冲磨速率和角度对海工混凝土抗冲磨性能的影响.pdf

第 1 6卷第 5 期 2 0 1 3年 1 O月 建筑材料学报 j oURNAL OF BUI L DI NG MATERI AI S Vo 1 1 6 ， NO 5 Oc t ， 2 O 1 3 文章 编 号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 3 ) 0 5 0 7 8 2 0 5 冲磨速率和角度对海 工混凝土抗 冲磨性能的影 响 蔡新华 ， 何 真 ， 查 进 ， 桂 炎德。 ， 路新瀛 ( 1 武汉 大学 水 资源 与水 电工程科 学 国家重 点实 验室 ， 湖北 武 汉 4 3 0 0 7 2 ； 2 中交 武汉 港湾 工程设 计研 究 院有 限公 司 ， 湖北 武 汉 4 3 0 0 4 0 ； 3 浙江 省交 通规划 设计研 究 院 ，浙江 杭 州 3 1 0 0 0 6 ； 4 清华 大学 土木 工程 系 ，北京 1 0 0 0 8 4 ) 摘 要 ： 针 对海 水挟砂 浪 涌的服役 环境 ， 试验 研 究 了冲磨 速 率及 冲磨 角度 对桥 梁墩 柱 海Z - 混凝 土 抗 冲磨性 能 的影响 ， 并 对不 同胶 凝材 料体 系混 凝土抗 冲磨 强度进 行 了比较 结果表 明 ： 冲磨 速 率和 冲 磨角度对海工混凝土抗冲磨性能有较大影响 在胶凝材料 体 系不变的前提 下， 海工混凝土稳定磨 损 率随 冲磨速 率增 大逐渐 增 大 ， 抗 冲磨 强度 随 冲磨 速 率 增 大逐 渐 降低 ； 海工 混凝 土 稳 定磨 损 率 随 冲磨 角度 增加逐 渐增 大 ， 当冲磨 角度 小 于 6 0 。 时， 稳 定磨 损 率增加 速 率较 大 ， 超过 6 0 。 后 增加 速 率趋 缓 ， 当冲磨 角度 为 9 0 。 时 ， 稳 定磨损 率 最 大 在 相 同强度 等 级条 件 下 ， 硅 粉 对 混凝 土抗 冲磨 强度 的贡 献 最 大， 而矿粉 与粉 煤灰 复掺也 显著提 高 了混凝 土 的抗 冲磨 强度 关键 词 ： 挟砂 水 流 ；抗冲磨 性 能 ；混凝 土 ；耐久性 中图分 类号 ： TU5 2 8 0 文 献标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 3 0 5 0 0 8 I nf l u e n c e s o f I m p i n g i ng Ve l o c i t i e s a nd I m p i ng i n g An g l e s o n Ab r a s i o n Er o s i o n Re s i s t a n c e o f M a r i n e Co n c r e t e C AI Xi n h u a ，HE Zh e n ， ZHA Ji n 。 ， GUI Y a n d e 。 ， L己 ， Xi n y i n g ( 1 St a t e Ke y La bo r a t or y of W a t e r Re s o ur c e s a nd Hy d r o po we r En g i n e e r i n g Sc i e n c e，W uh an Uni v e r s i t y，W uha n 4 30 07 2，Chi n a； 2 W uh a n Ha r b or En gi ne e r i ng De s i g n a n d Re s e a r c h Co ，I t d，Chi na Communi c a t i o ns Co ns t r uc t i on Co ，Lt d， Wu h a n 4 3 0 0 4 0，Ch i n a ：3 Z h e j i a n g P r o v i n c i a l I n s t i t u t e o f Co mmu n i c a t i o n s Pl a n n i n g，De s i g n& Re s e a r c h， Ha n g z h o u 3 1 0 0 0 6，Ch i n a ；4 De p a r t me n t o f Ci v i l En g i n e e r i n g，Ts i n g h u a Un i v e r s i t y ，Be ij i n g 1 0 0 0 8 