水工泄水建筑物的空蚀破坏及高性能抗磨蚀混凝土材料

摘 要：结合水工建筑物的空蚀破坏情况及特征，对抗磨蚀混凝土材料在国内外的应用进行了分析比较，展示了抗磨蚀混凝土材料在水工建筑物，特别是泄水建筑物中应用的广阔前景。

关键词：水工泄水建筑物；空蚀破坏；抗磨蚀；混凝土材料

1 水工泄水建筑物的空蚀破坏

    自1935 年巴拿马麦登坝泄水道进口发现严重空蚀破坏以来，泄水建筑物的破坏时有发生。国内外大量的工程实例说明，在高中水头泄水建筑物中的某些部位，当设计不周或施工不慎时，常常会发生材料剥蚀的现象，即在混凝土或金属表面，轻者造成斑点麻面，重者形成蜂窝状甚至大洞，人们把这种现象称做空蚀。空蚀的发生直接影响到建筑物的寿命，甚至造成整个建筑物的失事。所以空蚀已成为泄水建筑物设计中的一个重要问题。

    造成泄水建筑物空蚀破坏的原因是多方面的，目前形成共识的是： ①泄水建筑物形状设计不良； ②施工不平整度过大； ③管理运用不当； ④上述几种原因综合作用产生了空化水流，造成了空蚀破坏。

    有研究显示，空蚀是水中空泡溃灭时的冲击力和材料抗空蚀能力的综合结果。空蚀程度是由水流的空蚀能力和材料的抗空蚀强度所决定的，所以材料的力学特性和能量特性都与抗空蚀强度有关。

    泄水建筑物混凝土的受力破坏是由于混凝土在硬化过程中，产生了许多微裂缝等缺陷，当外力作用于混凝土时即在上述缺陷部位产生较大的集中应力而形成裂缝，随着裂缝的发展、连通，形成较大的破坏面乃至整体破坏。由于泄水建筑物上高速水流的紊动与分离现象，特别在不平顺的边界上，水流紊动剧烈，水流分离明显，因而极易发生空蚀现象， 使混凝土发生破坏。

2 混凝土的破坏机理

    混凝土的破坏是挟砂水流在其表面上造成的泥沙磨损与空蚀联合作用的结果，有关文献指出，浑水中由于有大量的固体微粒存在，这些固体微粒具有不平整的表面，初始空化易于提前发生。在空泡溃灭时位于空泡附近的固体颗粒又易受到溃灭时的冲击力影响而获得加速度，加大了对边壁材料的破坏力，当空蚀破坏与泥沙磨损联合作用时，破坏力更为加剧。根据三门峡水库磨损空蚀实验装置的实验成果， 若以清水空蚀量为基数，当含沙量为40 kg/ m3 时，磨损量是清水空蚀的3. 4 倍，当磨损与空蚀联合作用时，为清水空蚀的1610 倍。美国密执安大学的实验室内，进行的震动型空蚀实验，其结果表明，浑水空蚀率比清水增加约50 %。说明在浑水情况下，混凝土表面粗糙度对空蚀较冲磨更为明感， 因此，实际混凝土工程，特别是泄水建筑物要优化过流面体形，应保证其平整度的要求，不容许存在凹凸不平、升坎、降坎、钢筋头或预埋件露头等弊端，以达到减免空蚀对建筑物的破坏的目的。目前，关于混凝土磨蚀机理的普遍看法是：

(1) 含沙水流改变了清水的物化及流动特性，使水的空化压力发生变化，空蚀提前发生；

(2) 砂粒被水流挟带，由于质量不同，在惯性力作用下， 可能滞后或超前于水流速度，转弯时还会偏离流线，水中游离的砂粒会产生旋涡气泡，并在某一临界压力下溃灭，使材料遭受破坏；

(3) 空泡溃灭，产生混凝土损伤，加速泥沙磨损；

(4) 混凝土在本来不产生空蚀的部位以砂粒磨损为先导，砂粒的冲击、磨擦和切削，使混凝土表面出现凹凸不平， 形成空蚀源，局部水流的剧烈紊动，又促使砂粒的动能大为提高，从而加速了混凝土的磨蚀。

3 高性能抗磨蚀混凝土材料的选择

    我国河流含泥沙严重，近年来，在空蚀及泥沙磨损对泄水建筑物的破坏方面进行了很多研究，有了一系列行之有效的工程措施，而且在抗蚀材料的研究上也有了较大的进展。

3.1 影响混凝土抗磨蚀性能的因素

     根据对混凝土磨蚀破坏机理和抗磨蚀影响性能的研究分析可知，在相同的和易性条件下，抗磨蚀混凝土的强度将取决于以下几个条件：

(1) 组成水泥石的材料(含水泥、掺合料、减水剂等) 品种及性质；

(2) 集料的性质和级配；

(3) 拌和用水量与水泥或胶凝材料的比率；

(4) 水泥石在混凝土中的相对含量。

　　研究资料表明:当混凝土的强度高于C25 ，水灰比不大于0.40～0.45 ，坍落度不大于7～8cm 时，混凝土就有一定的抗空蚀能力，而且流速愈大，所需混凝土的强度愈高。

3.2 为了提高混凝土的抗磨蚀强度所采取的工程措施

(1) 使用高效能减水剂是提高混凝土抗磨蚀强度的一项有效措施。实验资料表明，掺用高效减水剂同时保持混凝土流动度不变，无论是保持水泥用量不变或者是保持水灰比不变都会使混凝土的抗磨蚀强度有显著增加。因此有抗磨蚀要求的工程中必须使用减水效果优良的高效能减水剂。

(2) 在混凝土中加入掺合料提高混凝土的抗磨蚀性能。目前在混凝土中加入最普遍的是硅粉。起初硅粉只是作为廉价的水泥添加剂，后来高性能减水剂的开发，在硅粉的超微粒子与高性能减水剂的共同作用下，产生微缩效果，呈现高密度充填性和活性火山灰反应等，而改善混凝土的性能受到重视。由于硅粉粒子比水泥要细，在水泥混凝土中具有填充水泥颗粒之间的空隙生成水化物核，同时也起着正如液体那样的作用，提高水泥混凝土的流动性并使之更为密实，从而可制造出高强度、高流动性和高耐久的混凝土。目前已开发出强度达到25000 N/ cm² 的高强度混凝土。

(3) 利用聚合物砂浆及聚合物混凝土胶结材料。在早期，虽然从室内实验效果来看，其本身的抗冲磨、抗气蚀性能都有提高。可是，这种材料施工较复杂，施工速度慢，材料费用高，不适宜大面积推广。但近年来，聚合物的抗蚀材料又有了迅速发展。1989 年帕尔麦( Palmer) 国际有限公司推出的空蚀的克星DP 剂，DP 剂代表这方面的发展。我国南科院进行的离子束在抗蚀材料改性中作用的研究已取得了进展， 业已证明对耐磨、耐蚀、耐疲劳以及硬度方面都有明显的改善。

4 　结语

    水工泄水建筑物中的空蚀破坏及泥沙磨损机理虽然是非常复杂的，但是通过合理的工程措施，以及改善混凝土材料的抗磨蚀性能，空蚀破坏是可以减免的。