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溪洛渡水电站抗冲耐磨水泥混凝土性能试验研究
来源：国家电力公司成都勘测设计研究院
2009年07月08日前言
溪洛渡水电站装机12600MW，位于四川省雷波县和云南省永善县接壤的金沙江溪洛渡峡谷，是一座以发电为主，兼有防洪、拦沙和改善下游航运等综合利用效益的特大型水利水电枢纽工程。溪洛渡水电站具有“高水头、大泄量、窄河谷”特点，泄洪洞最大流速接近50m/s，泄洪功率约为9500MW，为二滩水电站的2.5倍。多年平均含沙量1.72 kg/m3，为二滩水电站的3倍多。坝址处多年平均推移质输沙量180万t，多年平均悬移质输沙量2.47万t。这样大的挟沙水流通过电站泄洪排沙建筑物，对建筑物表面材料的磨损破坏是一个急待解决的技术问题。为此，本文结合溪洛渡水电站工程，对各种抗冲耐磨混凝土的特性进行研究，从而优选出抗冲耐磨性能优良的材料供电站施工采用。2 影响混凝土抗冲耐磨性能的主要因素
混凝土是由胶凝材料和沙石骨料组成的多相复合材料。在悬移质和推移质泥沙的冲磨作用下，组成材料中抗冲耐磨性能较差的部分将首先被磨掉，抗冲耐磨性能较强的部分则凸现出来，并承受较多的冲磨作用。显然，提高混凝土内各组分的抗冲耐磨性能，提高耐磨性较高的组分在混凝土内所占比例及改善各组分之间的界面结合状况，都有利于混凝土抗冲耐磨性能的提高，其中水泥品种与骨料品种是影响混凝土抗冲耐磨性能的主要因素。2.1 水泥品种对混凝土抗冲耐磨性能的影响
水泥的各项力学性能，主要决定于组成它的矿物成分及其含量。对合成单矿物熟料的水泥进行的相同稠度浆体的单矿物水泥石及沙浆的磨损试验结果表明，C3S抗冲磨强度最高，C2S的抗冲磨强度最低，C3A及C4AF的抗冲磨强度较接近。结合溪洛渡水电站的实际情况进行的不同品种水泥的抗冲耐磨性能试验研究结果表明：在相同条件下，采用江津中热525号水泥的混凝土抗冲耐磨性能优于采用水城普硅525号水泥的混凝土。用单位强度的混凝土抗冲耐磨强度指标来衡量，也可以得出这个结论。这是由于江津中热525号水泥与水城普硅525号水泥相比，其C3S的含量较高、C2S含量较低的缘故。水泥的基本性能及不同品种水泥混凝土抗冲耐磨性能见表
1、表2。
2.2 骨料品种对混凝土抗冲耐磨性能的影响
一般情况下，挟沙石的水流首先将混凝土表面水泥石的分子与母体分离，使水泥石逐渐成凹坑，而骨料逐渐凸出来。在挟沙石水流的继续冲击下，凸出的骨料所承受的冲磨作用力大于凹陷下去的水泥石，因而骨料的品种以及骨料的自身耐磨性能对混凝土的抗冲耐磨性能的影响是不容忽视的。
溪洛渡水电站工程区域内天然沙砾石质次、量少，大坝混凝土需采用当地的灰岩和玄武岩加工人工骨料。鉴于溪洛渡水电站的实际情况，对玄武岩和灰岩人工骨料进行了耐磨性能试验，并对不同品种人工骨料混凝土的抗冲耐磨性能进行了试验研究。
2.2.1 人工骨料的耐磨性能
采用ASTM标准中C131和C535方法对灰岩和玄武岩人工骨料分别进行耐磨性能试验。试验结果表明（见表3）：灰岩和玄武岩的磨损率均未超过ASTM标准中C131和C535的规定，不同粒径的玄武岩耐磨性能都优于相应的灰岩。在对ASTM标准中C131和C535方法进行修改和补充的基础上，进行了不同组合人工骨料的耐磨性能试验。试验结果表明（见表4）：玄武岩人工骨料的耐磨性能最好，灰岩人工骨料的耐磨性能最差，玄武岩粗骨料与灰岩细骨料组合的耐磨性能介于两者之间。