4，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Th e i nf l ue nc e s o f i mpi ng i ng ve l o c i t y a nd i mpi n gi ng a ng l e o n a br a s i o n e r o s i o n r e s i s t a n c e o f ma r i ne c on c r e t e c a u s e d by t he s ur g e d wa v e c a r r i ng s a n d we r e i n ve s t i ga t e d The a br a s i o n e r o s i o n s t r e ng t hs o f c on c r e t e s i n c o r po r a t i ng di f f e r e nt m i ne r a l a dmi x t ur e s we r e c o mpa r e dThe r e s ul t s r e v e a l t ha t t he i mpi n gi n g v e l oc i t y a nd i m p i ng i ng a n gl e h a v e s i gn i f i c a n t e f f e c t s o n t he a b r a s i o n e r o s i o n r e s i s t a nc e o f ma r i ne c o nc r e t e U n de r t he c o nd i t i on o f t he s a me c e me n t i n g ma t e r i a l s s y s t e m ，t he s t a b l e a b r a s i on r a t e of m a r i ne c on c r e t e i nc r e a s e s a nd t h e a br a s i o n e r o s i on s t r e n gt h of ma r i ne c o nc r e t e d e c r e a s e s wi t h i n c r e a s i n g i mpi n gi ng v e l o c i t yW i t h t he i m p i ng i ng a ng l e i nc r e a s i n g，t he s t a bl e a b r a s i o n r a t e o f m a r i n e c on c r e t e i nc r e a s e s The i n c r e a s i n g r a t e o f s t a bl e a br a s i on r a t e i s c o m p a r a t i ve l y h i gh whe n t he i mpi n gi ng a ng l e i s s ma l l e r t h a n 6 0 。 ， whe r e r a s i t be c o me s s ma l l whe n i mpi n gi ng a ng l e i s gr e a t e r t ha n 6 0。 The s t a bl e a br a s i o n r a t e of m a r i n e c onc r e t e r e a c h e s t he m a x i mum v a l u e whe n t he i m p i n gi n g a n gl e i s 9 0。 On t he ba s i s o f t he s a m e c ompr e s s i v e s t r e n g t h l e v e l ，t h e s i l i c a f u me ma k e s t h e g r e a t e s t c o n t r i b u t i o n t o a b r a s i o n e r o s i o n s t r e n g t h o f t h e c o n 一 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 4 一 I 8 ；修订 日期 ： 2 0 1 2 0 6 1 8 