国内抗冲耐磨混凝土研究现状分析

混凝土是现代水工建筑物应用最广的建筑材料。由于常用的水工建筑物存在脆性大、易开裂和抗冲耐磨性能差的问题，因此，世界各国对混凝土的高性能化开展了广泛的研究，提高水工混凝土的高性能已成为混凝土发展的总趋势。水工混凝土的高性能化，就是要求混凝土除满足结构要求的强度外，还应具备较高的抗渗性，抗冻性和抗裂性等。

我国于20世纪60年代后期开始在实际工程中试验及应用特种混凝土作为抗冲磨、抗空蚀修补材料或护面材料。例如，石棉水电站冲砂闸闸室底板、护坦等受到推移质（一般粒径20～30cm，最大超过1m）的冲击和磨损，造成严重破坏。1968年曾用环氧混凝土、吠喃混凝土修补（厚15cm），经1969年一个汛期，吠喃混凝土磨损严重，环氧混凝土磨损严重，又经1970年、1973年两次洪水，吠喃混凝土、环氧混凝土均相继被冲走。1977年曾试验使用钢纤维混凝土、高强混凝土修补，经4个汛期，发现磨损严重，磨损深度约12cm，钢筋网被磨掉。1979年曾用高强混凝土修补，经两个汛期，发现磨损严重。在渔子溪水电站拦河闸护坦曾使用吠喃混凝土（厚20cm），经2个汛期就被冲磨穿透，石泉水电站泄流中孔消力库1979年汛后发现库底有两个大冲坑（面积各约20m2，深达30～40cm），采用环氧混凝土填坑后表面抹环氧砂浆，效果较好。1979年葛洲坝水利枢纽工程采用聚合物浸渍技术，强化二江水电站泄水闸等过流建筑物的重要部位混凝土表面，并对坝面的微细裂缝进行聚合物浸渍修补，经1981年一年运行，由于大量流沙、推移质卵石过闸，对泄水闸过流面，尤其是底面混凝土产生一定的磨损，1982年在二江水电站泄水闸首次修复中使用了高效能减水剂一级配混凝土填补闸室底板冲磨深度大于3cm的部位，并布设插筋和钢筋网，还使用了钢纤维高强混凝土修补。三门峡水电站泄流排砂底孔由于大量泥沙排泄，混凝土表面出现了严重的磨蚀破坏，1973年在3号底孔使用高强水泥砂浆、铸石、环氧砂浆等多种抗磨材料进行试验，以后各底孔除2号孔因闸门漏水严重，无法施工而未采取抗磨措施外，均铺砌了铸石抗磨层，1980年汛后检查发现各底孔底板又遭到严重冲蚀破坏，1983年在4号孔进行了高强混凝土、钢纤维混凝土和高强砂浆的多种材料试验。刘家峡水电站泄水道混凝土（R28350-450）在高速挟砂水流作用下受到严重的磨损与空蚀破坏，自1974年至今共进行了10次维修，除使用环氧砂浆、干硬性水泥砂浆修补外，1983年在试验采用丙烯酸、环氧树脂砂浆、不饱和聚酯砂浆低毒环氧砂浆进行修补的同时，在底板一个深20cm、出现露筋的气蚀坑采用丙烯酸环氧树脂混凝土填坑后，又再在面层涂抹丙烯酸环氧树脂砂浆，效果良好。

抗冲耐磨混凝土在我国从开始试用到现在已有40多年，积累了不少资料和经验，但还存在不少问题有待研究解决。例如，原来使用的吠喃混凝土、环氧混凝土等高分子材料造价较高，施工不便，尚未大面积使用，与基底混凝土温度适应性不好，容易开裂脱落且有毒性、污染环境、施工不便等，一般只作为填坑、修补材料试用，而用作大面积护面材料尚缺乏研究与实践。另外，其使用效果在不同工程中也不尽相同，与施工工艺、施工条件等有很大关系。目前应用较多的抗冲耐磨材料主要有：硅粉、钢纤维、聚丙烯纤维、铁矿石（砂）、粉煤灰、HF混凝土、环氧树脂等，国内外对高抗冲耐磨防护材料和喷涂技术也进行了研究，各种抗冲耐磨材料见图4.1。

图4.1　各种抗冲耐磨材料

（1）硅粉。我国于1985年开始研究高强硅粉混凝土，并先后在龙羊峡、大伙房、葛洲坝、映秀湾、水口、五强溪、东风、二滩等水利水电工程使用，效果良好，20世纪90年代建设的小浪底水电站也成功地设计和应用了掺硅粉的抗冲磨混凝土。

