. 3铁矿石混凝土和易性差174. 4易子产生不均匀磨损17 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 1. 4. 5铁矿石混凝土不便大規模施工18 HYPERLINK l bookmark9 o Current Document 1. 4. 6铁矿石混凝土的抗磨强度及抗冲击强度较

10、高18 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 2国内抗磨蚀混凝土研究情况及存在问题181.2.1相关规范存在问题181.1将高强混凝土和高性能混凝土作为抗磨蚀混凝土191. 2. 1. 2抗磨指标选取无具体要求201.3忽视抗裂性能的重要性211.4忽视施工性能和施工环节的重要性21 1.5试验方法和评价抗磨蚀混凝土的方法存在问题21 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 1. 2. 2目前研究和应用中存在问题211. 3小结24 HYPERLINK l bookmark14 o Current Doc

11、ument 1_ 3.1工程中使用的护面混凝土的缺点24 HYPERLINK l bookmark15 o Current Document 1. 3. 2研究中包括相应的规范中存在的问题25 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 第二章含沙高速水流对护面混凝土的要求和选择护面混凝土的原则26 HYPERLINK l bookmark17 o Current Document 1水护面层混凝土几种破坏形式及其对护面混凝土的要求27 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 2.1.1单纯性冲刷破坏及其对护面

12、混凝土的要求27 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 1. 2单纯性磨损破坏及其对护面混凝土的要求30 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 1. 3单纯性空蚀破坏32 HYPERLINK l bookmark21 o Current Document 1.4混合性破坏34 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 2含沙高速水流对抗冲耐磨混凝土护面混凝土的性能的要求352.1高速水流的特点352. 1. 1脉动压大是高速水流对护面影响较大的特点之2. 1.

13、2动水压力大和冲击大是高速水流的又特点372. 1. 3空蚀破坏及其不可抗拒性是高速水流的另特点382. 2高速含沙水流的特点39 2. 3含沙高速水流对护面混凝土性能的要求402. 2. 3. 1解決泥沙磨损和空蚀破坏的途径与抗磨蚀材料研究的思路402. 2. 3. 2优良护面混凝土应该具备的性能40 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 些高速含沙水流工程发生严重破坏的实例及经验教训422. 2. 4. 1刘家峡水电站泄水排沙建筑物概况42 2. 4. 2刘家峡水电站泄水排沙建筑物在运行中的问题432. 2. 4. 3漫湾水电站水垫塘硅粉混凝土

14、的冲蚀磨损问题452. 2. 4. 4由工程发生破坏及维修实例所得到的启示46 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 2. 3小结46 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 第三章抗磨蚀混凝土的评价体系及评价方法探讨48 HYPERLINK l bookmark27 o Current Document 1抗磨蚀混凝土材料的评价体系应包括的内容及要求48混凝土的抗压强度48混凝土的抗磨强度48混凝土的抗空蚀強度481.4混凝土的整体強度481.5混凝土的均匀性49混凝土的施工性能49混凝土的抗裂性能49

15、混凝土表面体型及平整度491.9 耐久性1. 10适应性或相容性、稳定性11施工艺及其质量保证体系3.2抗磨蚀混凝土试验方法和试验数据的采纳问题讨论2.1混凝土抗磨蚀性能的表征值与测试方法 3.2.2抗磨蚀性能、耐磨性能、抗冲性能与抗空蚀性能的区别与联系 3.2.3几种性能评价、测试和比选方法2. 3.1混凝土的抗磨性能试验方法2. 3. 2抗空蚀性能的试验方法2. 3. 3混凝土抗冲性能的评价方法 3.2.4抗磨蚀性能的评价方法及抗磨蚀规范存在的问题 3.3室内抗磨试验数据的采纳问题探讨1小试块与实际工程浇筑的混凝土之间存在“比尺效应”3. 2环境条件差异造成的影响3. 3比选出的材料不一定

16、就能满足工程要求 3.3.4采用工程类比选择好的护面抗冲耐磨混凝土 3.4小结第四章混凝土的性能、机理及工程应用1 混凝土的定义及其特点混凝土使用的原材料及其要求混凝土配合比设计中考虑的主要因素3.1提高水泥石的密实度和硬度 4.3.2骨料最大化设计原则3.3注意改善骨胶界面性能4.3.4最优的细骨料间隙3.5注重骨料品种的选取3.6关于混凝土的塌落度选取问题3.7重点考虑混凝土的抗裂性能和施工性能3. 8 混凝土配合比中对于是否掺引气剂问题的考虑混凝土主要性能4.4.1新拌混凝土的性能混凝土（砂浆）的抗压强度与抗磨强度494949505050515152535354545555565657

17、n58595959596060606161616161644.3 粉煤灰砂浆水化放热性能西安理工大学博士学位论文西安理工大学博士学位论文西安理工大学博士学位论文 TOC o 1-5 h z 高强耐磨粉煤灰混凝土的干缩64 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 高强耐磨粉煤灰混凝土抗冲耐磨机理655.1致密坚硬的水泥石655. 2最大限度骨料含量664.5.3改善界面性能665. 4合理骨料间距674. 5_ 5合理选择骨料67 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 高强耐磨粉煤灰混凝土防空蚀机理67 H

