高抗沖磨橡膠混凝土在前坪水庫(kù)導(dǎo)流洞的應(yīng)用

羅福生 郝二峰 歷從實(shí) 馮凌云 皇甫澤華

（1.河南省水利第二工程局 鄭州 450016 2.河南省前坪水庫(kù)建設(shè)管理局 鄭州 450000 3.河南省水利科學(xué)研究院 鄭州 450003）

1 前言

含沙高速水流對(duì)水工建筑物過(guò)流表面混凝土的沖磨和空蝕破壞，是水工泄流建筑物如溢洪道、溢流壩、泄洪洞等常見(jiàn)的病害，尤其是當(dāng)水流流速較高且水流中又夾帶著懸移質(zhì)或推移質(zhì)時(shí)，對(duì)水工建筑物的沖磨、空蝕破壞就更為嚴(yán)重。隨著我國(guó)水利行業(yè)的發(fā)展，因壩高、流速、水頭等逐漸增大而發(fā)生的沖磨破壞的事例也不斷增多，研發(fā)出具有較高抗沖磨性能的混凝土，是我國(guó)水工混凝土材料研究領(lǐng)域亟待解決的重要課題。

為提高混凝土的抗沖磨性，在混凝土中加入摻合料是一種常用的技術(shù)手段：一種是在混凝土中摻入鋼纖維、聚丙烯纖維等，通過(guò)增強(qiáng)混凝土的阻裂作用來(lái)提高其抗沖磨性；另一種是在混凝土中摻入硅粉、粉煤灰和細(xì)礦渣粉等，通過(guò)增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度和密實(shí)性來(lái)提高其抗沖磨性。這兩種方法應(yīng)該歸類為通過(guò)提高混凝土的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)混凝土抗沖磨性的提高，是一種以“硬”克“硬”方法。橡膠混凝土是將橡膠顆粒摻入混凝土的一種新型建筑材料，目前對(duì)其抗沖磨性能的研究已有報(bào)道，認(rèn)為橡膠混凝土可以提高混凝土的抗沖磨強(qiáng)度，很明顯它是一種以“軟”克“硬”新方法。

本文介紹高抗沖磨橡膠混凝土在前坪水庫(kù)導(dǎo)流洞的應(yīng)用情況，重點(diǎn)說(shuō)明高抗沖磨橡膠混凝土在拌合、澆筑過(guò)程中的施工工藝、工作性能、抗沖磨性能和表觀情況，為高抗沖磨橡膠混凝土在水利工程中的推廣應(yīng)用提供工程參考。

2 實(shí)施方案

2.1 工程概況

前坪水庫(kù)是國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的172項(xiàng)重大水利工程之一，位于淮河流域沙潁河主要支流北汝河上游洛陽(yáng)市汝陽(yáng)縣，是一座的以防洪為主，結(jié)合供水、灌溉，兼顧發(fā)電的大（2）型水利樞紐工程。主要建筑物包括主壩、副壩、溢洪道、泄洪洞、輸水洞、電站等?？値?kù)容5.84億m3，控制流域面積1325km2，最大壩高90.3m，工程等別為II等。

前坪水庫(kù)導(dǎo)流洞布置在大壩右岸山體，工程包括進(jìn)口明渠段、控制段、洞身段、消能工段及尾水渠段五部分。導(dǎo)流洞軸線總長(zhǎng)度約1128m，其中進(jìn)口明渠段長(zhǎng)約387m，控制段長(zhǎng)10m，洞身段長(zhǎng)341m，出口消能段長(zhǎng)140m，尾水渠段長(zhǎng)250m。進(jìn)口底板高程為343.0m，閘孔尺寸為7.0m×9.8m（寬×高），洞身采用城門洞型，斷面尺寸為7.0m×7.2m＋2.6m（寬×直墻高＋拱高），隧洞出口底板高程342.0m，采用底流消能，導(dǎo)流洞消力池末端尾水渠入主河道。