2.2.2 不同品种人工骨料对混凝土抗冲耐磨性能的影响
在水泥品种及混凝土配合比相同的情况下，玄武岩混凝土的抗冲磨强度比灰岩混凝土的提高1倍多。当保持混凝土粗骨料品种（玄武岩）不变时，仅改变细骨料品种（将玄武岩人工砂代替灰岩人工砂），混凝土抗冲磨强度提高73%；在保持细骨料品种（灰岩）不变情况下，仅改变粗骨料品种（将玄武为岩代替灰岩作粗骨料），混凝土的抗冲磨强度可提高28%。由此可见，骨料的品种对混凝土的抗冲耐磨性能具有显著的影响，其中细骨料品种的影响要大于粗骨料品种的影响。由试验结果可以看出（见表5），不同一试验条件下，骨料的耐磨性能与混凝土的抗冲磨强度有明显的关系，耐磨性能好（骨料磨耗率小）的骨料，其混凝土的抗冲磨能力就强。对溪洛渡水电站有抗冲耐磨要求的部位，其混凝土应选用玄武岩人工骨料。武岩人工骨料。
溪洛渡水电站抗冲耐磨混凝土的性能试验研究
减轻或防止推移质及悬移质破坏水工建筑物的途径，可以从两个方面着手：一是设计时，在工程布置和工程结构上尽可能使水流顺直，消能工应避免采用使水流紊乱的结构形式，以减轻推移质的撞击；二是在水工建筑物过流部位采用抗冲耐磨性能优良的材料加以保护。针对溪洛渡水电站的实际情况分别进行了玄武岩人工骨料混凝土、硅粉混凝土、聚丙烯纤维混凝土、铁矿石混凝土和矿渣微粉混凝土抗冲耐磨性能的试验研究。通过试验研究，推荐适合溪洛渡水电站的抗冲耐磨混凝土，以减轻和防止溪洛渡水电站水工建筑物发生冲磨破坏。
高速挟沙水流及推移质沙石对混凝土材料的冲磨试验方法及抗冲磨性能的评定标准，至今未统一。为了客观地评定各种抗冲耐磨材料的性能，采用了圆环法（以抗冲磨强度表示）、水下钢球法（以抗磨损强度表示）、圆盘耐磨仪法（以耐磨硬度表示）和冲击法（以抗冲击韧性表示）等多种试验方法对混凝土抗冲耐磨性能进行试验研究。
3.1玄武岩人工骨料混凝土的抗冲耐磨性能
玄武岩人工骨料自身坚硬致密（密度为2.96g/cm3，吸水率为0.52％），耐久性能好，其混凝土基本性能及抗冲耐磨特性见表6。试验表明，随着混凝土水灰比的减小，玄武岩人工骨料混凝土的密实性提高，抗冲磨强度增大。但抗冲磨强度随着水灰比减小逐渐增大的规律是有一定区限的。当水灰比过小时，水泥浆过于黏稠，致使在相同坍落度条件下，混凝土内水泥浆量过多，骨料含量相对较少，混凝土抗压强度虽然有所增加，但抗冲磨强度反而可能下降。因此在抗冲耐磨混凝土配合比设计时，不能无限制地减小水灰比，否则不仅不能达到提高混凝土抗冲磨强度的目的，反而会产生浪费水泥、增大混凝土发热量及干缩率等一系列弊病。
3.2 硅粉混凝土的抗冲耐磨特性
硅粉的主要成分为无定形氧化硅，其颗粒为极细小的球形微粒，比表面积达20m2/g，具有很高的活性。试验研究表明：硅粉掺入混凝土中，可显著改善水泥石的孔隙结构，使大于320A的有害孔显著减少，可使水泥石中力学性能较弱的Ca（OH）2晶体减少、C－S－H凝胶体增多；同时也可改善水泥石与骨料的界面结构，增强了水泥石与骨料的界面黏结力，从而提高混凝土的各项力学性能。本次试验研究采用昆明铁合金厂生产的硅粉，其SiO2含量为88.9%，密度为2.28g/cm。硅粉掺入混凝土的方法为内掺法（取代同重量水泥），掺量分别为8%、10%和12%。与普通混凝土相比，掺8%硅粉时，抗压强度增加4%左右；掺10%硅粉时，抗压强度增加9%左右；掺12%硅粉时，抗压强度增加18%左右。