18、YPERLINK l bookmark39 o Current Document 4. 7 混凝土对设计参数的要求697.1选择抗磨抗空蚀性能和抗裂性能好的混凝土694- 7.2进行抗裂设计69合理的混凝土设计厚度69混凝土的施工艺及其要求694. 7.4建立施工质量控制及质量保证体系694. 7.5按照混凝土的技术要求进行施工704. 7.6 按照混凝土的技术要求进行施工73第五章混凝土在水利水电工程中的应用概况75混凝土工程应用情况统计结果75 混凝土在川、渝、黔和黄河梯级使用的工程统计753 高强耐磨粉煤灰混凝土在工程中应用的典型工程简介763. 1盘石头水库混凝土代替硅粉混凝土763.

19、 2针对紫坪铺工程的几种混凝土比较765.3.3四川青衣江上两个工程使用不同混凝土的对比763. 4大河水电站与石板水电站混凝土与硅粉混凝土比较763. 5 混凝土解决大峡水电站闸墩普通混凝土裂缝问题773. 6彭水电站采用聚丙烯纤维混凝土解决普通混凝土裂缝问题11 3. 7 混凝土在实际工程中总体抗裂情况77 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 第六章混凝土典型工程应用案例介绍801滩水电站1#泄洪洞维修工程混凝土与聚丙烯纤维硅粉混凝土比较801. 1基本情况802 1号泄洪洞的损坏情况81 HYPERLINK l bookmark42 o C

20、urrent Document 3修复工程821. 3. 1修复设计82 3. 2修复护面材料的调研选取与室内和生产性对比试验82 3, 3 50混凝土与50聚丙烯纤维硅粉混凝土现场对比试验83 HYPERLINK l bookmark43 o Current Document 3. 4修复过程及其存在的问题846.1.4滩电站1#洞发生严重破坏的原因分析856.1.5由滩电站泄洪洞的破坏及修复工程得到的启示86 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 6.2李家峡、直岗拉卡与康杨电站混凝土与硅粉类混凝土的比较872. 1李家峡水电站泄水道破坏情况及

21、硅粉混凝土的使用情况872. 2直岗拉卡水电站50聚丙烯纤维硅粉混凝土的使用情况882. 2. 1施工过程控制886. 2. 2. 2混凝土养护控制886. 2. 2. 3混凝土的温控措施886. 2. 2.4纤维硅粉混凝土的应用效果886. 2. 3康扬电站泄冲闸混凝土的应用情况90 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 混凝土在西安黒河金盆水库泄洪洞溢洪洞工程的应用906.3.1金盆水库泄洪洞及溢洪洞基本情况906.3.2设计要求906. 3. 3混凝土品种的选择90 HYPERLINK l bookmark46 o Current Docum

22、ent 6. 3. 4混凝土配合比试验9试验用原材料916_ 3. 4. 2配合比及试验结果916. 3. 5 混凝土的抗空蚀性能及抗磨性能926. 3.6应用效果及经济比较936. 3. 7 结语946.4洪家渡水电站抗磨蚀混凝土试验研究946. 4.1 概述946. 4. 1.1泄洪建筑物设计概况946. 4.1. 2课题的来源和要求956. 4. 2抗冲耐磨混凝土性能要求966. 4. 3原材料品质966. 4. 4抗冲耐磨混凝土配合比试验105 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 6. 4. 5室内推荐的抗冲磨混凝土配合比及其物理力学性能

23、186室内试验结论1096. 4. 7 混凝土在洪家渡泄洪建筑物的使用效果1096.5小结110第七章结论和展望111致谢113参考文献114附表博士学习期间发表的文章116西安理工大学博士学位论文西安理工大学博士学位论文第一章水抗磨蚀护面材料应用现状和研究现状第一章水抗磨蚀护面材料应用现状和研究现状研究目的、意义及学术创新点前言（研究目的、意义及学术创新点）水利水电工程中普遍存在含泥沙(包括推移质)水流的冲刷磨损及高速水流的空蚀对 泄水建筑物护面的破坏问题，影响建筑物使用的耐久性甚至威胁工程的安全运行。长期以 来，这问题困扰着水利水电工程的建设和运行，寻求经济而有效的解决办法，是多年来 技术

24、研究的重要课题。近年来，随着电力投资体制的改变和持续电紧缺局面的出现，带 来了新的电建设热潮，一大批巨型电站也相继开建设，其中一些电站如小湾、龙滩、 拉西瓦、构皮滩、溪洛渡、锦屏一、级、白鹤滩、糯扎渡等，其泄水建筑物泄水流速一 般均达4050/，泄水建筑物泄量大、泄流功率很大，流速高，这些都对这研究课题 提出了更高的要求，如何经济而有效的解决这问题，变得更为具体和迫切。在解决泥沙磨损和空蚀破坏的措施中，除从采取控制结构体型、表面流线形和平整度 控制以及采用掺气减蚀措施之外，选择抗冲耐磨性能和抗空蚀性能好的护面材料，即选择 抗磨蚀性好的材料，是工程中通常采用的措施之一。在众多的抗磨蚀护面材料中，

