水工泄水建筑物的空蝕破壞及高性能抗磨蝕混凝土材料

摘 要：結(jié)合水工建筑物的空蝕破壞情況及特征，對(duì)抗磨蝕混凝土材料在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用進(jìn)行了分析比較，展示了抗磨蝕混凝土材料在水工建筑物，特別是泄水建筑物中應(yīng)用的廣闊前景。

關(guān)鍵詞：水工泄水建筑物；空蝕破壞；抗磨蝕；混凝土材料

1 水工泄水建筑物的空蝕破壞

    自1935 年巴拿馬麥登壩泄水道進(jìn)口發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重空蝕破壞以來(lái)，泄水建筑物的破壞時(shí)有發(fā)生。國(guó)內(nèi)外大量的工程實(shí)例說(shuō)明，在高中水頭泄水建筑物中的某些部位，當(dāng)設(shè)計(jì)不周或施工不慎時(shí)，常常會(huì)發(fā)生材料剝蝕的現(xiàn)象，即在混凝土或金屬表面，輕者造成斑點(diǎn)麻面，重者形成蜂窩狀甚至大洞，人們把這種現(xiàn)象稱(chēng)做空蝕?？瘴g的發(fā)生直接影響到建筑物的壽命，甚至造成整個(gè)建筑物的失事。所以空蝕已成為泄水建筑物設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問(wèn)題。

    造成泄水建筑物空蝕破壞的原因是多方面的，目前形成共識(shí)的是： ①泄水建筑物形狀設(shè)計(jì)不良； ②施工不平整度過(guò)大； ③管理運(yùn)用不當(dāng)； ④上述幾種原因綜合作用產(chǎn)生了空化水流，造成了空蝕破壞。

    有研究顯示，空蝕是水中空泡潰滅時(shí)的沖擊力和材料抗空蝕能力的綜合結(jié)果?？瘴g程度是由水流的空蝕能力和材料的抗空蝕強(qiáng)度所決定的，所以材料的力學(xué)特性和能量特性都與抗空蝕強(qiáng)度有關(guān)。

    泄水建筑物混凝土的受力破壞是由于混凝土在硬化過(guò)程中，產(chǎn)生了許多微裂縫等缺陷，當(dāng)外力作用于混凝土?xí)r即在上述缺陷部位產(chǎn)生較大的集中應(yīng)力而形成裂縫，隨著裂縫的發(fā)展、連通，形成較大的破壞面乃至整體破壞。由于泄水建筑物上高速水流的紊動(dòng)與分離現(xiàn)象，特別在不平順的邊界上，水流紊動(dòng)劇烈，水流分離明顯，因而極易發(fā)生空蝕現(xiàn)象， 使混凝土發(fā)生破壞。

2 混凝土的破壞機(jī)理

    混凝土的破壞是挾砂水流在其表面上造成的泥沙磨損與空蝕聯(lián)合作用的結(jié)果，有關(guān)文獻(xiàn)指出，渾水中由于有大量的固體微粒存在，這些固體微粒具有不平整的表面，初始空化易于提前發(fā)生。在空泡潰滅時(shí)位于空泡附近的固體顆粒又易受到潰滅時(shí)的沖擊力影響而獲得加速度，加大了對(duì)邊壁材料的破壞力，當(dāng)空蝕破壞與泥沙磨損聯(lián)合作用時(shí)，破壞力更為加劇。根據(jù)三門(mén)峽水庫(kù)磨損空蝕實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)成果， 若以清水空蝕量為基數(shù)，當(dāng)含沙量為40 kg/ m3 時(shí)，磨損量是清水空蝕的3. 4 倍，當(dāng)磨損與空蝕聯(lián)合作用時(shí)，為清水空蝕的1610 倍。美國(guó)密執(zhí)安大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，進(jìn)行的震動(dòng)型空蝕實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果表明，渾水空蝕率比清水增加約50 %。說(shuō)明在渾水情況下，混凝土表面粗糙度對(duì)空蝕較沖磨更為明感， 因此，實(shí)際混凝土工程，特別是泄水建筑物要優(yōu)化過(guò)流面體形，應(yīng)保證其平整度的要求，不容許存在凹凸不平、升坎、降坎、鋼筋頭或預(yù)埋件露頭等弊端，以達(dá)到減免空蝕對(duì)建筑物的破壞的目的。目前，關(guān)于混凝土磨蝕機(jī)理的普遍看法是：

(1) 含沙水流改變了清水的物化及流動(dòng)特性，使水的空化壓力發(fā)生變化，空蝕提前發(fā)生；

(2) 砂粒被水流挾帶，由于質(zhì)量不同，在慣性力作用下， 可能滯后或超前于水流速度，轉(zhuǎn)彎時(shí)還會(huì)偏離流線(xiàn)，水中游離的砂粒會(huì)產(chǎn)生旋渦氣泡，并在某一臨界壓力下潰滅，使材料遭受破壞；