由硅粉混凝土抗冲耐磨特性试验结果可以看出（见表7），硅粉混凝土与普通混凝土相比,抗冲磨强度明显提高。掺8%硅粉时提高22%，掺10%硅粉时提高28%，掺12%硅粉时提高69%。加入硅粉能改善混凝土的抗冲耐磨性能是由于改善了浆体自身的抗磨性和硬度，以及水泥浆与骨料界面的黏结，从而使粗骨料在受到磨损作用时难以被冲蚀。由硅粉混凝土冲磨失重率与冲磨时间的关系曲线可见（见图1），普通混凝土各时段的冲磨失重率明显高于硅粉混凝土，在冲磨早期阶段（水泥石磨蚀阶段，见图2），硅粉混凝土的抗冲磨强度较普通混凝土提高了78.0%－94.5%，掺入硅粉对混凝土水泥石抗冲磨强度的改善可见一斑。
3在冲击荷载作用下，硅粉混凝土的能力比普通混凝土增加53.8%－200.0%，并随着硅粉掺量的增加而增大。在模拟高速水流下推移质对混凝土表面的冲磨情况下，硅粉混凝土的抗磨损强度较普通混凝土提高了78％～92％。由圆盘耐磨仪法试验结果来看，在同等条件下，硅粉混凝土的耐磨硬度比普通混凝土提高174％～246％。从硅粉混凝土的抗冲耐磨特性来看，掺入硅粉对混凝土整体抗冲击能力的提高幅度要大于对混凝土表面抗冲磨能力的提高幅度，说明掺入硅粉有利于混凝土整体增强。
3.3 聚丙烯纤维混凝土的抗冲耐磨特性 在混凝土中掺入一定量的聚丙烯纤维具有防止或减少混凝土裂缝、改善混凝土长期工作性能、提高变形能力和耐久性等优点，因而在工程上得到广泛的应用。本次试验研究采用四川华神建材有限公司研制开发的“好亦特”聚丙烯纤维，试验中聚丙烯纤维采用的三种掺量分别为0.6kg/m3、0.9kg/m3和1.2kg/m3。由聚丙烯纤维混凝土的基本性能可以看出（见表8），同不含纤维的普通混凝土相比，聚丙烯纤维混凝土的脆性指数有所降低，弹性模量降低，极限拉伸变形增大。聚丙烯纤维所具有的这些特征，有利于提高混凝土的延性，改善混凝土变形性能，这对约束混凝土裂缝的扩展以及提高混凝土裂后的承载能力都起很大的作用。混凝土的收缩试验结果表明，掺入一定量的聚丙烯纤维可以明显地减少混凝土的收缩变形，随着纤维掺量的增加，其收缩变形减少的幅度加大。
从混凝土在高速挟砂水流下所测试验结果来看（见表
9、图3），在混凝土中掺入一定量的聚丙烯纤维可以提高混凝土的抗冲磨强度（24％～45％），其抗冲磨强度随着聚丙烯纤维掺量的增加而增大。由聚丙烯纤维混凝土抗冲磨强度时段曲线可以看出（见图4），在冲磨的初期，由于聚丙烯纤维的掺入，水泥石的整体性能增强，抗冲磨强度提高了38．8％～69.4％。随着磨蚀的不断增加，混凝土中的骨料不断裸露，骨料开始承担着大部分的冲磨作用。由于两种混凝土的骨料相同，此时聚丙烯纤维混凝土和普通混凝土两者抗冲磨强度的差异逐渐减小，仅相差18.6%－31.4%。对聚丙烯纤维砂浆表面进行的耐磨硬度测定结果表明，在同等条件下，聚丙烯纤维可使砂浆表面耐磨硬度提高37%。在冲击荷载的作用下，掺入一定量的聚丙烯纤维可以明显提高混凝土的抗冲击韧性（提高26.9%－57.7%），并随着掺量的增加而增大。