25、抗磨蚀水泥基混凝土，以其造价低、施工简易并可大规 模快速浇筑施工以及与可代替结构混凝土或与结构混凝土有良好结合等优点，成为水利水 电泄过水及消能建筑物使用数量最多的材料。但这种被广泛使用的材料，在以往流速低， 一般流速不大于40/的情况下，工程也屡屡发生破坏，些工程破坏还相当严重。那么 面对更高的水流流速和巨量的消能要求，按照传统的方法、使用传统的混凝土材料、采用 传统的规范和艺进行浇筑的混凝土势必造成更多更严重的破坏。分析研究传统混凝土材 料使用中发生破坏的原因、找出目前国内在这一领域研究的不足和误区，研究并开发出新 型的水抗磨蚀混凝土并浇筑出满足设计要求和使用要求的混凝土护面，对解决常规工

26、程 高速水流空蚀和泥沙磨损问题，特別是满足目前流速在40/以上的巨型水电工程泄洪消 能对护面材料的需要具有重要意义。本文从高速含沙水流的特点及其对护面混凝土性能的要求出发，提出了一套解决高速 含沙水流破坏问题的思路、方法和原则，按照这一方法，研究成功了混凝土技术，并将 其成功的推广应用在国内近150个工程，这些工程包括：洪家渡水电站（坝高178)、刘家 峡水电站（147)、碧水电站（102)、光照（200)、瀑布沟（186)、大岗山导流洞（210) 等大型工程，其中包含40/以上的工程和泥沙磨损特别严重的工程，取得了良好的使用 效果。混凝土并被水闸规范和混凝土坝养护修理规程推荐采纳。目前，该项

27、技术己被越来越多的水利水电专家和技术人员接受，2006年被专家咨询会 议推荐代替了深溪沟水电站导流洞铁钢砂混凝土，2008年被专家会议推荐代替向家坝导流 洞铁钢砂混凝土，2006年作为唯一不掺硅粉的混凝土品种进入到糯扎渡水电站抗冲耐磨混 凝土的比选方案中，比选结论认为混凝土可以使用于该工程。2007年被专家推荐作为溪 洛渡水电站和锦屏级水电站的抗磨蚀混凝土试验方案中的混凝土。因此，混凝土技术 以及我们解决高速含沙水流问题的思路和方法已得到越来越多专家的认可和工程使用。 研究工作及学术创新点：*提出一套全新的解决高速含沙水流建筑物混凝土护面技术，其使用的最大流速已达 42/，超出了水建筑物抗冲磨

28、、防空蚀混凝土技术规范使用于流速不超过40的限值并取得成功。这技术已经得到工程界的广泛认可和采纳。得到水闸设计规 范和混凝土坝养护修理規程的推荐使用。*开发出了一种抗冲、耐磨防空蚀性能好的混凝土技术，其抗冲、耐磨和防空蚀方 面的使用性能优良，尤其是抗裂性能非常显著。解决了“无混凝土不裂”的技术难点， 在推广使用的许多工程中克服了裂缝问题。至今己有包括洪家渡、瀑布沟、深溪沟、 大岗山、泸定等大型工程在内的近150个工程的应用。并已引起些国内巨型水电 程的兴趣。在分析总结了国内水护面产生严重破坏原因的基础上，从高速含沙水流的特点出 发，提出了抗磨蚀混凝土的研究和选用中应遵循以防为主、以抗为辅的原则

29、。认为高速含沙水流护面混凝土的性能不单单是抗磨、抗空蚀性能，还应该包括混凝土 的施工性能、施工技术和质量控制措施、混凝土的均匀性和抗裂性，以及混凝土表面 平整度和再生不平整度。其中些性能在防止护面严重破坏方面较之抗空蚀性能和抗 磨性能更为重要。*在国内首次提出“护面再生不平整度”概念，指出了再生不平整度是些工程产生严 重破坏的原因之一。提出了从混凝土配合比和施工等方面对再生不平整度控制的方 法。首次提出混凝土表面的干燥失塑问题及其对护面的危害。_指出了抗磨蚀规范所存在的问题是：过分追求抗压强度、对耐磨指标无具体要求 无选取方法和标准、对护面混凝土的评价体系不完善（以混凝土的抗磨性能代替混凝 土

30、的抗冲和抗空蚀性能)、试验方法不科学等，这是许多工程护面混凝土严重裂缝甚 至产生严重破坏的根源。规范中提出的“流速和水流空化数越小，要求护面混凝土设 计采用越高的抗压强度，作者认为这解决高速含沙水流对护面磨损和空蚀破坏问题 的思路是错误的；规范中对护面混凝土耐磨指标的选用未提出具体遵循的办法和标 准，导致些工程选用混凝土标准过高，而另些工程选用混凝土标准过低。过高选 择会导致工程护面不经济，过低选择，会导致工程维修周期短、维修费用大或直接影 响工程巨大的兴利效益和工程的安全。规范混淆混凝土耐磨强度和混凝土表面耐磨强 度，造成对护面混凝土的研究和选用出现混乱。提出护面混凝土选择中应遵循有效性、适