2.2 材料概況

高抗沖磨橡膠混凝土，是在普通混凝土基礎(chǔ)上，用廢舊汽車輪胎粉碎而成的一定粒徑的橡膠顆粒取代部分砂配制成的一種新型混凝土材料，利用橡膠顆粒良好的彈塑性和韌性，既能緩和混凝土內(nèi)部的應(yīng)力集中，減少原生裂紋缺陷發(fā)生的幾率，又能耗散外界施加的能量，抑制內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷破壞。橡膠顆粒經(jīng)過(guò)由河南省水利科學(xué)研究院研制開(kāi)發(fā)的改性劑處理后，使得混凝土具有較好的抗裂性能、抗沖磨性能和抗凍性性能。高抗沖磨橡膠混凝土在水利工程中應(yīng)用，一方面可有效大量回收利用廢舊汽車輪胎，變廢為寶，既節(jié)約資源又能減少污染，還可節(jié)省堆放廢舊汽車輪胎所占用土地，社會(huì)和環(huán)境效益顯著；另一方面，其優(yōu)異的材料性能可在較大程度上延長(zhǎng)原混凝土結(jié)構(gòu)的服役期限，減少維護(hù)修補(bǔ)成本，直接經(jīng)濟(jì)效益顯著。

根據(jù)工程實(shí)際情況，前坪水庫(kù)選擇在導(dǎo)流洞出口段在洞身段（導(dǎo)0+317.64～導(dǎo)0+327.64）底板及“右側(cè)底板⑤600mm面層”澆筑高抗沖磨橡膠混凝土。

2.3 施工方案

（1）建筑材料

水：井水；水泥：天瑞牌P·O42.5型普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料：普通河砂，細(xì)度模數(shù)為2.70，最大粒徑5mm，表觀密度為2703 kg/m3；粗骨料：石灰?guī)r碎石，粒徑有5～20mm、20～40 mm兩種，連續(xù)級(jí)配，兩者之比為4∶6；橡膠顆粒：由新鄉(xiāng)市獲嘉縣一橡膠廠生產(chǎn)，粒徑3～6mm，表觀密度為1119kg/m3；減水劑：聚羧酸系高效減水劑。

（2）改性處理

水洗處理：將橡膠顆粒倒入清水中，攪拌，多次清洗，直至水不渾濁，撈出晾干，裝袋備用；NaOH處理：配制一定量的1%NaOH水溶液，將橡膠顆粒倒入溶液中浸泡，放置陰涼處24h，之后用清水多次清洗橡膠顆粒，用pH試紙測(cè)量水溶液，直至呈中性，撈出晾干，裝袋備用；復(fù)合處理：橡膠顆粒經(jīng)NaOH溶液處理晾干后，再稱取橡膠顆粒質(zhì)量1%的KH570，用一定量的無(wú)水乙醇稀釋后倒入橡膠顆粒中，以橡膠顆粒恰好全部濕潤(rùn)為宜。

（3）橡膠混凝土配合比。以普通C30混凝土為基準(zhǔn)（基準(zhǔn)混凝土），橡膠顆粒按照15%摻量（砂總體積的百分比）等體積取代部分砂配制橡膠混凝土，配合比見(jiàn)表1。

（4）橡膠混凝土澆筑分塊。橡膠混凝土按橡膠顆粒的改性方法分為三種，在洞身段（導(dǎo)0+317.64～導(dǎo)0+327.64）段底板澆筑復(fù)合改性橡膠混凝土，在右側(cè)底板⑤600mm面層澆筑NaOH改性橡膠混凝土，在導(dǎo)流洞出口處3m長(zhǎng)的連接段澆筑水洗改性橡膠混凝土。

3 實(shí)施過(guò)程

（1）混凝土拌合。橡膠混凝土拌合方法和普通混凝土基本一致，唯一不同的是在加料口把預(yù)先稱好的橡膠顆粒加入料斗，與砂石料一同進(jìn)入拌合樓進(jìn)行混凝土攪拌。

（2）混凝土澆筑。第一天晚上23點(diǎn)導(dǎo)0+317.64～導(dǎo)0+327.64開(kāi)始澆筑復(fù)合改性橡膠混凝土，至次日凌晨1點(diǎn)5分結(jié)束。拌合樓出口拌合物坍落度為20cm，入倉(cāng)坍落度為19cm；拌合樓氣溫25℃，出口拌合物溫度32℃；導(dǎo)流洞氣溫28℃，入倉(cāng)拌合物溫度36℃。

