李家東，顧光偉，王海龍，凡濤濤，涂 博

（武漢三源特種建材有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430080）

高速含沙水流對水工混凝土建筑物的泄水口、溢流面等部位的沖蝕破壞，導(dǎo)致建筑物表面出現(xiàn)麻面、凹坑，嚴(yán)重的部位甚至出現(xiàn)大面積墻體剝落的現(xiàn)狀，這將縮短建筑物的使用壽命，影響工程安全[1]。一些大型高水頭電站的泄水流速高達(dá)40 m/s～50 m/s，這就使水工建筑物需要匹配更高的抗沖磨性能來抵御沖蝕破壞，而沖蝕破壞的根本原因是水泥石基體、骨料及其界面處存在各種缺陷和弱耐磨區(qū)域[2]。通過外摻抗沖磨外加劑，提高混凝土弱耐磨區(qū)域的力學(xué)強(qiáng)度及表層硬度，降低開裂風(fēng)險，將更加現(xiàn)實(shí)有效的提高水工混凝土的抗沖磨性能。

目前常用水工混凝土抗沖磨劑主要有以下三類：①減水劑類，粉劑減水劑功能單一、工作性難調(diào)整，還存在與其他減水劑配伍性差等問題[3]；②硅粉類，硅粉的摻量較高且早期放熱量大，極易導(dǎo)致混凝土開裂[4]；③鋼纖維類，存在施工不便、難分散且成本較高等弊端[5]。綜上，傳統(tǒng)抗沖磨劑在實(shí)際應(yīng)用中均存在一定缺點(diǎn)，加之國內(nèi)抗沖磨劑市場魚龍混雜，產(chǎn)品質(zhì)量層次不齊。自主研制的SY-CM高性能水工混凝土用抗沖磨劑，除了具備傳統(tǒng)抗沖磨劑的高效減水效果，還能產(chǎn)生微膨脹以補(bǔ)償混凝土收縮，同時相較于硅粉，早期水化放熱量降低明顯，本文針對硅粉、HF及SY-CM抗沖磨劑開展對比試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)原材料基本性能及配合比設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原材料基本性能

（1）試驗(yàn)研究采用華新水泥股份有限公司生產(chǎn)的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，其水泥化學(xué)成分和物理性能檢測結(jié)果，見表1水泥的性能指標(biāo)。

表1 硅酸鹽水泥的性能指標(biāo)

（2）采用長沙某電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰。

（3）采用甘肅巨才電力技術(shù)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的“HF”抗沖磨外加劑。

（4）采用成都錦和科技有限公司提供的硅粉，見表2硅粉性能指標(biāo)。

表2 硅粉的性能指標(biāo)

1.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

參照DLT 5207-2005《水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術(shù)規(guī)范》設(shè)計(jì)的混凝土配合比見表3，拌和物坍落度控制在80±10 mm，水膠比為 0.36。

表3 抗沖磨混凝土配合比設(shè)計(jì)

2 試驗(yàn)方法

（1）混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)和砂漿干縮率按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（DL/T 5150-2001）的規(guī)定進(jìn)行，其中力學(xué)試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×100 mm的試模成型，膠砂干縮試驗(yàn)采用兩端模板帶有中心孔的40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體成型。

（2）抗沖耐磨試驗(yàn)依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（DL/T5150-2001）水下鋼球法進(jìn)行試驗(yàn)，采用內(nèi)徑300mm±2mm，高100mm±1mm的金屬圓環(huán)試模成型，1200 r/min速度旋轉(zhuǎn)電機(jī)裝置。

（3）水化動力學(xué)分析試驗(yàn)采用美國New Castle DE公司生產(chǎn)的熱導(dǎo)式等溫量熱儀，當(dāng)水化熱放熱曲線趨于平穩(wěn)后，儲存數(shù)據(jù)并停止試驗(yàn)。

3 SY-CM抗沖磨劑對水工混凝土性能的試驗(yàn)研究

3.1 抗沖磨混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

硅粉顆粒具有較大的比表面積和火山灰效應(yīng)，可以改善混凝土內(nèi)部尺寸分布，因此常在水工抗沖磨混凝土中扮演著重要角色，但其單位需水量大，放熱量高，加劇了混凝土開裂風(fēng)險。根據(jù)某工程應(yīng)用實(shí)際情況，試驗(yàn)確定硅粉抗磨蝕劑摻量為8%，并與推薦摻量下（2.5%）的HF抗沖磨劑及同摻量下SY-CM抗沖磨劑的混凝土進(jìn)行力學(xué)性能對比試驗(yàn)。從表4可以看出，摻2.5%SY-CM抗沖磨劑的混凝土28 d抗壓強(qiáng)度較硅粉及HF抗沖磨混凝土分別提高6.3%、23.3%；劈裂抗拉強(qiáng)度能夠反映混凝土承受荷載情況下的抗開裂能力，可以看出，摻SY-CM抗沖磨劑混凝土的28d劈裂抗拉強(qiáng)度較硅粉及HF抗沖磨劑分別提高17.6%、8.6%。得出相同原材料及水膠比條件下，摻SYCM抗沖磨劑的水工混凝土具有更好的力學(xué)性能。