31、用性、耐久性和经济性原则，并提出了具体 选择中应考虑的因素。*对混凝土护面评价体系问题进行了探讨，认为混凝土护面的评价体系包括评价参数集 合的确定、权重大小，测试方法等，对护面混凝土的研究和选取具有重要意义。第一章水抗磨蚀护面材料应用现状和研究现状 1.1工程中应用的水抗磨蚀护面材料综述水抗磨蚀护面材料系指抗水流泥沙磨损及抗高速水流空蚀破坏的材料。在我国先后 研究和使用的护面材料有多种，分为无机抗磨蚀材料、有机抗磨蚀材料以及其它材料包括 钢板、钢轨、条石、铸石板等。有机材料有环氧树脂砂浆及混凝土，不饱和聚酯树脂砂浆及混凝土，丙烯酸环氧树脂 砂浆及混凝土，聚氨酯砂浆（混凝土）等。其中环氧砂浆是应

32、用较多的有机材料。一般 来说有机材料的抗磨性能和抗空蚀性能表现优良，但由于有机材料价格高，有毒性，施工 复杂，对基面要求高，固化受气温及环境的影响大，不易保证质量，尽管其抗冲磨性能优 良，但其共有的缺点阻碍了其大面积的推广应用，近年来，随着环氧材料的研究进展，环 氧的毒性降低、施工性能改善，己被用做较大面积的修补工程上。但有机材料包括环氧砂 浆在内，由于放热问题、与基底混凝土结合性差以及造价等问题，至今均作为薄层抹面使 用（厚度520)，主要用于水泄水建筑物小范围破坏的修补和对严重裂缝混凝土护 面的补强防护上。中国水利水电科学院近年开发研究聚脲弹性体喷涂料，室内试验结果和 小范围的现场试验，表

33、明这种材料抗磨抗空蚀性能也不错，但目前还没有大面积使用成功 的工程实例。多年来，在工程中应用数量大的主要是无机类材料，一般的认为，无机抗磨蚀护面材 料主要为水泥基类砂浆和混凝土，包括普通高强混凝土及砂浆，高强硅粉砂浆及混凝土， 高强硅粉铁矿石混凝土及砂浆，高强硅粉铸石混凝土及砂浆，高强硅粉钢纤维混凝土。些 工程还使用了掺膨胀剂的硅粉混凝土、钢纤维硅粉混凝土、聚丙烯纤维硅粉混凝土，个别 工程使用了铁钢砂（铁矿石）混凝土，有些工程还使用了普通高強度混凝土或掺聚羧酸类 高效减水剂（或称超塑化剂）高強度混凝土。由于无机材料造价低，施工操作方便，许多情况下可与建筑物一次浇筑成型，可就近 取材并可进行大规

34、模快速施工，这些优点，使无机材料被大量而广泛的应用于新建工程和 冲坑较大的维修工程中。水利水电工程中普遍使用的水泄水建筑物护面材料，特別是些流速很高的工程， 已经或准备采用的护面材料，一般来说是在这研究领域大家公认的和普遍被接受的材 料，应该代表目前最成熟的最高的研究水平和研究成果。*溪洛渡水电站导流洞在施工中使用了硅粉混凝土，在泄洪洞设计使用50钢纤维硅粉混 凝土,泄洪洞设计也为50硅粉混凝土。*小湾水垫塘护面也使用了50硅粉（另掺钢纤维、微纤維）混凝土。糯扎渡水电站在抗磨蚀混凝土对比试验方案中，采用了包括混凝土在内的多种掺加 不同种类纤维的硅粉混凝土，设计强度955。施工采用了聚丙烯纤维混

35、凝土。*构皮滩水电站使用了 50聚丙烯纤维混凝土。武汉大学研究了采用超塑化剂、引气剂、 磷矿渣粉、硅粉、聚丙烯纤维复掺的方法配制5012200。沟皮滩泄洪洞实际施工 釆用了 50 8150普通混凝土。向家坝水电站导流洞设计中用了 40铁矿石混凝土，专家咨询会议建议改为混凝土。*三峡水电站分别使用了特种钢板、硅粉混凝土、钢纤维硅粉混凝土（叠梁门槽）及羧 酸类高效减水剂混凝土。* 2006年完成的紫坪铺水利枢纽工程，采用了硅粉料浆掺拌、掺适量钢纤维、添加高效 减水剂混凝土。*武都水库泄水建筑物设计(：960硅粉混凝土。*小浪底水电站使用50和70硅粉混凝土。*龙滩水电站使用了50硅粉混凝土和50普

36、通混凝土。*洪家渡、瀑布沟、大岗山、深溪沟、泸定、彭水、草街、刘家峡等使用了混凝土。可以看出，国内大型水电站对硅粉混凝土、硅粉纤混凝土、纤维混凝土、铁矿石混凝 土、混凝土均有采用。其共同的特点是強度在5070以上，掺合料为硅粉、磨细 矿渣、粉煤灰单掺或复掺，些工程惨用了纤维。也有使用钢板作护面和用铁矿石作骨料 的。以下对这些混凝土的优缺点进行简单评述。1. 1桂粉混凝土 1. 1. 1. 1桂粉混凝土的应用硅粉又叫硅灰或微硅粉或)，是业电炉在高温熔炼业硅 及硅铁的过程中，随废气逸出的烟尘经除尘器收集处理而成。是逸出的烟尘中所含的颗粒 度非常小的烟灰，平均粒度约0.3叫，02含量约占烟尘总量的9