表1 混凝土配合比表

表2 高性能橡膠混凝土強(qiáng)度指標(biāo)表

第二天凌晨2點(diǎn)，導(dǎo)流洞出口處3m長(zhǎng)的連接段開(kāi)始澆筑水洗處理橡膠混凝土，至凌晨4點(diǎn)35分結(jié)束。拌合樓出口拌合物坍落度為20cm，入倉(cāng)坍落度為18cm；拌合樓氣溫26℃，出口拌合物溫度32℃；導(dǎo)流洞氣溫28℃，入倉(cāng)拌合物溫度36℃。

第二天下午5點(diǎn)，右側(cè)底板⑤600mm面層開(kāi)始澆筑NaOH改性橡膠混凝土。拌合樓出口拌合物坍落度為20cm，入倉(cāng)坍落度為18cm；拌合樓氣溫27℃，出口拌合物溫度33℃；導(dǎo)流洞氣溫28℃，入倉(cāng)拌合物溫度35℃。

4 橡膠混凝土性能

（1）表觀：橡膠混凝土的和易性較好，澆筑成型后表面平整，有部分橡膠顆粒裸露，無(wú)可見(jiàn)裂縫。

（2）強(qiáng)度：各倉(cāng)橡膠混凝土伴隨試件的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和抗沖磨強(qiáng)度見(jiàn)表2。普通混凝土的抗壓強(qiáng)度為38.62MPa，劈拉強(qiáng)度為3.03MPa，滿足C30強(qiáng)度等級(jí)，但抗沖磨強(qiáng)度只有4.7h·m2·kg-1，橡膠混凝土抗壓、劈拉強(qiáng)度較普通混凝土低，但仍滿足C30強(qiáng)度等級(jí)，而抗沖磨強(qiáng)度大幅度提高。水洗處理、NaOH改性和復(fù)合改性橡膠混凝土的抗沖磨強(qiáng)度依次增大，改性效果明顯，分別是普通混凝土的3.68倍、4.64倍和5.19倍。從沖磨質(zhì)量損失看，普通混凝土質(zhì)量損失嚴(yán)重，達(dá)到了1kg，沖磨后表觀坑洼深度較大，橡膠混凝土沖磨后質(zhì)量損失較小，最大僅為0.295kg，表觀較平整。

（3）機(jī)理：對(duì)于普通混凝土，由于水泥石的強(qiáng)度比骨料低，在沖磨過(guò)程中會(huì)首先被沖磨掉，進(jìn)而骨料逐漸凸出，然后，凸出的骨料因其所受到的沖磨力大于周邊凹處的水泥石而被逐漸磨平，如此反復(fù)。而對(duì)橡膠混凝土來(lái)說(shuō)，表面的水泥石被沖磨掉以后，裸露出來(lái)的不僅有骨料，還有橡膠顆粒，由于橡膠顆粒的韌性要比砂子和石子大很多，對(duì)沖磨能量有很強(qiáng)的吸收作用，在一定程度上延緩了水泥石的破壞。隨著沖磨程度的發(fā)展，橡膠顆粒周圍的水泥石被沖磨掉后，橡膠顆粒脫落，水泥石會(huì)被再?zèng)_掉一層，新的橡膠顆粒又會(huì)裸露出來(lái)，對(duì)水泥石再次形成保護(hù)作用。這樣往復(fù)循環(huán)，橡膠混凝土的抗沖磨性能顯著提高，而且表面比較平整，也正是因?yàn)檫@個(gè)原因，在相同時(shí)間內(nèi)，橡膠混凝土被沖磨掉的質(zhì)量比基準(zhǔn)混凝土小，磨損率小。

5 小結(jié)

（1）橡膠混凝土和易性較好，施工方便，服役期表觀較好。

（2）橡膠混凝土較普通混凝土，雖然抗壓、劈拉強(qiáng)度較低，但抗沖磨強(qiáng)度大幅提高，是一種低強(qiáng)度高性能材料。

（3）橡膠混凝土性價(jià)比較高，與同抗沖磨強(qiáng)度混凝土相比，節(jié)省了水泥用量，利用了廢舊輪胎橡膠，環(huán)保意義重大■