表4 不同抗沖磨劑對混凝土力學(xué)性能的影響

3.2 抗沖磨劑干燥收縮性能研究

干燥條件下，水泥會因毛細(xì)孔失水而產(chǎn)生干燥收縮，進(jìn)而產(chǎn)生開裂風(fēng)險。對硅粉、HF、SY-CM抗沖磨劑進(jìn)行了水泥膠砂干縮性能測試，并記錄了3 d、7 d、14 d、21 d和28 d齡期試件的長度。由圖1膠砂試件的干縮率曲線所示，硅粉會顯著增大膠砂試件的干燥收縮；10 d齡期前，基準(zhǔn)及摻HF、SY-CM抗沖磨劑的膠砂干燥收縮率相近，10 d齡期后，兩種抗沖磨劑均使得膠砂試件的干燥收縮趨于穩(wěn)定，且優(yōu)于基準(zhǔn)砂漿；在28d齡期時，摻硅粉、HF、SY-CM抗沖磨劑的膠砂28d相對干縮率分別為122%、93%、88%，SY-CM抗沖磨劑對水泥干縮有良好的抑制作用，且效果略優(yōu)于HF抗沖磨劑，原因是SY-CM抗沖磨劑中具有類似內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑成分，能夠在10 d齡期后緩慢釋放水分，抑制水泥干燥收縮，從而降低開裂風(fēng)險。

圖1 抗沖磨劑水泥膠砂試件的干縮率曲線

3.3 抗沖磨劑水化動力學(xué)分析

水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生熱量，而外加劑的摻入使得水泥中礦物的水化動力學(xué)特征發(fā)生了變化，進(jìn)而影響水泥水化放熱速率及放熱量，為降低產(chǎn)生溫度裂縫的風(fēng)險，在保證力學(xué)性能的前提下，宜降低水泥早期放熱速率及放熱量。摻抗沖磨劑的水泥凈漿水化動力學(xué)分析見圖2?？梢钥闯?，摻硅粉抗沖磨劑的水泥凈漿前期水化放熱速率快，累計(jì)水化放熱量大，致使水化熱溫峰出現(xiàn)的時間早，而摻HF和SY-CM抗沖磨劑的凈漿相對于硅粉，其水化放熱速率低且60 h累計(jì)放熱量小。

圖2 三種抗沖磨劑對水泥凈漿水化動力學(xué)的影響

3.4 抗沖磨劑對混凝土抗沖磨性能的影響

圖3 沖磨試驗(yàn)后混凝土表面形貌

抗沖磨實(shí)驗(yàn)方法參照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》，先將試塊20℃保水養(yǎng)護(hù)48 h，此后放入抗沖磨試驗(yàn)機(jī)，利用1200 r/min的攪拌葉帶動水流和規(guī)定級配的鋼球高速旋轉(zhuǎn)，期間水流對混凝土表面產(chǎn)生了沖蝕及氣蝕作用，而鋼球則通過切削、撞擊、摩擦作用對混凝土表面產(chǎn)生磨蝕作用，以上均會對混凝土表面的缺陷區(qū)域造成不同程度的破壞。圖3為水下鋼球法沖磨72 h后的混凝土表面形貌，可以看出摻SY-CM抗沖磨劑（下圖SY）的混凝土，在72 h沖磨試驗(yàn)后仍具有相對完整的表面，表面骨料露出更少且因沖磨作用而產(chǎn)生的撞擊凹陷更淺，試驗(yàn)結(jié)果表明SY-CM抗沖磨劑可以有效地提高混凝土的抗沖磨強(qiáng)度。

圖4為混凝土72 h抗沖磨試驗(yàn)測試結(jié)果，可以看出，SYCM抗沖磨劑與硅粉抗磨蝕劑對混凝土抗沖磨強(qiáng)度增益效果相當(dāng)，抗沖磨強(qiáng)度分別為9.43 h/(kg/m2)、9.71 h/(kg/m2)，且相對于空白抗沖磨強(qiáng)度提高了124%，較HF抗沖磨劑提高了59%。原因是SY-CM抗沖磨劑除了具有減水及改善拌和物工作性的常規(guī)效果，還能激發(fā)粉煤灰水化活性，增加水泥與骨料界面的粘接強(qiáng)度；其還具有早期吸水、后期釋放的功能，起到內(nèi)養(yǎng)護(hù)的作用，大幅降低混凝土表面微細(xì)裂縫產(chǎn)生的風(fēng)險，減小了表面產(chǎn)生的弱耐磨區(qū)域；改善孔隙結(jié)構(gòu)，使混凝土得力學(xué)性能更為優(yōu)異，綜合提高混凝土的抗沖磨性能。

圖4 混凝土抗沖磨強(qiáng)度測試結(jié)果

4 結(jié)論

（1）SY-CM抗沖磨劑能夠顯著提高混凝土的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度，有效降低荷載條件下混凝土的開裂風(fēng)險；

（2）相對于硅粉抗磨蝕劑和HF抗沖磨劑，SY-CM抗沖磨劑在抑制混凝土干燥收縮及降低早期水化放熱速率上存在優(yōu)勢，可以降低混凝土的早期開裂風(fēng)險；

（3）混凝土抗沖磨強(qiáng)度的核心在于良好的力學(xué)強(qiáng)度及抗開裂性能，SY-CM抗沖磨劑從以上兩方面綜合提高混凝土的抗沖磨強(qiáng)度，因此相對于硅粉抗磨蝕劑和HF抗沖磨劑，其具備了更好的抗沖磨增益效果，值得在水工混凝土領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用。