泥沙礦物成分對混凝土材料磨蝕的影響

董志勇 ，袁雨晨 ，羅鑫悅 ，徐瀚冉

（浙江工業(yè)大學土木工程學院, 杭州310023）

0 引 言

水利是農(nóng)業(yè)的命脈，農(nóng)業(yè)水利工程通過水工建筑物解決河流天然來水在時間、水量、高程上的矛盾，以滿足農(nóng)田灌溉和其他用水部門的需要，但在汛期為了保證水利樞紐的安全，需要通過溢洪道、泄洪洞、溢流壩等泄洪建筑物宣泄多余洪水。泄洪建筑物中水流為高速水流，易產(chǎn)生空化并發(fā)生空蝕破壞[1-2]。遭受空蝕破壞的泄洪建筑物數(shù)不勝數(shù)，如美國黃尾（Yellowtail）壩泄洪洞1967年泄洪后檢查發(fā)現(xiàn)反弧段末端及其下游附近出現(xiàn)嚴重空蝕破壞，較大空蝕破壞區(qū)有10處，反弧段最大空蝕坑寬1.8 m，深0.6 m，平洞段最大空蝕坑長13.8 m，寬5.9 m，深達2.1 m，已穿過混凝土襯砌達到圍巖[3]。在中國，如柘溪水電站溢流壩差動式挑流鼻坎、鹽鍋峽水電站消力池的消力墩等消能設(shè)施均發(fā)生過嚴重的空蝕破壞[4]。顯然，僅靠泥沙對泄洪建筑物的磨損很難造成如此巨大的破壞。

中國河流中挾帶泥沙量較高, 如黃河潼關(guān)水文站、遼河興隆坡水文站、海河石匣里水文站等多年平均含沙量較大，分別為27.5、26.7、19.4 kg/m3[5]。由于早期大多數(shù)大、中型水電站和水泵站建在黃河上，其水力機械（水輪機、水泵）空化空蝕和磨損嚴重，故挾沙水流的空化空蝕和磨損問題研究是從黃河開始的。劉一心[6]對黃河花園口天然泥沙的渾水空化試驗結(jié)果表明，含沙量低于10 kg/m3時，含沙水流較清水容易發(fā)生空化，但含沙量為 10～40 kg/m3時，懸浮泥沙對空化起抑制作用。程則久[7]采用黃河沙和塑料沙進行空化空蝕試驗，發(fā)現(xiàn)存在臨界含沙量，在低含沙量時，含沙量對空化和磨蝕起促進作用，在高含沙量時，對空化和磨蝕起抑制作用。趙萬勇[8]關(guān)于引黃工程某泵站抽送含沙水時對葉輪產(chǎn)生的空蝕與磨損破壞的原因進行了分析，認為空蝕伴有泥沙會使破壞程度成倍增加。王磊等[9-10]對青銅峽、八盤峽及萬家寨水電站實測結(jié)果表明，初生空化壓力值隨含沙量的增加均有所提高。由此可知，黃河泥沙對水力機械的磨蝕作用不容忽視，為此許多學者針對挾沙水流中泥沙粒徑、含沙量、泥沙級配等因素對金屬和混凝土材料空化磨蝕影響的機理開展了試驗研究工作。HU 等[11]對清水和渾水中的304不銹鋼進行了磨蝕試驗，結(jié)果表明，臨界含沙量質(zhì)量比約為3%，超過臨界含沙量，磨蝕量隨含沙量的增加而增大，當含沙量為5%～10%時，磨蝕量隨含沙量的變化趨于穩(wěn)定?？栈魇钱斔鲏簭姷陀谙鄳疁氐娘柡驼羝麎簭姇r，溶解于水體中的微小氣核膨脹成空泡形成的。鑒于此，常近時[12-13]認為渾水時氣核數(shù)量遠多于清水，渾水發(fā)生空化時泥沙會對構(gòu)件表面產(chǎn)生破壞，增大空蝕作用；若空化不發(fā)生，則構(gòu)件表面不產(chǎn)生泥沙磨損。渾水中空泡潰滅引發(fā)的微射流強度遠大于清水情形，相同條件下渾水空蝕破壞較清水時強烈。董志勇等[14]通過循環(huán)式水洞試驗得出，含沙量增加會促進磨蝕發(fā)生，加劇混凝土試件的破壞程度。盧金玲等[15]采用旋轉(zhuǎn)噴射磨蝕試驗裝置進行不同沙粒粒徑下的磨蝕試驗，結(jié)果表明同種材料試件的磨蝕質(zhì)量損失隨粒徑的增大而增加。黃繼湯等[16]研究了挾沙水流對混凝土等脆性材料抗磨蝕性能影響，水流含沙量越高，平均磨蝕率越大，試件表面磨蝕越嚴重。尹延國等[17]給出高速水流中含沙量越大，沖刷磨損越嚴重。水流含沙后相較于清水其流動特征發(fā)生了變化，致使水流紊動強度和紊動混摻作用也發(fā)生改變[18]。許洪元等[19-20]對離心泵葉輪中固體顆粒的運動規(guī)律進行了試驗研究，結(jié)果顯示，顆粒密度和粒徑越大，顆粒運動會越趨于葉片工作面，運動中受水流紊動作用越小。