37、0%。将硅粉作为掺合料 使用的水泥混凝土，称为硅粉混凝土，早期硅粉的掺量一般占胶材用量的1020%，后 来由于造价、裂缝和施工难度大的问题，硅粉掺量降低至510%。对硅粉的研究和应用首先是挪威和瑞典等国家，在港口码头、北海油田及地下矿井中 部分采用了硅粉混凝土。1982年，挪威在伏诺维斯坝上正式采用了硅粉混凝土筑坝，1983 年美国用硅粉混凝土修补了奥里夫尼河上的卡查坝消力池，效果良好。我国80年代末90 年代初，以南京水科院、北京水科院为代表的许多科研院所都先后进行了硅粉混凝土的研 西安理工大学博士学位论文西安理工大学博士学位论文第一章水抗磨蚀护面材料应用现状和研究现状第一章水抗磨蚀护面材料

38、应用现状和研究现状第一章水抗磨蚀护面材料应用现状和研究现状究工作并将硅粉混凝土应用于水抗冲耐磨、防空蚀护面混凝土中mm。如果按现有规 范规定的试验方法进行试验比选，硅粉类混凝土（含硅粉纤维混凝土、膨胀剂或减缩剂类 硅粉混凝土)在室内所表现的和易性好以及良好的抗压抗拉强度、抗磨性能和抗空蚀性能， 是工程界普遍认可的。因此，80年代末90年代初至今，硅粉类混凝土在水电工程中得到 了普遍的采用，其使用的广度及使用工程量是其它任何抗磨蚀材料所未有过的。使用硅粉 类混凝土的工程包括龙羊峡水电站，李家峡水电站、滩水电站、公伯峡水电站、刘家峡 水电站，隔河岩水电站，漫湾水电站、龙头石水电站、小湾水电站水垫塘

39、、溪洛渡水电站 导流洞、石板水水电站等许多工程。黄河小浪底水利枢纽设计使用70万3硅粉混凝土3， 其中70混凝土 30万3,其余为50混凝土；滩电站在两个泄洪洞及水垫溏均使用 硅粉混凝土作护面，设计强度为50。2005年颁布的水混凝土抗冲磨防空蚀技术规 范2005-265 ，以下简称抗磨蚀规范，亦将硅粉混凝土作为主要的首选抗磨蚀材 料。混凝土重力坝设计规范5108-19995，在11.5.8条規定“高速水流区的混凝土 应该采用具有抗冲耐磨性的低流态高强度混凝土或高强硅粉混凝土,当采用耐磨材料衬护 时，应与混凝土可靠结合”。在其条文说明中的第7.3.3条“对易发生空蚀的部位或区域， 采用防空蚀性

40、能好的材料，如采用高强混凝土、高强硅粉混凝土、高强硅粉钢纤维混凝 土 。”规范的推荐和多年来人们的习惯，使得许多新建工程包括些大型工程均在采用硅粉 混凝土。大型工程规模大投资高、泄水单宽流量大、流速高、泄水功率巨大，工程难度太、 技术要求高，工程选择护面材料的性能和技术水平的要求也高，往往会受到国内各方面的 广泛关注和重点研究，因此，各个时期修建的大型水电工程所用材料，必然是当时公认的 最好的材料。从近期些流速很大的巨型电站如小湾水电站、溪洛渡水电站，在设计和施 中所使用了硅粉类混凝土,这也能从一个側面反映了硅粉混凝土代表了目前国内抗冲耐 磨混凝土技术的研究与应用水平。1.1.1. 2硅粉混凝

41、土的缺点尽管硅粉混凝土受到工程界的广泛研究和采用，但是，硅粉混凝土在工程的实际使用 中所暴露出一些问题也不能不得引起重视：其一，是混凝土的千缩裂缝问题未能解决。据国内许多科研单位如北京水科院结材所， 南京水科院结材所，西勘院水科所，甘肃电研究所等单位的研究资料，硅粉混凝土的干 缩率尤其是早期干缩率较大，使硅粉混凝土在应用中易于出现千缩裂缝，影响其整体強度 和使用效果，这问题在施工后早期加强洒水养护可以有所减小，但在许多工程施工中裂 缝仍不可避免。如龙羊峡、李家峡水电站泄水建筑物在建设中以及后来的维修工程中应用 硅粉混凝土也出现了严重的裂缝问题，见图6-4。某工程两条泄洪洞中均出现较严重的裂 缝

