馮 立，姜怡林，唐慧琪，文 濤，李福海

(1.中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 前 言

混凝土壩是我國(guó)高壩的主要類型之一，占200 m以上大壩的56%以上[1]。高壩受到水流沖刷不可避免，其下泄流速已達(dá)50 m/s，水中沙石會(huì)對(duì)混凝土大壩造成沖刷磨蝕作用，縮短水工混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命。沙石在水流帶動(dòng)下撞擊、磨損混凝土表面，造成細(xì)骨料脫落，粗骨料外露，進(jìn)而出現(xiàn)鋼筋外露、銹蝕等現(xiàn)象，影響結(jié)構(gòu)的耐久性。

高速挾沙水流對(duì)混凝土的沖磨和空蝕作用機(jī)理不同。根據(jù)水流中的介質(zhì)大小，沖磨會(huì)對(duì)混凝土表面均勻磨損和撞擊混凝土表面，留下形狀不規(guī)則的坑洞；空蝕主要是在水流急劇變化區(qū)域形成氣壓差，產(chǎn)生的空化氣泡破裂沖擊混凝土過流面，造成破壞。沖磨和空蝕二者作用機(jī)制不同，但一般是同時(shí)發(fā)生，并且相互之間有一定促進(jìn)和增強(qiáng)作用，發(fā)生條件受水中介質(zhì)、水流流速、地質(zhì)條件等因素影響。

普通混凝強(qiáng)度低，易產(chǎn)生裂縫，常年受水流沖刷，影響水工建筑物結(jié)構(gòu)后期性能。此時(shí)，環(huán)氧砂漿、聚脲彈性體、纖維混凝土等常被用作水工建筑物的修補(bǔ)材料。

基于此，本文將對(duì)一些水工混凝土沖蝕破壞機(jī)理以及現(xiàn)階段常用的沖磨防護(hù)措施進(jìn)行綜述，并分析各種防護(hù)措施的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 混凝土沖蝕破壞機(jī)理

一些研究結(jié)果表明，清水流過混凝土面對(duì)混凝土的破壞作用很小(除消能不良和空蝕破壞外)[2]。但高速含沙石水流會(huì)導(dǎo)致水工建筑物混凝土過流面發(fā)生沖磨蝕和空蝕破壞。

1.1 沖磨破壞機(jī)理

通常水流中的介質(zhì)分為懸移質(zhì)和推移質(zhì)。懸移質(zhì)沖磨破壞是對(duì)混凝土造成切削作用，表現(xiàn)為混凝土的均勻磨損,而推移介質(zhì)則主要造成沖撞破壞,在高速水流帶動(dòng)下，推移質(zhì)在混凝土結(jié)構(gòu)壁面滾動(dòng)跳躍前進(jìn)，不僅造成切削摩擦作用，而且不斷撞擊混凝土表面[3]。

1.1.1 懸移質(zhì)破壞機(jī)理

懸移質(zhì)泥沙顆粒較小,以與水流相近的運(yùn)動(dòng)速度和一定沖角(5°～15°)沖刷磨損邊壁材料。小流速的懸移質(zhì)不會(huì)對(duì)材料造成明顯的磨損，當(dāng)超過臨界流速(10～12 m/s),磨損現(xiàn)象較為明顯。懸移質(zhì)磨蝕破壞發(fā)生在邊壁材料與細(xì)顆粒泥沙接觸的各個(gè)部位，表現(xiàn)為均勻磨損，接觸面較為光滑，先磨掉混凝土表面的砂漿與細(xì)骨料，粗骨料裸露。含懸移質(zhì)高速水流對(duì)泄水建筑物過流表面沖磨破壞作用的大小與諸多因素有關(guān)，如水流速度、流態(tài)，懸移質(zhì)形狀、粒徑、硬度、含量以及混凝土的抗沖磨強(qiáng)度等[4]。

1.1.2 推移質(zhì)破壞機(jī)理

推移質(zhì)主要是以粗砂、礫卵石、塊石等大顆粒為主，對(duì)泄水建筑物過流面的破壞機(jī)理與懸移質(zhì)不同，破壞作用更加明顯。除了會(huì)磨損混凝土表面外還會(huì)以很大的能量撞擊混凝土表面，硬度較大的骨料露出，留下凹凸不平的坑洞。由于粗骨料硬度較大且不易松動(dòng)，使得混凝土表面形成凹凸不平的磨蝕坑，水流在壁面不穩(wěn)定會(huì)形成各種漩渦流，條件進(jìn)一步惡化，加劇磨蝕破壞。

