【正文】 HF 抗沖耐磨 劑在 雙河口電站泄洪洞 中 的 應(yīng)用 付 波 摘要：本文 通過系統(tǒng)地分析研究本泄洪隧洞的水力條件，并結(jié)合施工工藝，在流速大、水流空化數(shù)小或初生空化數(shù)大的部位采用抗沖耐磨材料以防止空蝕破壞。 關(guān)鍵詞： HF 抗沖耐磨外加劑，泄洪洞，配合比，混凝土， 泵送， 應(yīng)用 1 工程 概括 本 工程泄洪洞采用龍?zhí)ь^的形式， 原設(shè)計為有壓 隧洞 、開挖半徑為 的圓形洞，襯砌厚度 為 80cm， C40 鋼釬維砼和 C25 砼 各 40cm 厚 ；由于考慮到工程施工成本和施工難度 及施工進(jìn)度，質(zhì)量便于控制 等方面的原因，進(jìn)行設(shè)計變更，變更后 為 的城門型開挖，襯砌 80cm 厚的 C9045 抗沖耐磨砼 ，隧洞全長528m。度汛標(biāo)準(zhǔn)為 50年一遇洪水，相應(yīng)的度汛設(shè)計流量為 Q=3200m3/s，泄洪時洞內(nèi)最大流速達(dá)到 35m/s，為高速水流。根據(jù)國內(nèi)外已建工程泄水建筑物破壞或失事的經(jīng)驗教訓(xùn)，因高速水流的空化，導(dǎo)致建筑物空蝕破壞的不乏其例，因此，本工程高速水流的防蝕問題也是主要的工程技術(shù)問題之一，其中采用抗沖耐磨材料是高速水流防蝕的重要措施。通過系統(tǒng)地分析研究本泄洪隧洞的水力條件，并結(jié)合施工工藝，在流速大、水流空化數(shù)小或初生空化數(shù)大的部位采用抗沖 耐磨材料以防止空蝕破壞。 2 抗沖耐磨混凝土性能要求 根據(jù) 本泄洪隧洞的 水力學(xué)特性、結(jié)構(gòu)要求及實際施工條件，對抗沖耐磨混凝土的性能要求如下： （ 1）基本性能 ：強度為 C45（ 90 天）、二級配、坍落度 5～ 7cm、抗?jié)B（ W10）、抗凍（ F100），需泵送的混凝土要求坍落度 18～ 20cm，其余要求相同； （ 2）抗沖蝕性能：抗沖磨強度為普通混凝土的 2～ 3倍以上； （ 3）變形性能：希望具有較高的極限拉伸值和較小的干縮變形，以減少和防止裂縫產(chǎn)生。 為了滿足上述要求，根據(jù)國內(nèi)外抗沖耐磨材料的最新和成熟的應(yīng)用成果，可采用硅 粉混凝土、鋼纖維混凝土和 HF抗沖磨混凝土。 3 硅粉混凝土和鋼纖維混凝土與 HF 抗沖磨混凝土之綜合對比 經(jīng)濟(jì)效益 根據(jù)目前市場原材料價格和成熟的現(xiàn)場施工配合比情況分析，其經(jīng)濟(jì)增加費用如表 311。從表中結(jié)果可知，硅粉混凝土與 HF 混凝土增加費用大致相等，但鋼纖維混凝土的造價則十分昂貴。 311 C45 各型抗沖耐磨砼增加費用表 類型 單價（萬元 /T） 摻量（ kg/每方砼） 每方砼增加費 （元 /m3） 硅粉 ～ 40～ 60 80～ 180 鋼纖 維 1～ 40～ 90 400～ 1000 HF 抗沖磨劑 7～ 8 80～ 100 施工性能 （ 1）硅粉混凝土 :由于硅粉顆粒極細(xì)，比表面積很大，加入砼中后，可使砼粘聚性增大，流動性變差，施工和易性不好，使砼不易振搗密實 ,不易收光抹面 ,費工費時。在以往工程驗收中，往往會發(fā)現(xiàn)硅粉砼蜂窩麻面較多，砼表面平整度差，一般不能滿足平度要求，且龜裂及較大裂縫很多。