硅粉的掺入，可大幅度提高混凝土的抗压强度，并且随着硅粉掺量的增加，混凝土抗压强度也随之提高。根据专家的试验研究，单掺减水剂为0.5%的混凝土抗压强度较普通混凝土提高82%。而当减水剂与硅粉共掺时，抗压强度提高非常显著。与普通混凝土相比，水胶比为0.27和0.22的高性能混凝土抗压强度分别提高了2.82倍、3.45倍。同时，试验结果表明，硅粉的掺入，对混凝土的抗冲刷磨损性能的增强效果十分明显。

但硅粉混凝土的裂缝问题一直是困扰工程界的难题。硅粉混凝土在浇筑完成后一段时间内，常常出现大面积的裂缝。裂缝宽窄不一、深浅不一、长短不一，产生的时间不一，成因复杂，为确保建筑物的功能和延长使用寿命，不得不投入大量的财力、人力和物力进行二次处理。同时，硅粉作为一种极细的活性掺和料，其需水量比极大。加入硅粉后，混凝土的单位用水量明显提高，掺量越大，用水量提高得越多。用水量越多，胶材总量也会相应增加，这在一定程度上加剧了混凝土开裂的趋势。

（2）钢纤维。钢纤维作为一种特殊的材料，除自身具有良好的耐磨性能外，由于其在混凝土中呈立体网状分布，对“纤维网”内混凝土具有良好的约束作用，能够有效地抑制混凝土胶结体在受到高速水流及悬移质、推移质的冲刷，撞击时出现“表层崩解”，提高混凝土的抗冲耐磨性能。因此，被广泛地应用于水电工程受高速水流冲刷的部位。(www.xing528.com)

但钢纤维可以视为一种针状粗骨料，它的掺入，同样会显著提高混凝土拌和物的单位用水量、加剧混凝土开裂的趋势。同时，钢纤维作为一种特殊的混凝土材料，价格昂贵，钢纤维的成本占钢纤维混凝土材料总成本的50%以上。

（3）聚丙烯纤维。聚丙烯材料的聚丙烯纤维在近年来得到广泛的关注和研究。聚丙烯纤维能有效地抑制混凝土塑性收缩开裂，纤维在混凝土中相互搭接、牵连，阻碍了混凝土内部裂缝的扩展、连通贯穿，牵制了水泥块从基体中剥落。同时，纤维的掺入也改善了水泥石的性质，使水泥石更加坚固密实，使水泥石和骨料之间的界面黏结力增强，从而显著提高混凝土的抗冲磨能力。由于掺加工艺简单、价格低廉、性能优异等特点，作为一种新型的混凝土增强纤维，聚丙烯网状纤维正成为继玻璃纤维、钢纤维后纤维混凝土科学研究和应用领域的新热点。

（4）铁矿石（砂）。铁矿石（砂）在混凝土中主要是代替普通的砂石骨料，它的耐磨性能比天然河砂和人工砂都要好，它是通过提高混凝土“骨架”的抗冲磨强度从而提高混凝土的抗冲磨强度的。铁矿石（砂）抗冲磨高强混凝土已应用在万家寨水利枢纽的泄水建筑物、汾河二库枢纽泄水建筑物、三屯河水库泄洪排砂洞等工程中，效果良好。

铁钢砂混凝土在使用时必须注意严格控制骨料的最大粒径，否则容易出现空蚀破坏，同时由于铁钢砂表面粗糙、棱角多，比表面积大，只有采用高效减水剂才能提高水泥石的密实性，改善水泥石的孔结构，从而提高混凝土的抗冲磨性能。

（5）粉煤灰。国内关于粉煤灰对混凝土抗冲磨性能的影响，做了大量的实验，粉煤灰的影响主要有以下几个方面：随着粉煤灰掺量的增加，混凝土抗冲磨强度先升后降。在水灰比相同的情况下，当掺入10%粉煤灰后，混凝土的抗冲磨强度可以提高近40%；掺入20%粉煤灰后，抗冲磨性能略高于普通混凝土。原因是粉煤灰可以降低混凝土的绝热温升，改善胶凝材料和集料的界面结构，从而提高混凝土的抗冲磨性能。但当粉煤灰掺量超过20%时，抗冲磨强度大幅降低，并且低于普通混凝土抗冲磨强度。观察掺入40%粉煤灰的混凝土试件发现，其水泥石与骨料的黏结较差，因此更易被磨蚀。