近年來，許多學者對含沙空化水流進行了數(shù)值模擬。沈鑫偉等[21]通過對旋轉(zhuǎn)圓盤試驗裝置的數(shù)值模擬結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)圓盤空蝕附近靜壓力最大值隨泥沙濃度的增加而增大，存在臨界泥沙濃度0.09，小于0.09時促進空化，大于0.09時抑制空化。趙偉國等[22]對不同泥沙粒徑、含沙量情形含沙水空化流動的數(shù)值計算表明，同一含沙量、不同沙粒粒徑與同一粒徑、不同含沙量下，空泡分布均呈現(xiàn)先增大、再接近、后減小的變化趨勢，表明沙粒對空化的影響為先促進、后抑制。此外，一些學者采用多相流模型和空化模型對不同含沙量下模型泵進行數(shù)值模擬分析，認為泥沙固體顆粒對空化影響較大[23-27]。

綜上所述，挾沙水流中泥沙含量對空化磨蝕有著重要影響，但前人主要研究人工沙粒濃度或天然含沙量對水力機械裝置的空化空蝕和磨損的影響，所得結(jié)果不盡相同。而對挾沙高速水流中不同泥沙礦物成分引起的磨蝕問題則研究甚少。李亞杰[28]曾用人工破碎的石英沙與天然河沙進行對比試驗，結(jié)果表明在沙速及沙粒徑均相同的條件下，破碎石英沙對混凝土垂直沖擊磨損為天然河沙的1.25倍。河流中泥沙是由各種礦物成分（如石英、長石、白云石等）組成，泥沙礦物成分對泄洪建筑物的磨蝕問題有何影響，迄今尚未見有文獻報導。本文以泥沙礦物成分（石英，長石，白云石，云母，輝石）為研究對象，在小型循環(huán)式水洞中試驗研究不同含沙量礦物成分在高速水流工況下對混凝土材料磨蝕的影響，以揭示泥沙礦物成分對混凝土材料磨蝕影響的機理。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗在浙江工業(yè)大學水力學實驗室進行，采用自主研發(fā)的小型循環(huán)式水洞模擬高速水流對泄洪建筑物混凝土壁面的空化磨蝕作用。水洞裝置如圖1a所示，主要由水箱、多級離心泵、文丘里工作段、電磁流量計、控制閥及循環(huán)管路等組成。文丘里工作段包含收縮段、喉部和擴散段。工作段底部有7個測點，壓力測點位置如圖1b所示，其中測點Ⅰ位于喉部，測點Ⅱ~Ⅶ等距位于擴散段。擴散段頂部設(shè)有混凝土試件安放盒，用于放置混凝土試件，試件下表面與高速水流相接。挾沙水樣從內(nèi)筒經(jīng)多級離心泵抽入循環(huán)管路，經(jīng)控制閥、文丘里工作段、電磁流量計后回流至內(nèi)筒。由于空化空蝕作用使水溫升高，外筒盛放冷卻水用以對水流降溫。挾沙水流經(jīng)收縮段后從低速變成高速，喉部局部壓力突然降低，發(fā)生空化現(xiàn)象；水流進入擴散段后，因斷面擴大，流速降低，壓力升高，空泡潰滅引起空蝕。