42、，有些板体中（8 14)出现78条裂缝，见图1-1。其，硅粉混凝土在施工中存在早期塑性干缩和干燥失塑问题。塑性干缩是指混凝土 施：筑过程中，在混凝土凝结前，当表层水份的蒸发速度大于混凝土的泌水速度时，混 凝土表面失水产生的收缩，混凝土面出现干缩龟裂。泌水速度越小，塑性干缩越严重。硅 粉混凝土塑性干缩比较严重，主要原因是由于掺入硅粉后，混凝土几乎不产生泌水。而 由塑性收缩问题的存在，在蒸发量比较大的环境中作面后的硅粉类混凝土往往龟裂，不规 则裂纹遍布外表。混凝土表面失水还会引起另外一方面的问题，即混凝土表面的干燥失塑问题。干燥 失塑是指混凝土泌水性小，混凝土表面砂浆层在蒸发作用下，很容易出现干燥

43、、发硬失去 了塑性的现象，些情况下甚至出现混凝土表面晒干发白现象。干燥失塑问题使硅粉混凝 土的作面施工难度很大，大多数情况下表面无法抹光至设计要求的平整度，干燥失塑还会 造成混凝土施工中的层面的弱化甚至冷缝问题。干燥失塑问题，在许多高強度混凝土（尤 其是掺合料比较细的混凝土）中均会发生，对混凝土护面抗空蚀性能影响极大，目前，这 一问题还没有得到工程界足够的重视。图1-1某工程泄洪洞硅粉混凝土的裂缝 Fig 1-1 Profile of dragon lifting head section oi spillway tunnel图1-2某工程泄洪洞出口硅粉混凝土的不均匀磨损和施工冷缝 F i g

44、 图1-2某工程泄洪洞出口硅粉混凝土的不均匀磨损和施工冷缝 F i g 2 on silica flour concretes face,the non-uniform attrition and constructs the cold crack图1-3某工程泄洪洞出口硅粉混凝土的不均匀磨损（再生不平整度）Figi-3 Some project soiliway tunnel,ti5s the non-uniform attntion on silica flour图1-4某工程硅粉混凝土的裂缝及底板冲刷破坏图concretes faceFig. concretes faceFig. 1 -

45、4 The fig about the crack of silicon powder concrete and the eroding breakage of the motherboard in one project加料过程烦琐，影响施工进度。硅粉堆积容重小，造成运输费用高、需要的堆存空间 大有些地无法满足要求或搅拌楼上无堆存或加料、分装称量困难、搅拌加料速度慢(如 果每次搅拌一方至三方混凝土，需加入的硅粉量约30100，按每袋包装10计算， 需加310袋，人工拆袋并称重，需要的时间就很多，必然影响施工进度。而硅粉颗粒細， 易于飞扬会造成使用过程粉尘大，不利于文明施工。其四，水化热放热速

46、度很快，易于出现温度裂縫。硅粉颗粒小活性高，浇筑后的混凝 土水化反应很快，混凝土较早的达到温峰，混凝土易于出现早期温度裂缝，加上施工中塑 性干缩裂缝，成为降温过程的诱导裂缝，加重了硅粉混凝土表面裂缝的形成。针对硅粉混凝土的裂缝问题，国内许多单位进行了大量研究，其中一些单位加聚丙烯 纤维、玄武岩纤维、钢纤维等提高混凝土的抗拉强度和极限拉伸以期解决硅粉混凝土的裂 缝问题，有些单位加膨胀剂或减缩剂以期补偿收缩硅粉混凝土的干缩，还有加聚合物胶乳 于硅粉混凝土中等等,但最终均没有完全解决硅粉混凝土的裂缝问题。(其原因待后分析)。在一些养护条件好或蒸发量小的环境（如平面浇筑或洞内浇筑），硅粉混凝土也有没

47、有发生裂缝的工程，但是，这些没有出现裂缝的工程中仍然有些工程发生了破坏，如龙 头石水电站导流洞等。尽管硅粉混凝土在应用中存在这么多的问题，使用硅粉混凝土的工程大多都出现了裂 缝或严重裂缝，一些工程还产生了严重的水毁事故。目前，许多工程己经放弃硅粉类混凝 土改用其它的护面混凝土，但许多人包括规范在内，仍然相信硅粉混凝土在室内良好的表 现而不改变对其看法，有一些工程，正在使用或在设计中己经确定采用硅粉类混凝土。为 了降低硅粉混凝土的缺陷，硅粉的掺量一般由原来的1520%降低至58%。硅粉掺量的 改变，使硅粉混凝土的有关缺陷有所改善，随之硅粉混凝土在试验室条件下的一些优点也 大打折扣，5%掺量时硅粉

48、混凝土的抗磨抗空蚀性能较普通混凝土稍有提高。硅粉混凝土缺陷产生的危害图1-5某工程水垫塘底板50图1-5某工程水垫塘底板50硅粉混凝土的表面 Fig. 1-5 The surface of silicon powder concrete which is in the motherboard oi water pillow pond in one project ，-#，黎、:次t ,*WV，-#，黎、:次t ,*WV- *:图1-6典型的硅粉混凝土斜表面（过水后的某水电站消力池尾坎表面）ng. 1 f he declining surface of the typical silicon p