同時對混凝土運輸距離、時間和運輸方式也有限制，否則將難于卸料。因此 硅粉混凝土施工難度大，并且不易保證質(zhì)量。 （ 2）鋼纖維混凝土：在混凝土中 摻入一定量的斷面積為 ～ ㎜ 2，長度為 20～40㎜的鋼纖維后，要使其鋼纖維在水泥硬化體中 均勻 的分散，不使它同水泥漿或砂子結(jié)成球狀團(tuán)塊與 離析 ，就需要 攪拌 量控制在 攪拌 機公稱容量的 1/3 以下，并增大 攪拌 時間，而造成 攪拌 設(shè)備效率低下。同時由于鋼纖維相互摩擦和相互纏繞，形成具有一定剛性的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而抑制了鋼纖維混凝土內(nèi)部水及水泥漿的流動，這將會大大增加混凝土泵送的難度。 （ 3） HF 抗沖磨混凝土：新拌 HF 高強耐磨粉煤灰混凝土的粘聚性與保水性介于硅粉混凝土與普通混凝土之間，既克服了硅粉混凝土粘聚性太大不泌水的 缺點，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應(yīng)，使粉煤灰混凝土的抗剪力顯著減小，在外力作用下，易產(chǎn)生流動，因此在施工方面 HF粉煤灰抗沖耐磨混凝土表現(xiàn)出了較大的優(yōu)越性，易于振搗密實，易于出漿和收光抹面。 抗沖耐磨性 我們知道混凝土破壞時，多發(fā)生在水泥石及其與骨料粘結(jié)面等薄弱環(huán)節(jié)，一旦薄弱環(huán)節(jié)破壞，整個混凝土便被破壞，受挾砂石水流沖磨破壞的混凝土，是先把其組成材料中耐磨性能較差的部份沖刷掉，若骨料中含軟弱顆?；蚬橇系哪湍バ阅茌^砂漿低時，則骨料先被沖磨成凹坑，若 骨料比砂漿耐沖磨性能好，則挾砂水流先把砂漿沖磨掉，而粗骨料逐漸凸出，這樣在高速水流作用下就會產(chǎn)生氣蝕而造成破壞。根據(jù)以往工程實際情況可知硅粉混凝土和鋼纖維混凝土的抗沖耐磨性都有優(yōu)異的表現(xiàn)。 HF 抗沖磨劑的作用機理是激發(fā)粉煤灰的活性，使膠凝材料的水化產(chǎn)物致密、堅硬、耐磨，改善膠材與骨料間的界面性能，并使自身強度和膠結(jié)力顯著提高，使混凝土形成一種較均勻的整體，提高了混凝土的抗裂性和混凝土的整體強度，提高混凝土抵抗高速水流空蝕和脈動壓力的能力，達(dá)到提高混凝土的抗壓強度、抗沖磨強度及耐久性能。結(jié)合多個已實施本抗沖磨 混凝土的工程（含大峽、劉家峽、洪家渡、尼那水電站等大中型工程）和西北水科所、長江科學(xué)院對施工取樣進(jìn)行抗沖磨抗高速水流沖蝕試驗，證明了 HF混凝土能顯著的提高混凝土的強度、耐磨性和抗高速水流空蝕性能。 根據(jù)以上綜合分析本工程決定采用 HF粉煤灰抗沖耐磨混凝土。 4 HF 粉煤灰抗沖耐磨混凝土配合比 原材料 根據(jù)本工程已使用原材料的情況，選定的原材料分別為： 水 泥：貴州水泥廠生產(chǎn)的“烏江”牌 P O 水泥。 粉煤灰：安順電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰。 砂石料：本工程現(xiàn)場砂石料場生產(chǎn)的灰?guī)r人工砂石 料。 減水劑：萘系高效減水劑。 抗沖磨劑：甘肅省電力試驗研究所的 HF 抗沖耐磨劑 。 