圖1 小型循環(huán)式水洞及其工作段示意圖Fig.1 Sketch of small looped water tunnel and its working section

1.2 試驗設(shè)計

試驗主要通過控制含沙量、泥沙礦物成分等變量來研究高速挾沙水流對混凝土表面磨蝕的影響。人工篩分粒徑80～120目（0.178～0.125 mm）的石英、長石、白云石等礦物泥沙，中值粒徑d50為 0.150 mm，以及粒徑300目（0.048 mm）的云母、輝石，分別取200、960、1 600 g，含沙量S取低含沙量2.5 kg/m3、中含沙量12.0 kg/m3和高含沙量20.0 kg/m3，在水洞內(nèi)筒中配制不同礦物成分水樣，并用紅外測沙儀（Model 3 150和TSS）測定挾沙水樣的含沙量。由SINOCERA-YE6263壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集水洞工作段各測點壓力?；炷猎嚰捎玫乃鄻颂枮?25號硅酸鹽水泥，砂粒粒徑小于1.7 mm，水灰比（W/C）為 0.375，灰砂比（C/S） 為2.5，齡期為7 d，試驗得出其抗壓強度為19.03 MPa，試件尺寸如圖2所示。混凝土試件進行歷時4 h的磨蝕破壞試驗，每小時取出混凝土試件，用電熱鼓風干燥箱以60℃烘干3 h，稱量、觀察并拍照記錄混凝土試件表面形態(tài)，然后重新放入循環(huán)式水洞中繼續(xù)試驗。以混凝土試件每小時的質(zhì)量損失來表征磨蝕量，用以反映高速挾沙水流對混凝土材料的磨蝕程度。

圖2 混凝土試件尺寸示意圖Fig.2 Sketch of concrete specimen dimension

2 結(jié)果與分析

2.1 礦物成分及其含沙量對空化區(qū)、磨蝕區(qū)壓力的影響

配制5種礦物成分（白云石、長石、石英、云母及輝石）、3種典型含沙量（S= 2.5，12.0，20.0 kg/m3）的挾沙水樣，通過壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時測定各水樣的壓力，每種挾沙水樣均做3次試驗，分析不同礦物成分、不同含沙量與壓力、混凝土試件磨蝕量的變化關(guān)系。

2.1.1 礦物含沙量對空化區(qū)、磨蝕區(qū)壓力的影響

圖3為含沙量S取2.5、12.0和20.0 kg/m3條件下，各泥沙礦物成分不同測點的時均壓力。由圖可知，在礦物成分和試驗條件相同情況下，空化區(qū)測點Ⅰ壓力隨含沙量的增加而降低，磨蝕區(qū)測點Ⅱ~Ⅶ的壓力則隨含沙量的增加而升高。在磨蝕區(qū)，隨著距喉部入口距離的增大，各測點時均壓力逐漸升高，這是由于擴散段斷面逐漸擴大，流速變慢所致。測點Ⅱ~Ⅳ的時均壓力增加幅度較小，而測點Ⅴ~Ⅶ的時均壓力急劇增加，表明擴散段后部的磨蝕作用比前部大。含沙量對空化區(qū)和磨蝕區(qū)壓力的影響表現(xiàn)為：不同礦物粒徑的含沙量增加時，空化區(qū)壓力降低，磨蝕區(qū)壓力升高，具有促進空化和磨蝕的作用。

圖3 不同礦物成分不同含沙量時各測點時均壓力（p）Fig.3 Time average pressure (p) at each measuring point under different mineral compositions and different sediment concentrations

以白云石為例，將空化區(qū)和磨蝕區(qū)3次試驗的各測點時均壓力與礦物含沙量的關(guān)系曲線進行擬合，如圖4所示。由圖可見，空化區(qū)時均壓力與礦物含沙量呈線性負相關(guān)，而磨蝕區(qū)壓力與含沙量則呈線性正相關(guān)，曲線的擬合優(yōu)度R2均趨于1，表明圖中曲線擬合程度較好，由此得出的時均壓力與礦物含沙量的關(guān)系可信。在試驗范圍內(nèi)，不同礦物粒徑的含沙量表現(xiàn)為促進空化作用。相較于清水，含沙水流中沙粒使氣核數(shù)量增加，因此礦物含沙量越高，氣核數(shù)量就越多，壓力降低時其釋出的空泡就越多，并且試驗采用的礦物為非黏性沙，沙粒粘滯性起的作用有限，所以不同礦物含沙量對空化起促進作用。