49、owder concrete (The surface of trail ndge which is in removing power oond of one hydropower station after whicn the water flows)表面平整度差的混凝土，对于混凝土的抗磨性能也有影响，因为，表面的不平整，会 造成近壁水流流态紊乱，对混凝土形成不均匀磨损和淘刷，同时，会引起水流中推移质在 混凝土表面的跳跃、冲砸，加大对混凝土的冲刷磨损的冲角和磨损速度。质量均匀性差的 混凝土，在水流的冲刷磨损作用下，耐磨性差的部位易于磨损形成凹坑，耐磨性能好的部 位不易被磨下而形成突起，这种

50、不平整也会引起空蚀破坏。刘家峡水电站左泄水道检修门 前产生的空蚀破坏，就是由于普通混凝土在泥沙磨损和冲刷作用下产生的再生不平整度引 起的空蚀使钢衬发生破坏引起的。硅粉混凝土的裂缝会影响混凝土的整体強度。现在有些人认为没有不裂的混凝土，硅 粉混凝土的裂缝对其抗磨抗空蚀性能影响不大，可以放心使用。但从抗磨蚀混凝土护面的 运行环境和水流条件尤其是高速水流的特性以及对护面层的作用机理，从硅粉混凝土的实 际应用效果来分析，不难发现这种认识是错误的。硅粉混凝土应用中出现的质量问题实例龙羊峡水电站是应用硅粉混凝土比较早的大型高坝工程之一，硅粉混凝土在施工中产 生了严重的裂缝问题161，投入应用以后，第一次过

51、水就产生了破坏，较大面积的混凝 土护面被冲掉，最大冲坑达2. 5。鲁李家峡水电站在几孔泄水道上也使用了硅粉混凝土。97年施工，硅粉混凝土裂缝比 较严重，在先后采用硅粉混凝土进行维修几次，均未解决裂缝问题。2004年重新进行维修，业主邀请国内四家科研単位在泄水中孔进行対比试验，以 选择好的技术和材料，结果四家浇筑的混凝土均出现了裂縫。四川紫萍铺水利枢纽的泄洪洞，使用50的硅粉混凝土，结果也发现产生了严重的 裂缝问题，尽管采用了更换中热水泥、加强温控措施和养护措施，掺加聚丙烯纤维 等但混凝土裂缝依然严重，其后就裂缝的处理和表面的修复，花费的费用达几千万元。*尼那水电站使用40硅粉混凝土，标段的硅粉

52、混凝土裂缝严重，施工后使用有机化 学材料对裂缝进行灌浆处理，花费了大量的资金。后来，标段的硅粉混凝土被改为 40混凝土，2002年混凝土施工完毕，未发现裂缝产生，至今运行良好。*小浪底水利枢纽孔板(导流)洞闸室以下洞身段、排沙洞明流段、明流洞和溢洪道70 高标号硅粉混凝土施工过程中，尽管采用了严格的防裂措施，尽管混凝土在温度变化 小湿度大的地下洞室浇筑，混凝土都有不同程度的裂缝出现，裂缝宽度一般在0.48，最大宽度2,裂缝平均长度4。*飞来峡水利枢纽溢流面硅粉混凝土也产生了裂缝“由于枢纽位于北江干流中下游段，洪水期水流中含有较多的砂和河床推移物，加上溢流坝泄洪时水流流速大，给泄水建筑物带来冲刷

53、和冲磨问题。为解决此问题，经试验，设计决定在飞来峡水利枢纽工程的溢流面及船闸输水廊道等水流冲刷部位，采用外掺15%硅粉剂抗冲磨混凝土。在实施过程中，溢流面普遍出现裂缝。因此应在枯水季节，对溢流面检查分析，视需要进行加固。”该工程所用的硅粉剂就是南京水科院研究的硅粉剂混凝土添加剤。青居航电工程使用的硅粉混凝土也产生了较多裂縫。宝珠寺水电站使用的硅粉混凝土也产生了较严重的裂缝*三甲水电站、大河家水电站、峡村等水电站采用硅粉混凝土均出现了较严重的裂缝问 题，混凝土施工困难，混凝土表面平整度很差，达不到设计要求的平整度。*公伯峡水电站泄洪洞最大泄水流速40/,采用高标号硅粉混凝土浇筑。由于种种原 因该

54、建筑物混凝土出现了裂缝，挑流鼻坎出现表面龟裂现象严重，后来，为了保证 程安全，对较大的裂缝进行了化学灌浆处理，对于裂缝分布多、龟裂严重的部位，采 用凿除35表面混凝土，再用聚合物砂浆回填修补的方法处理，见图1-8。由水电 三局承担具体的维修工程。图1-8公伯峡水电站泄洪洞硅粉混凝土裂缝化灌处理及龟裂面凿除修补处理Fig. 1-6 The declining sunace of the typical silicon powder concrete (The surface of trail ndge which is m removing power pond of one hydropowe