(3) 空泡潰滅，產(chǎn)生混凝土損傷，加速泥沙磨損；

(4) 混凝土在本來(lái)不產(chǎn)生空蝕的部位以砂粒磨損為先導(dǎo)，砂粒的沖擊、磨擦和切削，使混凝土表面出現(xiàn)凹凸不平， 形成空蝕源，局部水流的劇烈紊動(dòng)，又促使砂粒的動(dòng)能大為提高，從而加速了混凝土的磨蝕。

3 高性能抗磨蝕混凝土材料的選擇

    我國(guó)河流含泥沙嚴(yán)重，近年來(lái)，在空蝕及泥沙磨損對(duì)泄水建筑物的破壞方面進(jìn)行了很多研究，有了一系列行之有效的工程措施，而且在抗蝕材料的研究上也有了較大的進(jìn)展。

3.1 影響混凝土抗磨蝕性能的因素

     根據(jù)對(duì)混凝土磨蝕破壞機(jī)理和抗磨蝕影響性能的研究分析可知，在相同的和易性條件下，抗磨蝕混凝土的強(qiáng)度將取決于以下幾個(gè)條件：

(1) 組成水泥石的材料(含水泥、摻合料、減水劑等) 品種及性質(zhì)；

(2) 集料的性質(zhì)和級(jí)配；

(3) 拌和用水量與水泥或膠凝材料的比率；

(4) 水泥石在混凝土中的相對(duì)含量。

　　研究資料表明:當(dāng)混凝土的強(qiáng)度高于C25 ，水灰比不大于0.40～0.45 ，坍落度不大于7～8cm 時(shí)，混凝土就有一定的抗空蝕能力，而且流速愈大，所需混凝土的強(qiáng)度愈高。

3.2 為了提高混凝土的抗磨蝕強(qiáng)度所采取的工程措施

(1) 使用高效能減水劑是提高混凝土抗磨蝕強(qiáng)度的一項(xiàng)有效措施。實(shí)驗(yàn)資料表明，摻用高效減水劑同時(shí)保持混凝土流動(dòng)度不變，無(wú)論是保持水泥用量不變或者是保持水灰比不變都會(huì)使混凝土的抗磨蝕強(qiáng)度有顯著增加。因此有抗磨蝕要求的工程中必須使用減水效果優(yōu)良的高效能減水劑。

(2) 在混凝土中加入摻合料提高混凝土的抗磨蝕性能。目前在混凝土中加入最普遍的是硅粉。起初硅粉只是作為廉價(jià)的水泥添加劑，后來(lái)高性能減水劑的開(kāi)發(fā)，在硅粉的超微粒子與高性能減水劑的共同作用下，產(chǎn)生微縮效果，呈現(xiàn)高密度充填性和活性火山灰反應(yīng)等，而改善混凝土的性能受到重視。由于硅粉粒子比水泥要細(xì)，在水泥混凝土中具有填充水泥顆粒之間的空隙生成水化物核，同時(shí)也起著正如液體那樣的作用，提高水泥混凝土的流動(dòng)性并使之更為密實(shí)，從而可制造出高強(qiáng)度、高流動(dòng)性和高耐久的混凝土。目前已開(kāi)發(fā)出強(qiáng)度達(dá)到25000 N/ cm² 的高強(qiáng)度混凝土。

(3) 利用聚合物砂漿及聚合物混凝土膠結(jié)材料。在早期，雖然從室內(nèi)實(shí)驗(yàn)效果來(lái)看，其本身的抗沖磨、抗氣蝕性能都有提高?？墒?，這種材料施工較復(fù)雜，施工速度慢，材料費(fèi)用高，不適宜大面積推廣。但近年來(lái)，聚合物的抗蝕材料又有了迅速發(fā)展。1989 年帕爾麥( Palmer) 國(guó)際有限公司推出的空蝕的克星DP 劑，DP 劑代表這方面的發(fā)展。我國(guó)南科院進(jìn)行的離子束在抗蝕材料改性中作用的研究已取得了進(jìn)展， 業(yè)已證明對(duì)耐磨、耐蝕、耐疲勞以及硬度方面都有明顯的改善。

4 　結(jié)語(yǔ)

    水工泄水建筑物中的空蝕破壞及泥沙磨損機(jī)理雖然是非常復(fù)雜的，但是通過(guò)合理的工程措施，以及改善混凝土材料的抗磨蝕性能，空蝕破壞是可以減免的。