2.1.2 礦物成分對空化區(qū)、磨蝕區(qū)壓力的影響

本試驗選取5種礦物成分（石英、長石、白云石、輝石、云母），其摩氏（Mohs）硬度從小到大排列分別為：云母（2.5）、白云石（3.5）、輝石（6）、長石（6.5）、石英（7），將5種礦物分別配制成中含沙量S為12.0 kg/m3的挾沙水樣，5種礦物各測點時均壓力如圖5所示?？栈瘏^(qū)壓力（測點1）為負壓，隨摩氏硬度的增加而降低，硬度的增加會加劇壓力脈動，從而使負壓降低，促進空化的發(fā)生；隨著擴散段斷面沿程增大，磨蝕區(qū)（測點Ⅱ～Ⅶ）壓力沿程升高。

圖5 不同摩氏硬度各測點時均壓力Fig.5 Time average pressure at each measuring point of different Mohs hardnesses

2.1.3 不同含沙量及礦物成分對空化數(shù)的影響

由空化數(shù)的定義[29]知，壓力和流速是影響磨蝕的主要因素，因此可用空化數(shù)σ來表征水流空化條件：

式中pa為測點處絕對壓力，Pa；pv為相應溫度下水的飽和蒸汽壓，Pa；ρ為水流密度，kg/m3；V為喉部斷面平均流速，m/s。

圖6為不同含沙量及礦物成分下各測點空化數(shù)，空化區(qū)含沙量越高、摩氏硬度越大，則空化數(shù)越低，空化現(xiàn)象越劇烈，這是因為空化數(shù)越低，空化區(qū)水流越容易發(fā)生空化，亦即水流中產(chǎn)生的空泡越多；磨蝕區(qū)空化數(shù)則隨含沙量及摩氏硬度的增加而增大，磨蝕破壞加重，這是因為磨蝕區(qū)空化數(shù)的增大表明水流壓力升高，致使空化區(qū)產(chǎn)生的空泡隨水流進入磨蝕區(qū)后越容易發(fā)生潰滅，而空泡潰滅形成的微射流和沖擊波作用易使混凝土、金屬等固體材料表面發(fā)生磨蝕破壞。

圖6 不同含沙量及礦物成分各測點空化數(shù)Fig.6 Cavitation number of each measuring point with different sediment concentrations and mineral compositions

2.2 礦物成分及其含沙量對混凝土試件磨蝕的影響

本試驗制作了不同水灰比、灰砂比的混凝土試件，以高強度水灰比W/C= 0.375、灰砂比C/S= 2.5的混凝土試件為例，用以研究不同礦物成分及其含沙量對混凝土試件磨蝕量的影響，磨蝕量以每小時質(zhì)量損失來表征。

2.2.1 礦物含沙量對混凝土試件磨蝕的影響

試驗選取天然河流典型中值粒徑d50為 0.150 mm的白云石、長石、石英，中值粒徑d50為0.048 mm的云母和輝石，分別配制3種含沙量，分別為 2.5、12.0、20.0 kg/m3，如圖7所示。從圖7可以看出，混凝土試件在齡期、配合比、試驗歷時相同工況下，隨著含沙量的增加，混凝土試件每小時損失量不斷增加，即磨蝕量增加；累積磨蝕量隨試驗歷時呈線性變化，擬合后近似為線性函數(shù)。由此表明，礦物含沙量具有促進磨蝕的作用。

圖7 不同礦物含沙量混凝土試件累積磨蝕量隨時間的變化曲線Fig.7 Variation curves of cumulative cavitation and abrasion erosion amount of concrete specimen with time under different mineral compositions