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 1 0 9 1 7 0， 5 1 3 7 9 1 6 3 ) ； 交通运输部科技项 目( 2 0 1 0 3 5 3 3 3 3 1 3 0 ) ； 国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 计 划 ) 项 目 ( 2 0 1 3 C B 0 3 5 9 0 1 ) 第一作者 ： 蔡新华( 1 9 8 O 一 ) ， 男， 浙江安吉人 ， 武汉大学讲 师， 博士 E ma i l ： c a i x i n h u a wh u e d u c n 通信作者 ： 何真( 1 9 6 2 一) ， 女， 湖北武汉人 ， 武汉大学教授， 博士 E ma i l ： h e z h e n w h u e d u c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 期 蔡新华 ， 等 ： 冲磨 速率和角度对海工混凝土抗 冲磨性 能的影响 7 8 3 c r e t e，a nd t h e c o mbi ne d a d di t i o n o f s l a g a nd f l y a s h i mpr o ve s t h e a br a s i o n e r os i o n s t r e n gt h o f t h e c o n c r e t e r e ma r k a b l y Ke y wo r d s：s u r ge d wa ve c a r r i ng s a nd；a b r a s i o n e r os i o n r e s i s t a nc e；c on c r e t e；du r a b i l i t y 嘉兴 至绍兴跨 江通道嘉绍跨 江大桥 全长 1 0 1 3 7 k m， 大 桥位 于 钱 塘 江潮 位 变 化 区 ， 潮 差 最 高 可 达 9 m， 潮 速 可达 9 0 1 0 0 m s 由 于建 设 条 件 的特殊 性 ， 嘉 绍跨 江 大桥 7 0 m跨 径水 中区 引桥采 用 没 有承 台构 造 、 墩柱 和大 直径 桩基 础 直接 连接 的 “ 单 桩 独柱 ” 下 部结 构l 1 这种 特殊 的结 构形 式 和大 桥 所 处 的特 殊地 理环 境 ， 使 得 混凝 土 桥 墩 水 中及 水 面 部 分 极易 遭受 挟砂 浪 涌 的 冲刷 作 用 根 据 水 工 混 凝 土 抗冲磨混凝土的研究经验可知 ， 旷 日持久 的冲刷作 用 ， 即使流速较低 ， 也会 对表层混凝 土结构造成磨 损 ， 使得 混 凝 土表 层 骨料 露 出 ， 混 凝 土保 护 层 减 薄 嘉 绍大 桥位 于海 洋环 境 中 ， 混 凝土 保护 层 减 薄 以及表层骨料露 出都会加速氯离子的侵蚀速率 ， 造 成? 昆 凝土中钢筋发生锈蚀 ， 严重时将影响桥梁的安 全运 行 因此 ， 对 该工 程浪 溅 区墩柱 混凝 土抗 冲磨 特 性 的研究 尤 为关 键 ， 其 对 墩 柱 混 凝 土 结 构 耐 久性 寿 命 预 测具 有重 要 意义 以往 混凝 土抗 冲磨 特 性 的研 究 主要 集 中在 水利 水 电工程 领域 ， 如 溢 流 面 、 泄 洪 洞 ( 道 ) 、 消力 池 等易 遭受含砂石水流冲刷 ( 击) 的水 工建筑物 一般采用 “ 水下钢球法” 等试验方法对不同类型混凝土的抗冲 磨性能进行平行 的对 比研究 ， 着重 比较不 同类 型混 凝 土 的抗 冲磨 能力 大小 3 另 外还 有采 用 水 下 喷射 流 的手段 对混 凝 土 试 件 实施 冲 蚀作 用 ， 并 改 变 冲蚀 时间 、 人射 角度、 喷射距离 和水 射流压力 等试验参 数 ， 以对 混凝 土抗 冲磨 机理 进行 研究 然而在海工混凝 土结构耐久性研究 中， 很少有 涉及挟砂浪涌等对混凝土表面产生冲刷作用的研究 报 道 ， 因此 ， 本研 究 采用新 型抗 冲磨 试 验 系统 对嘉 绍 大桥墩柱海工混凝土进行抗 冲磨试验 ， 探讨挟砂水 流 冲磨 速 率 、 冲磨 角 度 ( 冲磨 方 向与 受 冲 面 之 间夹 角 ) 对 海工 混凝 土抗 冲磨 性 能 的影 响 ， 并分 析 不 同胶 凝材料体系下 昆凝土的抗 冲磨特性 ， 为嘉绍大桥海 工 混凝 土抗 冲磨 耐 久性 预测 及评 