風(fēng)沙環(huán)境下渠道混凝土沖蝕磨損試驗(yàn)研究

杜曉虎

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下夾帶的沙粒對(duì)混凝土的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生十分嚴(yán)重的沖蝕磨損，造成結(jié)構(gòu)混凝土表面產(chǎn)生裂紋甚至脫落，從而大大降低混凝土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性，對(duì)工程的長(zhǎng)久穩(wěn)定運(yùn)行帶來重大隱患[1]。

目前，大多數(shù)關(guān)于混凝土材料的沖蝕磨損研究主要集中于含沙水流對(duì)水工混凝土的破壞，在試驗(yàn)研究方法、沖蝕磨損的機(jī)理、評(píng)價(jià)指標(biāo)和防治措施上取得了一定的成果和進(jìn)展[2- 5]。

蔡寶紅針對(duì)道路混凝土的耐久性，對(duì)其磨損機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析，并提出了專門的改善措施[6]。高欣欣等將不同直徑的鋼球作為磨損介質(zhì)，模擬了不同流速和磨粒形態(tài)下水工混凝土的磨損率，并認(rèn)為直徑越大，磨粒的形狀越鋒銳，磨損率越大[7- 8]。王志強(qiáng)等則針對(duì)烏魯瓦提水利樞紐工程泄洪排沙洞襯砌混凝土的沖蝕破壞處理機(jī)理進(jìn)行了分析研究，認(rèn)為混凝土質(zhì)量和空蝕是引起混凝土破壞結(jié)構(gòu)破壞的主要原因。

對(duì)于風(fēng)沙環(huán)境下混凝土的沖蝕磨損研究還比較鮮見，為此，本文采用氣固兩相流沖蝕磨損試驗(yàn)裝置，對(duì)取自某渠道混凝土試件進(jìn)行了沖蝕磨損試驗(yàn)，分析了在風(fēng)沙環(huán)境下混凝土的沖蝕磨損行為和機(jī)理，為類似渠道工程的建設(shè)提供試驗(yàn)和理論支撐。

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

本試驗(yàn)基于氣流挾沙噴射法原理，自制沖蝕磨損試驗(yàn)裝置，該裝置可以模擬不同風(fēng)沙環(huán)境特征，試驗(yàn)裝置共分為四個(gè)部分：供氣裝置、供沙裝置、噴槍及噴嘴裝置、試樣放置裝置。裝置布置原理如圖1所示。

將取自渠道現(xiàn)場(chǎng)的現(xiàn)制混凝土樣制成100mm×100mm×100mm的正方體試件。根據(jù)工程部位的重要性，混凝土試件分為C15、C20、C25和C40四種強(qiáng)度等級(jí)，風(fēng)力等級(jí)分為8、9、10、11、12四個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)的風(fēng)速為17m/s、22m/s、26m/s、31m/s和35m/s，沖蝕角度設(shè)置為0°、30°、45°、60°和90°，風(fēng)中所含沙粒量分別為30g/min、50g/min、70g/min、90g/min、和120g/min 5種。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

將養(yǎng)護(hù)28d的混凝土試件清理干凈稱重，然后進(jìn)行沖蝕試驗(yàn)，帶試驗(yàn)完成后再將表面清洗干凈，重新再次稱重，便可確定沖蝕質(zhì)量。沖蝕率計(jì)算公式為：

(1)

式中，wr—沖蝕率，mm3/g；M—試件的質(zhì)量損失，mg；ρ—混凝土的密度，g/cm3；MP—沙粒的含量，g/min；t—沖蝕的時(shí)間，min。

2.1 強(qiáng)度等級(jí)對(duì)混凝土沖蝕率的影響

沖蝕角度為60°，沖蝕速度為22m/s，含沙量為70g/min，試驗(yàn)時(shí)間為5min后得到的沖蝕率與混凝土強(qiáng)度等級(jí)的關(guān)系，如圖2所示。從圖2可以看出，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)對(duì)其沖蝕率的影響相差不大，C15、C20、C25和C40強(qiáng)度等級(jí)下的沖蝕率分別為3.6mm3/g、3.5mm3/g、3.8mm3/g和3.6mm3/g，表明強(qiáng)度等級(jí)不是影響抗沖蝕能力的決定性因素。據(jù)有關(guān)研究[10]：混凝土的抗沖蝕能力與其粗細(xì)骨料的含量和細(xì)度模數(shù)有關(guān)。

