风沙环境下渠道混凝土冲蚀磨损试验研究

杜晓虎

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

强风环境下夹带的沙粒对混凝土的结构产生十分严重的冲蚀磨损，造成结构混凝土表面产生裂纹甚至脱落，从而大大降低混凝土的结构强度和耐久性，对工程的长久稳定运行带来重大隐患[1]。

目前，大多数关于混凝土材料的冲蚀磨损研究主要集中于含沙水流对水工混凝土的破坏，在试验研究方法、冲蚀磨损的机理、评价指标和防治措施上取得了一定的成果和进展[2- 5]。

蔡宝红针对道路混凝土的耐久性，对其磨损机理进行了详细分析，并提出了专门的改善措施[6]。高欣欣等将不同直径的钢球作为磨损介质，模拟了不同流速和磨粒形态下水工混凝土的磨损率，并认为直径越大，磨粒的形状越锋锐，磨损率越大[7- 8]。王志强等则针对乌鲁瓦提水利枢纽工程泄洪排沙洞衬砌混凝土的冲蚀破坏处理机理进行了分析研究，认为混凝土质量和空蚀是引起混凝土破坏结构破坏的主要原因。

对于风沙环境下混凝土的冲蚀磨损研究还比较鲜见，为此，本文采用气固两相流冲蚀磨损试验装置，对取自某渠道混凝土试件进行了冲蚀磨损试验，分析了在风沙环境下混凝土的冲蚀磨损行为和机理，为类似渠道工程的建设提供试验和理论支撑。

1 试验简介

本试验基于气流挟沙喷射法原理，自制冲蚀磨损试验装置，该装置可以模拟不同风沙环境特征，试验装置共分为四个部分：供气装置、供沙装置、喷枪及喷嘴装置、试样放置装置。装置布置原理如图1所示。

将取自渠道现场的现制混凝土样制成100mm×100mm×100mm的正方体试件。根据工程部位的重要性，混凝土试件分为C15、C20、C25和C40四种强度等级，风力等级分为8、9、10、11、12四个等级，对应的风速为17m/s、22m/s、26m/s、31m/s和35m/s，冲蚀角度设置为0°、30°、45°、60°和90°，风中所含沙粒量分别为30g/min、50g/min、70g/min、90g/min、和120g/min 5种。

2 试验结果分析

将养护28d的混凝土试件清理干净称重，然后进行冲蚀试验，带试验完成后再将表面清洗干净，重新再次称重，便可确定冲蚀质量。冲蚀率计算公式为：

(1)

式中，wr—冲蚀率，mm3/g；M—试件的质量损失，mg；ρ—混凝土的密度，g/cm3；MP—沙粒的含量，g/min；t—冲蚀的时间，min。

2.1 强度等级对混凝土冲蚀率的影响

冲蚀角度为60°，冲蚀速度为22m/s，含沙量为70g/min，试验时间为5min后得到的冲蚀率与混凝土强度等级的关系，如图2所示。从图2可以看出，混凝土的强度等级对其冲蚀率的影响相差不大，C15、C20、C25和C40强度等级下的冲蚀率分别为3.6mm3/g、3.5mm3/g、3.8mm3/g和3.6mm3/g，表明强度等级不是影响抗冲蚀能力的决定性因素。据有关研究[10]：混凝土的抗冲蚀能力与其粗细骨料的含量和细度模数有关。

图2 冲蚀率与强度等级的关系

2.2 冲蚀角度对混凝土冲蚀率的影响

当冲蚀速度为22m/s，含沙量为70g/min，试验时间为5min时，冲蚀率随冲蚀角度变化的关系如图3所示。从图3可以发现，混凝土的冲蚀率随冲蚀角度呈逐渐上升的趋势，当冲蚀角度为30°时，混凝土的冲蚀磨损率最小，当冲蚀角度为90°时，混凝土的冲蚀磨损率最大。出现上述情况的原因在于，在冲蚀角度较小时，混凝土的硬度是影响冲蚀磨损性能的主要因素，而在高冲蚀角度时，材料的韧性是影响其抗冲蚀磨损性能的主要因素，由于混凝土为脆性材料，轻度高而韧性低，因此冲蚀率在低冲蚀角度小而在高冲蚀角度下大。