估 提供试 验 支撑 1 试 验 1 1原材 料及 配 合 比 试 验 原 材 料 采 用 的是 嘉 绍 大 桥 工 程 海 工 混 凝 土 所 用 的原 材 料 ， 即 ： 水 泥 为 安 徽 宁 国 海 螺 水 泥 厂 1 ) 文中涉及的掺量 、 含量等均为质量分数 P4 2 5水 泥 ( 其 中石灰 石 掺 量 ” 为 3 2 ， 三 氧 化 硫 含 量 为 2 3 5 ， 氧 化 镁 含 量 为 1 2 5 ， 烧 失 量 为 2 4 4 ) ； 粉 煤 灰 为 镇 江 谏 壁 电厂 工级 粉 煤 灰 ； 矿粉 为 海 盐 万 兴 $ 9 5级 矿 粉 ； 硅 粉 为 北 京 奥 斯 迈 特 微 硅 粉 ； 粗 骨 料 为 德 清 下 柏 石 场 碎 石 ， 由 5 1 0 mm 及 1 0 2 5 mm 两 级 配 碎 石 按 质 量 比 2：8 掺 配 而成 ； 细 骨料 为 江 西 赣 江 河 砂 ( 中砂 ) ， 细度 模 数 2 7 根 据嘉 绍大 桥 实 际工 程 状 况 ， 试 验 中针 对 不 同 掺合料类型和掺量设计了 7组 混凝土配合 比， 见表 1 ， 其中： J S 一 0为嘉 绍大桥 工程 提供 的海 工混凝 土 ( 基 准 混 凝 土 ) ； J S l为 胶 凝 材 料 全 为 水 泥 的混 凝 土 ； j s 一 3为掺 4 0 粉煤灰的混凝土； j s 一 5为掺 4 0 矿粉的混凝土； J S - 8为掺 1 O 9 6 粉煤灰 +3 O 9 6 矿粉的 混凝 土 ； J S - 9 为 掺 1 5 粉 煤 灰 +5 硅 粉 的 混凝 土 ( 胶凝 材 料 总 量 少 2 0 k g m a ) ； J S - 1 3为 掺 2 O 粉 煤 灰 +2 O 矿粉 的混凝 土( 胶凝 材料总量 多 4 0 k g m。 ) 以上掺量均以各组分 占混凝土质量分数计 表 1 混凝 土配合 比 T a b l e 1 Mi x p r o p o r t i o n s o f c o n c r e t e s k g m。 c。 d e Ce m e n t FI s1 a g i l i e s a n d G e l W a t e r W a ， t er - J s _ 0 26 4 J S - 1 4 4 0 J s _ 3 26 4 J 5 26 4 J S 一 8 2 6 4 J s - 9 3 3 6 J S - 1 3 2 8 8 1 2 试验 方 案与试 验过 程 昆 凝土抗冲磨试验在新型抗冲磨试验系统中进 行 ， 该 试验 系统 为 DL T 5 1 5 0 - 2 0 0 1 ( ( 水工 混凝 土试 验 规程 中“ 风砂 枪 ” 的改进 设 备 ， 如 图 1所 示 在 新 型抗冲磨试验系统中， 冲磨速 率可通过压力阀精确 控 制 ； 冲磨 角度 可 通 过 调 整试 件 受 冲面 位 置 而加 以 控 制 ； 试件架 采 用 自动行 走装 置 ， 可 通过计 时 器任 意 调 节单 次 冲磨 时间 试 验试件 为边 长 1 5 0 mm 的标准 立方 体试 件 ， 养 护 至规定龄期 后进行饱水 处理 抗 冲磨试 验前 取 出试 件 ， 抹 干 表 面 ， 称 重 m ( g ， 所 有 称 重 准 确 至 0 1 g ) ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 8 4 建筑材料学报 第 l 6 卷 r e g u v a l v e 图 1 新 型抗 冲磨试验系统示意 图 Fi g 1 Sc he ma t i c o f a br a s i on - e r o s i o n r e s i s t a nc e t e s t s y s t e m 然后在试件 表面做好受 冲面及冲磨 方 向的标记 按 预 定 冲磨角度 调整试 验 支 架 ， 安 放并 固定 试 件 在 加 砂 装置 中添 加磨料 砂 ( 石英 砂 ) 启 动空 气压 缩机 ， 调 整 喷嘴处 风压 至 预 设值 ， 并 在 试 验 过 程 中保 持 风 压 不 变 调整水流、 下砂量至预定范围 设定冲磨时间 ( 为 试件往 复行走 4个 循环 所需 时 间 ， h ) 开启 自动行 走 装置 、 进砂 阀、 喷射 阀 ， 开 始试 验 到达 预设 冲磨 时 间 后 自动停 止试验 ， 并记 录耗砂量 m ( k g ， 以 3块试件耗 砂量计) 及试件冲磨后 的质量 m 。 ( g ) 重复上述过程 ， 直 至单位时 间混凝 土质量损失 随时问变化趋于稳定 1 3试 验数 据处 理 每块 试 件每次 冲磨 耗砂量 ( ， k g ) 为 ： m 一 m ( 1) 每 块试 件稳 定磨 损率 ( L ( a ) ， g k g ) 为 ： L ( a)一 ( 2) 式 中 ： ( r n 一 ) 为 每块 试 件 稳定 磨 损 阶段 冲磨 1 次 的质量损 失 ， g ； m 为每块 试件 稳定 磨 损 阶段 冲磨 1次 的耗 砂量 ， k g 取 3块 试件 稳定 磨 损 率 的平 均值 作为该组混凝土的稳定磨损率 抗 冲磨强度 ( -厂 a ， h c m) 为每块 试件磨损 1 c m 深所 需小 时数 ， 其计算 公式 为 ： = 其中： P 。 为混凝 土密度 ， g c m。 ； A 为混凝土试件 受 冲磨 面积 ， 2 2 5 c m 取 3块 试 件 抗 冲 磨 强 度 的平 均 值 作 为该 组混凝 土抗 冲磨 强度 2试验结果与分析 2 1 冲磨速 率对 混凝 土抗冲磨 性 能的影 响 图 2为不 同冲磨速 率 ( V a ) 下 海工 混 凝 土 ( J S 一 0 ) 单位时间质量损失( 取 3块试件平均值) 历时变化曲 线 由图 2可 以看 出 ： 在高 冲磨速 率 ( 3 0 m s ) 下 ， 海 工混凝 土初 始单 位 时间 质量 损 失 较 大 ， 随 着 冲磨 过 程 的延 续 ， 海 工 混凝 土单 位 时 间质 量 损 失逐 渐 趋 于 稳定 ； 在低冲磨速率( 1 O m s ) 下， 尽管海工混凝土单 位 时间质量 损失 比较 低 ， 混 凝 土单 位 时 间 质量 损 失 历 时变化 较不 明 显 ， 但 可 以预 测 在长 期 挟 砂 水流 冲 刷作 用下 ， 桥梁 墩柱海 工混 凝土将 不 断被 冲刷 ， 最终 影响其整体耐久性 ， 点 量 量 器 三 路 图 2 不 同冲磨速率下海工混凝土单位时间质量损失 历 时变化 曲线( 3 6 0 d龄期) Fi g2 Cu r v e s o f ma s s l o s s i n u ni t t i me of mar i ne c o n c r e t e ( J S - 0)wi t h t i me u n d e r d i f f e r e n t i mp i n g i n g v e l o c i t i e s ( c u r e d f o r 3 6 0 d ) 不同冲磨速率下海工混凝土( J S O ) 的稳定磨损 率和抗冲磨强度见图 3 由图 3可见 ， 在胶凝材料体 系不变 的前提 下 ， 海 工 混凝 土 稳 定磨 损 率 随 冲 磨 速 率 增大逐 渐增 大 ， 抗 冲磨 强 度 随 冲磨 速 率 增 大 逐 渐 降低， 海工 混凝 土抗 冲磨强度 与 冲磨速率 成反 比 关 系 1 0 1 5 2 O 2 5 3 O I mp i n g i n g v e l o c it y ( m s - 1 ) - S t a b l e a b r a s i o n r a t e f o r 28 d ；m- S t a b l e a b r a s i o n r a t e for 3 6 0 d ； m- Ab r a s i o n e r o s i o n s t r e n g t h for 2 8 d ： - Ab r a s i o n e r o s i o n s t r e n g t h f o r 3 6 0 d 图 3 不同冲磨速率下海工混凝 土的稳定磨损率 和 抗冲磨强度 Fi g 3 St a b l e ab r a s i o n r a t e a n d a br a s i on - e r os i o n s t r e n g t h o f ma r i n e c o n c r e t e ( J S - O )u n d e r d i f f e r e n t i mp i n g i n g v e l o c i t i e s ( 口 ) 一 _ u I 。 口 占 岛 0 2 _ u 0 露 5 0 5 O 5 0 5 3 3 2 2 1 l O O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m