對(duì)推移質(zhì)沙石在混凝土表面反復(fù)跳躍沖擊式破壞，使用目前常用強(qiáng)度較高的纖維混凝土、硅粉混凝土等剛性材料，針對(duì)性不強(qiáng)，不能很好地解決混凝土表層的推移質(zhì)磨損。將一些高韌性、高彈性材料如橡膠混凝土、SK 手刮聚脲等用作抗沖磨材料，吸收砂石沖擊混凝土的能量，可以有效解決推移質(zhì)破壞問題。袁群等[5]在普通混凝土中摻入橡膠顆粒等體積替代砂制成橡膠混凝土進(jìn)行抗沖磨試驗(yàn)，與普通混凝土相比，抗沖磨強(qiáng)度提高了9.57倍，推薦最優(yōu)摻量10%～15%。有文獻(xiàn)[6]提出采用柔性材料將高彈性抗沖磨砂漿、環(huán)氧砂漿以及SK手刮聚脲混合使用進(jìn)行沖磨破壞修復(fù)，滿足工程技術(shù)指標(biāo)。

1.2 空蝕破壞機(jī)理

高速水流泄水建筑物的空蝕現(xiàn)象比較復(fù)雜，主要是發(fā)生在水流形態(tài)急劇變化區(qū)域。高速水流會(huì)產(chǎn)生低氣壓區(qū)，當(dāng)壓力下降到一定程度時(shí)，流體中會(huì)形成空穴或氣泡，稱為“空化”?？栈瘹馀轃o法穩(wěn)定存在，運(yùn)動(dòng)至高氣壓區(qū)后，在高壓強(qiáng)下形成微射流以極大的沖擊力沖擊混凝土過流面，對(duì)其造成破壞。與沖磨破壞一致，都表現(xiàn)為混凝土表面水泥漿和細(xì)骨料脫落，再到粗骨料外露。

有研究[7]表明空蝕與沖磨是兩種不同的破壞機(jī)制，空蝕主要是空化氣泡不斷對(duì)混凝土表面破滅沖擊，導(dǎo)致細(xì)骨料到粗骨料的連續(xù)脫落，留下形狀不規(guī)則的蝕坑。沖磨主要是沙石的切削磨損，使混凝土表面凹凸不平，沒有小顆粒附著在表面。

兩者之間有一定促進(jìn)和增強(qiáng)作用，沖蝕作用在表面產(chǎn)生缺陷孔洞以及散顆粒堆積骨架結(jié)構(gòu)，骨架結(jié)構(gòu)繼而被沖磨作用沖散，加速混凝土磨損。

2 沖蝕破壞防治措施及工程應(yīng)用

工程上現(xiàn)有的抗沖磨材料基本可以分為兩大類：一類是柔性材料，如聚脲彈性體、環(huán)氧砂漿等；一類是高強(qiáng)剛性材料，如硅粉混凝土、纖維增強(qiáng)混凝土、HF混凝土等。以下是對(duì)近幾年工程上常用的一些材料及防護(hù)技術(shù)進(jìn)行闡述。

2.1 單組分聚脲

單組分聚脲材料是國(guó)內(nèi)近些年來發(fā)展起來的一種新型高性能反應(yīng)型、無溶劑污染的涂料產(chǎn)品。主要是由多異氰酸酯高分子預(yù)聚體、化學(xué)封閉的多元胺、助劑等組成的多官能團(tuán)高分子液態(tài)混合物。

單組分聚脲材料具有綜合力學(xué)性能優(yōu)異、拉伸強(qiáng)度大、抗沖耐磨性好等特點(diǎn)，能與多種基材牢固粘結(jié)。該材料已廣泛應(yīng)用于有抗沖磨要求的泄水建筑物等水利水電工程領(lǐng)域，能夠有效解決含砂高速水流的沖磨空蝕問題，延長(zhǎng)泄水建筑物的服役年限。

山西禹門口灌區(qū)水利工程，由于所處地區(qū)年際、日際溫差變化大，并且渡槽內(nèi)冬季也有供水任務(wù)，導(dǎo)致槽身內(nèi)混凝土病害嚴(yán)重，主要有凍融剝蝕、鋼筋銹蝕等現(xiàn)象。2014年對(duì)灌區(qū)二級(jí)干渠11號(hào)、13號(hào)兩座渡槽進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)加固及防護(hù)處理，主要選用SK單組分聚脲對(duì)混凝土斷面進(jìn)行防護(hù)。工程修復(fù)后通過對(duì)比分析，滲漏問題基本解決，渡槽運(yùn)行水位流速增大，過流能力明顯提高。北疆某水利樞紐工程氣溫年差較懸殊，多年平均氣溫僅2.7℃，氣象和氣候條件十分惡劣。因該地區(qū)海拔高、年溫差大，如采用傳統(tǒng)混凝土，極易產(chǎn)生裂縫，采用抗沖磨型SK單組分聚脲進(jìn)行表孔溢流面防護(hù)，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)檢查，經(jīng)處理后的混凝土面裂縫封閉良好、涂層表面無開裂現(xiàn)象。一些其他重要水利工程也采用SK單組分聚脲作為防護(hù)試驗(yàn)材料，修補(bǔ)防護(hù)效果顯著，如莊浪河渡槽,潘家口水庫(kù)主壩，東江水源工程,蒲石河抽水蓄能電站等。