圖2 沖蝕率與強(qiáng)度等級(jí)的關(guān)系

2.2 沖蝕角度對(duì)混凝土沖蝕率的影響

當(dāng)沖蝕速度為22m/s，含沙量為70g/min，試驗(yàn)時(shí)間為5min時(shí)，沖蝕率隨沖蝕角度變化的關(guān)系如圖3所示。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，混凝土的沖蝕率隨沖蝕角度呈逐漸上升的趨勢(shì)，當(dāng)沖蝕角度為30°時(shí)，混凝土的沖蝕磨損率最小，當(dāng)沖蝕角度為90°時(shí)，混凝土的沖蝕磨損率最大。出現(xiàn)上述情況的原因在于，在沖蝕角度較小時(shí)，混凝土的硬度是影響沖蝕磨損性能的主要因素，而在高沖蝕角度時(shí)，材料的韌性是影響其抗沖蝕磨損性能的主要因素，由于混凝土為脆性材料，輕度高而韌性低，因此沖蝕率在低沖蝕角度小而在高沖蝕角度下大。

圖3 沖蝕率與沖蝕角度關(guān)系

圖4 沖蝕率與風(fēng)力等級(jí)關(guān)系

2.3 風(fēng)力等級(jí)對(duì)混凝土沖蝕率的影響

正向沖蝕時(shí)，混凝土沖蝕率隨風(fēng)力等級(jí)(沖蝕速度)的變化關(guān)系，如圖4所示。從圖3中可以看到，沖蝕角度(90°)、時(shí)間(5min)、含沙量(70g/min)一定時(shí)，混凝土的沖蝕率隨著風(fēng)力等級(jí)的提升基本呈線性增長(zhǎng)，風(fēng)力等級(jí)越強(qiáng)，沙粒的動(dòng)能越大，對(duì)試件造成的沖擊損害越明顯，因而沖蝕率越大。

2.4 沖蝕時(shí)間對(duì)混凝土沖蝕率的影響

當(dāng)沖蝕速度為22m/s，含沙量為70g/min，沖蝕角度為60°下的沖蝕率隨沖蝕時(shí)間的關(guān)系如圖5所示。圖5顯示，混凝土的沖蝕率隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，這是因?yàn)樵嚰旧淼乃酀{強(qiáng)度和硬度均小于沙粒，在試驗(yàn)之初，造成水泥漿表面脫落，沖蝕率因而較大，隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，表面水泥漿脫落完畢，露出粗骨料，此時(shí)的強(qiáng)度和硬度大于沙粒的強(qiáng)度和硬度，從而沖蝕較小，并最終會(huì)趨于一個(gè)相對(duì)恒定值。

圖5 沖蝕率與沖蝕時(shí)間的關(guān)系

2.5 沙粒含量對(duì)混凝土沖蝕率的影響

沖蝕時(shí)間為5min，沖蝕角度為60°，沖蝕速度為22m/s時(shí)，得到的混凝土沖蝕率

隨含沙量的關(guān)系，如圖6所示。從圖6可以觀察到，當(dāng)沖蝕時(shí)間一定時(shí)，沖蝕率隨著含沙量的增長(zhǎng)呈先減小后增加的趨勢(shì)，這是因?yàn)楫?dāng)顆粒流量逐漸增大時(shí)，沖蝕產(chǎn)生的回彈部分顆粒會(huì)與后面的入射沙粒產(chǎn)生交互作用，進(jìn)而產(chǎn)生不可避免的二次沖蝕作用，這種作用會(huì)大大減小顆粒對(duì)混凝土材料的沖蝕磨損，因而在沙粒含量較小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)沖蝕率隨含量增加而減小的現(xiàn)象；但當(dāng)含量增加到一定程度后，反彈的沙粒又會(huì)與入射沙粒之間相互碰撞產(chǎn)生二次顆粒，會(huì)對(duì)試件形成不同角度和方向的二次沖蝕，因而沖蝕率又會(huì)隨著含沙量的增加而增加。

圖6 沖蝕率與含沙率的關(guān)系

3 結(jié)論

文章模擬渠道混凝土處于不同的風(fēng)沙環(huán)境中，對(duì)其抗沖蝕磨損性能進(jìn)行了研究。研究成果如下：(1)混凝土的沖蝕磨損率與強(qiáng)度等級(jí)關(guān)系不大，而是與混凝土的配合比，尤其是粗細(xì)骨料的含量及細(xì)度模數(shù)相關(guān)；(2)風(fēng)力等級(jí)和沖蝕角度對(duì)沖蝕率的影響規(guī)律一致，均呈線性關(guān)系；(3)沖蝕率隨沖蝕速度的增加而呈遞減趨勢(shì)，最終會(huì)趨于一個(gè)恒定值；(4)沖蝕率隨含沙量的增加呈先減后增的趨勢(shì)，與沙顆粒的二次回彈有關(guān)。

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