水泥 混凝土的物理力學(xué)性能以及抗沖耐磨性能與使用的水泥品種及水泥標(biāo)號有密切的關(guān)系。對抗沖耐磨混凝土來說，一般應(yīng)選用標(biāo)號較高、質(zhì)量穩(wěn)定、耐磨性能好的水泥。貴州水泥廠生產(chǎn)的“烏江”牌 P O 水泥，其化學(xué)成份及物理力學(xué)性能見表 411 和表 412。 表 411 水泥的化學(xué)成份（ %） SiO2 燒失量 SO3 Fe2O3 CaO Al2O3 MgO K2O Na2O 堿含量 表 412 水泥的物理力學(xué)性能 水泥品種 細(xì)度 (%) 稠度 (%) 凝結(jié)時間 (min) 抗折強度 (MPa) 抗壓強度 (MPa) 安定性 初凝 終凝 3d 28d 3d 28d “烏江”牌 195 330 合格 由表 411至表 412 可知，貴州水泥廠生產(chǎn)的 水泥的物理力學(xué)性能滿足國標(biāo)《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥 GB1751999》的要求，使用在本工程部位上是合適的。 粉煤灰 粉煤灰是混凝土的主要摻合料之一 ,混凝土摻入粉煤灰具有減水增強、節(jié)約水泥降低工程造價、降低混凝土的溫升、延長混凝土凝結(jié)時間和提高混凝土拌和物的和易性等優(yōu)點，從而獲得混凝土質(zhì)量、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上的效果。安順電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰化學(xué)和物理力學(xué)性能見表 313。 表 413 粉煤灰品質(zhì)檢驗成果 細(xì)度（ %） 燒失度（ %） SiO2（ %） 含 水率（ %） 需水比（ %） 備注 98 達(dá)到 dL/T50551996Ⅱ級 粉煤灰標(biāo)準(zhǔn)要求 砂、碎石骨料 根據(jù)以往的工程實踐證明，不同品種的骨料其耐沖磨度若小于水泥漿體的耐沖磨度，則對混凝土的抗沖耐磨性能影響很大，若耐沖磨度明顯高于水泥漿體的耐沖磨度，則對混凝土的抗沖耐磨性能影響較小，這主要是由于在挾砂河水流對混凝土的沖磨過程中首先是沖磨掉較軟弱的顆粒。因此，其抗沖磨強度主要是受最軟弱顆粒的耐沖磨度的影響。因此，在選用抗沖磨混凝土骨料時，宜選用比設(shè)計的水 泥結(jié)石沖磨強度高的骨料，同時要兼顧其經(jīng)濟(jì)性。 粗骨料粒徑大小對混凝土的抗沖耐磨強度影響較小。較大粒徑的粗骨料可以減少水泥用量，有利于提高混凝土抗沖耐磨強度。選用抗沖耐磨混凝土粗骨料時，原則上應(yīng)盡可能選用較大粒徑的骨料，但也不能太大，一般不應(yīng)超過 40mm。 本次試驗選用的是本工程現(xiàn)場生產(chǎn)的灰?guī)r人工砂石骨料，其砂石骨料的物理性質(zhì)見表41表 415。試驗結(jié)果表明 ,砂、碎石滿足設(shè)計及《水工混凝土施工規(guī)范》（ DL/T51442020）要求。 