2.2 環(huán)氧砂漿

環(huán)氧砂漿又稱環(huán)氧樹脂砂漿，是由環(huán)氧樹脂、固化劑等有機(jī)組分，石英砂、水泥等無機(jī)材料充當(dāng)填料按一定比例混合的多相復(fù)合材料。該種砂漿具有粘結(jié)強(qiáng)度高、抗沖擊和耐磨性好、施工范圍廣等特點(diǎn)，能有效增強(qiáng)混凝土構(gòu)件的抗沖磨、抗碳化、抗化學(xué)侵蝕等性能,因而其廣泛適用于混凝土裂縫修補(bǔ)和表面防護(hù)。有研究人員[8]經(jīng)過室內(nèi)對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)環(huán)氧砂漿的抗氣蝕性能最強(qiáng)，是C40混凝土的6～8倍，C30混凝土的20倍。然而，環(huán)氧砂漿使用非常不便，在低溫下熱塑性差，必須要升高溫度才能將固化的樹脂從容器中倒出，其粘結(jié)性也會(huì)因溫度的上升而降低，使用效果差。為了彌補(bǔ)環(huán)氧樹脂的局限性，可以在環(huán)氧樹脂中加入其他化學(xué)物質(zhì)，更好地發(fā)揮其性能。廖婉蓉等[9]基于新型固化劑研發(fā)了可用于水下修補(bǔ)的新型環(huán)氧砂漿，對(duì)三板溪水電站溢洪道邊墻及底板進(jìn)行修補(bǔ)，經(jīng)過多次沖刷，修復(fù)部位完好無損。

2.3 抗沖磨混凝土

傳統(tǒng)普通混凝土脆性大、強(qiáng)度低，如果將其用在水工建筑物遭受沖蝕破壞的部位，在短期內(nèi)會(huì)遭受破壞,不僅增加了修補(bǔ)次數(shù)，還會(huì)造成巨大的安全隱患和較高的經(jīng)濟(jì)成本。這就迫切需要開發(fā)出具有高強(qiáng)度、高耐磨性和抗沖擊韌性優(yōu)異的混凝土材料。

1)纖維混凝土。水工混凝土中摻入纖維可以提高抗沖磨性能。這主要是由于纖維可以在混凝土中形成一個(gè)三維支撐系統(tǒng)，提高混凝土黏性，減少骨料沉降，與混凝土之間還存在橋聯(lián)作用，可以提高硬化混凝土整體性，從而提高抗沖磨能力。纖維的種類繁多，不同種類的纖維抗沖磨能力也不同。武曉菲等[10]研究了不同種類纖維對(duì)混凝土抗沖磨性能的影響，發(fā)現(xiàn)摻加長(zhǎng)度為12 mm的聚丙烯纖維混凝土綜合性能最優(yōu)。李光偉等[11]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，同等條件下，摻40 kg/m3的鋼纖維混凝土抗沖耐磨特性要優(yōu)于摻0.9 kg/m3的聚丙烯纖維混凝土。趙新華等[12]研究了聚乙烯醇纖維水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能和施工工藝，并將其應(yīng)用在泄洪建筑物的表面防護(hù)。纖維增強(qiáng)混凝土在應(yīng)用中還存在著一些問題，首先攪拌過程中纖維易纏繞成團(tuán)，降低混凝土和易性的同時(shí)會(huì)影響混凝土的性能；其次是一些具有較好增強(qiáng)效果的纖維(如鋼纖維)價(jià)格較高，增加了混凝土的成本。目前，國(guó)內(nèi)外許多研究人員正致力于纖維改性，使其在混凝土生產(chǎn)過程中更容易分散均勻，同時(shí)使其更加經(jīng)濟(jì)。