55、r station after which the water flows)*景洪电站“景洪电站使用35普通混凝土外掺硅粉混凝土，2004年3月开始浇筑右 冲沙闸底孔坝段坝体，5月1213, 22日先后检查发现两批裂縫：间距36不等， 延伸高度12浇筑层（36)宽0.3，缝深10新疆乌鲁瓦提水电站硅粉混凝土的裂缝问题。滩电站泄洪洞硅粉混凝土裂缝严重，发生严重破坏（破坏情况和原因下文分析)。 通电站硅粉混凝土大面积护面冲刷殆尽。*绵羊三江电站30普通混凝土发生破坏后采用40硅粉混凝土修复，尽管流速不大， 两年后仍然发生严重破坏。可以相信，由于护面裂缝的存在，随着时间的推移，由于裂缝而引起的钢筋锈

56、蚀 问题、冻胀问题（护面空鼓，如李家峡泄水道护面)，钢筋疲劳断裂问题、透水问题 和高速水流入缝引起护面席卷性破坏问题将越来越多。1.1.2纤维（钢纤維、聚丙烯纤维类及玄武岩纤维）混凝土纤维混凝土及其特点在混凝土中加入一定量的纤维拌制的混凝土称纤维混凝土。可以加入混凝土的纤维包 括：钢纤维、聚丙烯纤维、碳纤维、耐碱玻璃纤维、玄武岩纤维等。一般来说掺入聚丙烯纤维后，混凝土的抗拉强度、抗折强度、抗冲击強度会显著提 高，抗拉强度比基准混凝土提高1230%,极限拉伸应变提高3749%，断裂能提高3368%;缺点是掺入纤维后，混凝土的和易性降低，施工难度増加，尤其是泵送混凝土，惨 入纤维会影响泵送性能（掺

57、入钢纤维对泵送性能影响最大，一般均要求使用最大粒径为 20的级配混凝土)；其次，掺入聚丙烯纤维，混凝土的抗压强度会有所降低。近年来， 些单位认为纤维可以提高混凝土的抗磨性能，将纤维混凝土作为抗磨和抗空蚀混凝土推 广应用；还有些单位将纤维用于硅粉混凝土，希望改善或消除硅粉混凝土的干缩裂缝问 题。以下根据我们近年来的研究成果和许多工程应用经验，就纤维对硅粉混凝土的抗裂性 能和抗磨性能的影响作以分析说明。 纤维硅粉混凝土的抗裂性能在试验室条件下，掺加纤维的硅粉混凝土具有不俗的表现：具有较高的抗拉强度和极 限拉伸值，其抗拉强度一般可较不掺纤维的混凝土提高抗拉强度20%左右，并有较大的极 限拉伸值，单从

58、这些试验结果来看，具有较高的抗拉强度和极限拉升值的硬化无裂缝的纤 维硅粉混凝土，应该具有较高的抗拉裂性能和抗折性能，其抗裂性能应该很好，这种纤维 硅粉混凝土是种比硅粉混凝土更优的选择。因此，一些单位在硅粉混凝土中掺入钢纤维、 聚丙烯纤维或其它种类的纤维，以期通过提高混凝土的抗拉强度和极限拉伸值来提高硅粉 混凝土的抗裂性能。但实际使用效果并不象试验室那样好，加了纤维的硅粉混凝土和高强 普通混凝土依然开裂严重。为什么在试验室表现良好的纤维硅粉混凝土在实际工程应用中 仍然会出现严重的裂缝问题呢？实际上,前面己说过，硅粉混凝土本身在试验室的条件下，其各项性能也是很优良的， 但在实际施工中，表现出了施工

59、困难，难于作面、易于产生裂缝的问题，这也许就是试验 室标准环境和小试件难于模仿大环境大规模施工的情况所造成的。尽管硅粉混凝土中掺入 纤维人们的感觉和预期不错，试验室研究中的表现也不错，但从机理上讲，在硅粉混凝土 中加入纤维并没有改变硅粉混凝土易于干缩和干燥失塑的机理，因此，其实际工程应用的 表现也与硅粉混凝土有相似之处，裂缝问题并没有大的改善。首先，加入纤维不能改变硅粉混凝土易于出现塑性龟裂的问题：由于硅粉混凝土的干 缩是由于加入混凝土中的硅粉颗粒很细，比表面积大，对水有很强的吸附作用，加入硅粉 的混凝土几乎不泌水，施工中当表面水份蒸发时，内部的水份不能及时对表面的失水予以 补充，造成混凝土表

60、面一定深度的水泥浆发干变硬，出现塑性收缩，形成龟裂并使混凝土 作面困难甚至无法作面。纤维的加入，显然没有改变混凝土的泌水性能，因而也就不能改 变硅粉混凝土的塑性干缩、干燥失塑问题和施工作面困难的问题。往往，在一些情况下， 纤维的加入会形成成相反的作用：纤维的加入，混凝土中的砂浆和水泥浆不易出浆，表面 砂浆层相对较薄，由于砂浆含水较混凝土含水量大，砂浆层变薄，意味着混凝土表面附近 供蒸发的水分減少，表面的干裂更为严重。由于混凝土在塑性阶段强度还未形成，纤维在 混凝土中不能承担拉应力，对塑性干缩变形无法产生作用。另方面，加入纤维，不能改变硅粉混凝土干缩率大，易于出现干缩裂缝的问题：在 混凝土干燥失