圖8為不同礦物成分時，混凝土試件累積磨蝕量與礦物含沙量的關(guān)系。由圖可見，5種礦物成分的變化趨勢大致相同，按粒徑可將5種礦物分為兩組，以摩氏硬度由小到大排列，分別為組1：白云石、長石、石英，組2：云母、輝石。組1和組2的規(guī)律一致，均隨著硬度增大，累積磨蝕量隨礦物含沙量的增加而增大，二者近似為線性關(guān)系。

圖8 不同礦物成分下混凝土試件累積磨蝕量隨含沙量的變化曲線Fig.8 Variation curves of cumulative cavitation and abrasion erosion amount of concrete specimen with sediment concentration under different mineral compositions

通過對比不同礦物含沙量試驗后混凝土試件表面的變化（以長石為例），由圖9可見，低含沙量時，試件表面出現(xiàn)了較小孔洞，且分布較為均勻；中含沙量時出現(xiàn)較大較深孔洞，試件表面開始凹凸不平；高含沙量時，表面凹凸現(xiàn)象更為明顯，且試件前部磨蝕劇烈，尾部較為平緩，其他礦物造成的混凝土試件表面破壞也與此相似。由此可知，礦物含沙量的增加使混凝土試件磨蝕作用加劇，隨著試驗時間的延長，試件表面破壞面積越來越大，破壞程度越加嚴重，造成的孔洞也越深。

圖9 不同長石含沙量時混凝土試件表面破壞程度隨時間的變化Fig.9 Variation of surface damage degree of concrete specimen with time under different feldspar concentrations

2.2.2 礦物成分對混凝土試件磨蝕的影響

本試驗選取云母、白云石、輝石、長石、石英5種礦物成分，摩氏硬度分別為2.5、3.5、6.0、6.5、7.0，其中由于礦物加工限制，無法控制5種礦物粒徑相同，白云石、長石、石英的中值粒徑d50為0.150 mm，云母和輝石的中值粒徑d50為0.048 mm。在含沙量S為12 kg/m3的工況下，齡期、配合比相同時混凝土試件與礦物摩氏硬度的關(guān)系如圖10所示。由圖可知，粒徑相同的礦物成分，隨著摩氏硬度的增大，混凝土試件磨蝕量基本呈上升趨勢，小范圍內(nèi)呈現(xiàn)波動；隨著試驗進行，累積磨蝕量很明顯隨著摩氏硬度的增大而增加。硬度促進磨蝕的主要原因為：礦物硬度越大，空泡潰滅時微射流和沖擊波的沖擊作用就越強，水流沖刷過程中對混凝土試件表面造成的磨損就越大，從而使試件表面孔洞增多、粗糙度增加，表面分布越不平整，越能促進空蝕坑形成，二者相互影響，陷入惡性循環(huán)，使得磨蝕作用越來越強。

圖10 不同礦物成分累積磨蝕量隨時間的變化（S=12.0 kg·m-3）Fig.10 Time variation of cumulative cavitation and abrasion erosion amount of different mineral components (S=12 kg·m-3)

3 結(jié) 論

利用小型循環(huán)式水洞對不同含沙量（S為2.5、12.0和20.0 kg/m3），不同泥沙礦物成分（白云石、長石、石英、云母、輝石）下的磨蝕試驗，得出以下結(jié)論：

1）空化區(qū)時均壓力、空化數(shù)隨礦物含沙量的增加而降低，磨蝕區(qū)時均壓力、空化數(shù)則隨礦物含沙量的增加而升高，壓力和空化數(shù)的降低、升高幅度隨礦物成分而異，在試驗范圍內(nèi)，礦物含沙量表現(xiàn)為對磨蝕具有促進作用。

2）隨著礦物成分摩氏硬度（2.5～7.0）的增大，空化區(qū)時均壓力降低，而磨蝕區(qū)各測點時均壓力則升高，礦物摩氏硬度具有促進空化、加速空泡潰滅的作用。

3）混凝土試件配合比、齡期相同時，磨蝕量與礦物含沙量呈近似線性關(guān)系，礦物含沙量加劇混凝土試件表面破壞程度，試件每小時質(zhì)量損失可達6.1%。即使低含沙量，也需考慮礦物含沙量對混凝土磨蝕作用的影響。