2)硅粉混凝土。硅粉混凝土具有良好的抗沖磨性能、高強(qiáng)度以及防滲和低熱等性質(zhì)，適用于泥沙含量少，推移質(zhì)粒徑較小的水流，在水利水電工程中應(yīng)用比較普遍。戈國(guó)慶等[13]將改性硅粉砂漿應(yīng)用于石窟水庫(kù)溢洪道修補(bǔ)加固，兩個(gè)月后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)，平均檢測(cè)值為2.8～3.1 MPa,試驗(yàn)檢測(cè)值顯著增大，修補(bǔ)效果良好。李東強(qiáng)等[14]針對(duì)水流沖刷下導(dǎo)流洞的磨蝕破壞，采用硅粉混凝土施工，并對(duì)原材料、澆筑、振搗和抹面進(jìn)行控制，有效避免混凝土表面產(chǎn)生早期裂縫。湖南魚潭大壩、石門溝水庫(kù)和白石水庫(kù)等均采用了硅粉混凝土，且都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，使用效果好。

3)橡膠混凝土。在多泥沙及推移質(zhì)粒徑較大的河流將橡膠顆?；蛳鹉z粉摻入混凝土使其更加耐沖磨,同時(shí)廢舊橡膠粉經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、可循環(huán)利用,具有密度低、延性好、抗彎及抗拉強(qiáng)度高、抗震能力強(qiáng)等特點(diǎn)。有研究人員[15]對(duì)不同橡膠摻量的混凝土進(jìn)行疲勞加載試驗(yàn)，結(jié)果表明，橡膠摻量為20%混凝土的斷裂能是普通混凝土斷裂能的31.4倍。與普通混凝土相比，橡膠混凝土可以吸收水流中沙石對(duì)混凝土的沖擊能量，起到抗沖耐磨的作用。

4)HF混凝土。HF高強(qiáng)耐磨粉煤灰混凝土是由優(yōu)質(zhì)粉煤灰、HF外加劑、符合要求的砂石骨料和水泥組成。由于HF外加劑具有減水效果，較小的用水量即可滿足坍落度要求，盡可能避免泌水和離析現(xiàn)象的發(fā)生。此外，HF外加劑能激發(fā)粉煤灰的活性，使膠凝材料與骨料結(jié)合更加致密，減小孔隙率，從而提高混凝土抗壓強(qiáng)度、抗沖磨強(qiáng)度等性能。HF混凝土在崗南水庫(kù)、古瓦水電站、桐子林水電站等工程用做抗沖磨護(hù)面材料，較普通混凝土抗沖耐磨性有較大提高，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。

以上幾種混凝土以及護(hù)面材料都是當(dāng)前水利工程中常用的耐磨蝕材料，較普通混凝土性能有較大提高，但也有一定局限性。纖維混凝土在攪拌時(shí)容易出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，摻量較大時(shí)會(huì)影響混凝土的和易性，降低施工性能，成本較高；硅粉混凝土易產(chǎn)生早期裂縫，需要對(duì)施工過程嚴(yán)格控制；橡膠混凝土的強(qiáng)度較低，橡膠顆粒摻量會(huì)大幅影響抗壓強(qiáng)度，限制了其在工程中的應(yīng)用；HF混凝土綜合性能優(yōu)異，但其技術(shù)要求較高，要對(duì)設(shè)計(jì)、施工再到養(yǎng)護(hù)全過程進(jìn)行把控。因此，在選擇水工結(jié)構(gòu)建筑物抗沖磨材料時(shí)，要充分考慮現(xiàn)場(chǎng)水流條件、介質(zhì)粒徑及形狀特點(diǎn)、價(jià)格等因素，進(jìn)行修補(bǔ)防護(hù)。

3 結(jié) 語

各類抗沖磨材料在我國(guó)水利工程中已得到廣泛應(yīng)用，但由于應(yīng)用時(shí)間不長(zhǎng)，材料的長(zhǎng)期性能仍需要后期監(jiān)測(cè)。本文針對(duì)目前水工混凝土經(jīng)常出現(xiàn)的沖刷磨損問題以及常用的一些防護(hù)材料進(jìn)行了總結(jié)和比較，得到如下結(jié)論。

1)通常水流中的介質(zhì)分為懸移質(zhì)和推移質(zhì)。懸移質(zhì)沖磨破壞是對(duì)混凝土造成切削作用，而推移介質(zhì)則主要造成沖撞破壞。

2)沖磨和空蝕對(duì)混凝土作用的表現(xiàn)形式一樣，砂漿和細(xì)骨料首先脫落，粗骨料裸露。但兩者作用機(jī)制不同，相互之間有一定促進(jìn)作用，進(jìn)一步破壞混凝土表面。

3)目前對(duì)于抗沖磨材料的研究主要體現(xiàn)在對(duì)傳統(tǒng)抗沖磨材料性能的提升，彌補(bǔ)原有材料的缺陷，降低成本，減少維護(hù)次數(shù)。也有開發(fā)出全新性能優(yōu)異的抗沖磨材料，但在水利工程建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用時(shí)間不長(zhǎng)，材料的耐久性也需要大量試驗(yàn)檢測(cè)。

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