（6）高强耐磨粉煤灰混凝土，简称HF混凝土。是水利水电工程中应用于抵抗水流冲刷、泥沙磨损、高速水流空蚀破坏的高性能水工抗冲耐磨护面材料。与硅粉混凝土比较具有抗磨抗空蚀性能相当，和易性好，抗裂性好以及造价低廉等许多优点。自1993年以来已在刘家峡、大峡、洪家渡等许多水利水电工程中经十几年的运行考验，效果良好。

HF外加剂是HF混凝土专用的外加剂，HF外加剂除具有减水和改善混凝土和易性的作用之外，还可激发优质粉煤灰的活性，使粉煤灰可以起到与硅粉同样的作用，即显著提高混凝土的整体强度并使混凝土的胶凝产物致密、坚硬、耐磨，改善胶材与骨料间的界面性能，使混凝土形成一种较均匀的整体，提高了混凝土的抗裂性和混凝土的整体强度，提高混凝土抵抗高速水流空蚀和脉动压力的能力，达到提高混凝土抗冲耐磨性能，并且克服了硅粉混凝土施工和易性差、易裂、难以抹面、造价高等缺点。目前，这项技术已得到工程界的普遍认可接受。

（7）“海岛结构”环氧树脂合金抗冲磨防护材料。我国从60年代开始应用环氧砂浆进行水电工程高速泄流部位的抗冲磨防护和薄层冲磨破坏的修补，之后就一直没有停止过对改善环氧砂浆性能的开发研究，研究内容主要集中在以下几方面：①研制新型环氧固化剂，降低毒性，并能在低温，潮湿有水，甚至水下固化，由此诞生了低温环氧固化剂、潮湿环氧固化剂、水下固化环氧砂浆等；②通过掺加活性、非活性低分子增塑剂或采用互穿网络技术降低环氧树脂的脆性，提高韧性和抗裂性，开发出了低脆性环氧砂浆、弹性环氧砂浆、互穿网络改性环氧砂浆等；③在环氧树脂分子结构中接入亲水性官能团，提高环氧树脂的亲水性；④研制低黏度环氧树脂，改善环氧砂浆的易施工性；⑤研制潮湿界面黏结剂，提高环氧砂浆与潮湿有水混凝土面的黏结强度。这些方面的研究均取得了丰富成果，明显改善了环氧砂浆的性能，提高了环氧砂浆的适用性，扩大了使用范围。但从近几年环氧砂浆作为抗冲耐磨防护材料在水电工程中的应用状况来看，其性能特别是在提高断裂韧性和抗裂性、方便快速施工、适应有水潮湿混凝土表面并具有高黏结强度等方面，还有待于进一步的改善和提高。用“海岛结构”配置环氧砂浆有望大幅提升环氧砂浆抗冲磨防护材料的性能。

（8）高抗冲耐磨防护材料和喷涂技术。2001年调研了聚脲弹性体喷涂技术的研究开发和工程应用状况，认为聚脲弹性体喷涂技术比较适合应用于水电工程泄水建筑物过流面抗冲磨气蚀的防护处理。2002年从美国引进了整套聚脲弹性体（PUA）喷涂机具和技术，结合水工建筑物的特点展开了聚脲弹性体抗冲耐磨防护材料和喷涂技术的研究开发，研究内容主要包括聚脲材料配方的调整和性能测试，喷涂施工工艺试验，提高聚脲弹性体涂层与混凝土面黏结强度的技术措施，潮湿界面黏结剂的研制和性能试验，现场应用施工试验等。采用已选定的聚脲配方和喷涂工艺参数，聚脲弹性体涂层与干燥混凝土面的平均黏结强度为2.97MPa，而与吸水饱和潮湿混凝土面的黏结强度则普遍低于1MPa。为提高聚脲弹性体涂层与潮湿混凝土面的黏结强度，组织开发了专用潮湿界面处理剂。使用界面处理剂对潮湿混凝土面进行底涂处理后喷涂聚脲弹性体涂层，涂层与混凝土的黏结强度可提高到3～5MPa，且界面黏结强度测试的拉拔破坏面均发生在混凝土体内，说明经涂底处理后，聚脲弹性体涂层和潮湿混凝土面的黏结十分牢固，完全能满足有关技术要求指标。聚脲高抗冲耐磨防护材料和喷涂技术研究现在已进入现场施工应用阶段。