表 414 砂的顆粒 級配 項目 篩孔尺寸（㎜） 石粉含量（ %） 細(xì) 度模 數(shù) 5 篩底 累計篩余（ %） 100 表 415 砂、碎石料的物理性質(zhì) 試驗項目 砂 5～ 20㎜ 20～ 40㎜ 堆積密度（ Kg/m3） 1690 1520 1482 緊密密度（ Kg/m3） 1865 1778 1743 表觀密度（ Kg/m3） 2682 2698 2714 飽和面干比重（ Kg/m3） 2657 2672 2687 飽和面干吸水率（ %） 針片狀（ %） / 外加劑 水工混凝土摻用外加劑，目的是 :降低水泥用量，減少水化熱溫升，簡化溫控成本，加快施工進(jìn)度、改善施工工藝，可為業(yè)主、施工承包單位帶來更好的經(jīng)濟(jì)效益；改善混凝土施工性能，提高混凝土耐久性，降低混凝土的維修費用及延長建筑物的壽命。昆明仁維工貿(mào)有限公司生產(chǎn)的萘系高效減水劑 RW 和意大利馬貝公司的丙烯酸聚合物液體高效減水劑 SX 物理力學(xué)性能檢測結(jié)果見表 416，均滿足《水工混凝土外加劑技術(shù)規(guī)范》（ DL/T51001999）要求。 表 416 外加劑物理力學(xué)性能 試驗項目 DL/T510001999標(biāo)準(zhǔn) 檢測結(jié)果 RW外加劑 SX外加劑 減水率（ %） ≥ 15 泌水率比（ %） ≤ 100 含氣量（ %） ＜ 抗壓強度比（ %） 3天 ≥ 125 147 146 7天 ≥ 125 151 164 28天 ≥ 120 142 150 注 :RW、 SX的摻量分別為膠凝材料總量的 %、 %。 抗沖磨劑 HF 抗沖耐磨劑是由甘肅省電力試驗研究所研究的一種與粉煤灰共摻，提高粉煤灰混凝土抗沖磨性能的專用耐磨劑。其物理力學(xué)性能檢測見下表 317。 表 417 HF 抗沖磨劑物理性能 試驗項目 檢測結(jié)果 備 注 細(xì)度（ %）（ ㎜篩余 ） 試驗用水泥采用貴州水泥廠生產(chǎn)的 水泥 , 水泥膠砂流動度指標(biāo)檢測為；水泥：標(biāo)準(zhǔn)砂：水： HF 抗沖耐磨劑分別為 1： :: 含 水 量 (%) 水泥膠砂流動度 (㎜ ) 136 PH 值 14 使用配合比 根據(jù)設(shè)計提供的抗沖磨混凝土的主要試驗技術(shù)指標(biāo) (混凝土強度等級、抗?jié)B等級、極限拉伸值等指標(biāo) ),進(jìn)行抗沖磨混凝土配合比設(shè)計試驗。經(jīng)過試配、調(diào)整、選擇，最后確定符合設(shè)計、施工技術(shù)要求而又經(jīng)濟(jì)合理的抗沖磨混凝土配合比（見表 321）。 表 421 抗沖磨混凝土配合比 C9045 推薦表 混凝土種類 試驗 編號 水 灰比 1M3 混凝土材料用量 外加劑品種 水 水泥 粉煤灰（ 20%） 外加劑 / 摻 量 HF （ 2%） 砂 / 砂率 碎 石 5～ 20 20～ 40 泵送 A4 125 294 74 B4 115 270 68 非泵送 C4 105 247 62 D4 95 223 56 本抗沖磨混凝土的抗沖磨性能 采用水下鋼球法，通過測定混凝土表面受水下高速流動介質(zhì)磨損的相對抗力，來評價混凝土表面的相對磨損性能，試驗結(jié)果見表 431。 表 431 抗沖磨性能試驗成果 混凝土 試驗編號 試件累計損失質(zhì)量（ Kg） 試件受沖磨面積（㎡） 抗沖磨強度h/（ Kg/㎡） 磨損率 （ %） 備注 泵送 E1 無抗沖磨劑、外加劑 E2 RW E3 SX A4 RW+2%HF B4 SX+2%HF 非泵送 F1