图3 冲蚀率与冲蚀角度关系

图4 冲蚀率与风力等级关系

2.3 风力等级对混凝土冲蚀率的影响

正向冲蚀时，混凝土冲蚀率随风力等级(冲蚀速度)的变化关系，如图4所示。从图3中可以看到，冲蚀角度(90°)、时间(5min)、含沙量(70g/min)一定时，混凝土的冲蚀率随着风力等级的提升基本呈线性增长，风力等级越强，沙粒的动能越大，对试件造成的冲击损害越明显，因而冲蚀率越大。

2.4 冲蚀时间对混凝土冲蚀率的影响

当冲蚀速度为22m/s，含沙量为70g/min，冲蚀角度为60°下的冲蚀率随冲蚀时间的关系如图5所示。图5显示，混凝土的冲蚀率随着试验时间的延长而降低，这是因为试件本身的水泥浆强度和硬度均小于沙粒，在试验之初，造成水泥浆表面脱落，冲蚀率因而较大，随着试验时间的延长，表面水泥浆脱落完毕，露出粗骨料，此时的强度和硬度大于沙粒的强度和硬度，从而冲蚀较小，并最终会趋于一个相对恒定值。

图5 冲蚀率与冲蚀时间的关系

2.5 沙粒含量对混凝土冲蚀率的影响

冲蚀时间为5min，冲蚀角度为60°，冲蚀速度为22m/s时，得到的混凝土冲蚀率

随含沙量的关系，如图6所示。从图6可以观察到，当冲蚀时间一定时，冲蚀率随着含沙量的增长呈先减小后增加的趋势，这是因为当颗粒流量逐渐增大时，冲蚀产生的回弹部分颗粒会与后面的入射沙粒产生交互作用，进而产生不可避免的二次冲蚀作用，这种作用会大大减小颗粒对混凝土材料的冲蚀磨损，因而在沙粒含量较小时，会出现冲蚀率随含量增加而减小的现象；但当含量增加到一定程度后，反弹的沙粒又会与入射沙粒之间相互碰撞产生二次颗粒，会对试件形成不同角度和方向的二次冲蚀，因而冲蚀率又会随着含沙量的增加而增加。

图6 冲蚀率与含沙率的关系

3 结论

文章模拟渠道混凝土处于不同的风沙环境中，对其抗冲蚀磨损性能进行了研究。研究成果如下：(1)混凝土的冲蚀磨损率与强度等级关系不大，而是与混凝土的配合比，尤其是粗细骨料的含量及细度模数相关；(2)风力等级和冲蚀角度对冲蚀率的影响规律一致，均呈线性关系；(3)冲蚀率随冲蚀速度的增加而呈递减趋势，最终会趋于一个恒定值；(4)冲蚀率随含沙量的增加呈先减后增的趋势，与沙颗粒的二次回弹有关。

[1] 居春常. 混凝土冲蚀磨损及防护材料试验研究[D]. 兰州交通大学, 2014.

[2] 王万生. 高性能抗磨蚀水工混凝土的试验研究及应用[J]. 水利技术监督, 2007(02): 56- 59.

[3] 陈雯龙. 水工混凝土耐久性影响因素分析及防治措施[J]. 水利规划与设计, 2011(05): 35- 38.

[4] 张聪慧. 浅析新疆科克塔斯水库工程抗冲耐磨混凝土施工质量控制[J]. 水利规划与设计, 2017(01): 125- 127.

[5] 尹延国, 朱元吉, 胡献国. 水工混凝土冲蚀磨损试验方法的研究[J]. 水利水电技术, 2001, 32(03): 15- 18.

[6] 蔡宝红. 道路混凝土磨损机理及其改善措施[J]. 交通世界, 2012(09): 132- 133.

[7] 高欣欣, 蔡跃波, 丁建彤. 基于水下钢球法的水工混凝土磨损影响因素研究[J]. 水力发电学报, 2011, 30(02): 67- 71.

[8] 高欣欣, 蔡跃波, 丁建彤. 磨粒形态对水工抗冲磨混凝土磨损程度的影响[J]. 混凝土, 2012(04): 77- 79.

[9] 王志强, 花金星. 乌鲁瓦提水利枢纽工程泄洪排沙洞衬砌混凝土冲蚀破坏处理[J]. 水利水电技术, 2003, 34(12): 34- 35.

[10] Momber A. W. The erosion of cement paste, mortar and concrete bygritblasting[J]. Wear, 2000, 246(1- 2): 46- 54.