溢洪道抗冲耐磨混凝土拌和系统优化研究

庄子健 ZHUANG Zi-jian

（中国葛洲坝集团路桥工程有限公司，宜昌 443000）

0 引言

溢洪道是水利工程中重要的水能调节和安全控制设施之一，承担着调节洪水、保护工程安全的重要任务。在溢洪道中，由于洪水的冲击和摩擦作用，混凝土结构容易受到严重的冲击力和磨损，导致结构的损坏和寿命的缩短。因此，提高溢洪道混凝土的抗冲耐磨性能，对于保障工程的安全稳定运行具有重要意义。目前，国内外对于溢洪道混凝土的抗冲耐磨性能研究已经取得了一定的成果，但仍存在一些问题。首先，由于不同地区的水文地质条件和工程要求的差异，混凝土拌和系统的优化策略仍然需要进一步研究和探索。其次，现有的抗冲耐磨性能测试方法和评价标准存在一定的局限性，需要进一步完善和改进。此外，目前大部分研究集中在抗冲性能或耐磨性能的研究上，对于二者之间的关系和影响因素的研究较少。

1 溢洪道抗冲耐磨混凝土抗冲耐磨性能分析

1.1 实验材料与试验方法

选择适用于抗冲耐磨性能测试的材料和试验方法。常用的材料包括水泥、骨料、粉煤灰等，试验方法包括冲击试验和摩擦试验等。表1 是水泥、骨料和粉煤灰的一些常见指标数据。

表1 水泥、骨料和粉煤灰的数据指标

1.2 抗冲性能测试与分析

通过冲击试验，模拟溢洪道中洪水的冲击力，测定混凝土在不同冲击载荷下的抗冲性能。可以通过测量冲击载荷下混凝土的变形、破坏形态等指标来评估抗冲性能。

首先，根据实际需求和试验要求，确定试样的尺寸和数量，见表2。通常情况下，试样为长方体或圆柱体形状。然后，准备混凝土材料，并按照设计配合比进行拌和，普通混凝土配合比（按重量比）：水泥∶砂∶骨料=1∶2∶4，水泥∶砂∶骨料=1∶2.5∶5；高强度混凝土配合比（按重量比）：水泥∶砂∶骨料=1∶1.5∶3，水泥∶砂∶骨料=1∶1.2∶2.4；超高强度混凝土配合比（按重量比）：水泥∶砂∶骨料=1∶0.8∶1.6，水泥∶砂∶骨料=1∶0.6∶1.2。将拌和好的混凝土倒入模具中，进行振实和养护，使其达到所需强度。待混凝土完全凝固后，取出试样并进行表面处理。

表2 试样尺寸和数量

将制备好的试样放置在冲击试验设备上，调整设备参数，如冲击能量和冲击速度等。然后，通过设备的冲击装置对试样施加冲击载荷，模拟溢洪道中洪水的冲击力。在试验过程中，记录冲击载荷的大小和冲击时间。同时，使用传感器或测量仪器测量试样的变形情况，并注意观察试样的破坏形态。

根据试验中记录的冲击载荷和冲击时间，可以得到混凝土在不同冲击载荷下的抗冲性能数据（第三章分析）。同时，根据测量的试样变形情况和破坏形态，可以进一步分析混凝土的抗冲性能。常见的分析指标包括试样的最大位移、应变、破坏形态等。通过对数据的统计和比较，可以评估混凝土在不同冲击载荷下的抗冲性能，并进一步优化材料配比和结构设计，提高混凝土的抗冲耐磨性能。

1.3 耐磨性能测试与分析

在耐磨性能测试中，首先需要制备符合标准规范的试样。根据具体要求，可以制备不同形状和尺寸的试样，如圆盘、矩形板等。然后，根据材料特性和测试要求，对试样进行必要的预处理，包括表面处理、养护等。确保试样的表面光滑且无明显缺陷。

常见的耐磨性能测试方法包括磨损试验、摩擦试验等。其中，磨损试验可以采用旋转磨损试验机、滑动磨损试验机等设备进行。在试验中，试样与摩擦剂或磨损介质接触，通过施加一定的载荷和循环运动，模拟实际工况下的磨损情况。在试验过程中，记录试样的磨损质量损失、摩擦系数等指标。

通过耐磨性能测试获得的数据，可以进行数据分析和评估。常见的分析指标包括磨损速率、磨损模式、摩擦系数等。磨损速率可以通过计算试样质量损失量与试验时间的比值得到。磨损模式可以通过观察试样的磨损表面和磨损形态来判断。摩擦系数可以通过测量试样与摩擦剂之间的摩擦力和垂直载荷的比值得到。通过对数据的分析和对比，可以评估材料的耐磨性能，优化材料配比和结构设计，提高材料的抗磨损能力。

2 溢洪道抗冲耐磨混凝土拌和系统的优化方法

2.1 混凝土拌和系统的主要技术指标

系统规模为月高峰浇筑强度5.0 万m3混凝土。预冷混凝土生产强度为160m3/h，出机口温度16℃。

以高峰月强度计算拌和厂的小时生产能力Qh：

Qh=Kh×Qm÷20÷25=1.5×50000÷20÷25=150（m3/h）

式中：Qh——小时生产能力，m3/h；

Kh——小时不均衡系数，可取1.5；

Qm——混凝土的高峰月浇筑强度。

由于标书明确预冷混凝土生产强度为160m3/h，大于按高峰月计算强度150m3/h。故而拌和楼的生产能力按生产预冷混凝土的能力选取。选取两座HL115-3F1500 的拌和楼，最大小时生产能力230m3/h，制冷混凝土生产能力160m3/h。

2.2 材料配比优化

2.2.1 骨料上拌和楼能力计算

G骨=K×Qh×q=1.7×115×1.6=312.8t/h

G砂=K×Qh×q=1.5×115×0.8=138t/h

其中：

G——搅拌楼要求的粗骨料、砂的供料能力，t/h；

q——每立方米混凝土中粗骨料和砂的用量，t/m3；

K——系数，粗骨料供料取1.7（骨料预冷时间比较长），细骨料供料取1.5；

Qh——拌和楼的混凝土生产强度，HL115-3F1500 拌和楼铭牌产量m3/h；

Q——拟选用的带式输送机的输送能力，t/h。

2.2.2 水泥、粉煤灰上拌和楼能力计算

G水泥=K×Qh×q水泥=2×230×0.25=115t/h＜150t/h=Q水泥

G粉煤灰=K×Qh×q粉煤灰=2×230×0.10=46t/h＜60t/h=Q粉煤灰

其中：

G水泥、G粉煤灰——搅拌楼要求的水泥、粉煤灰的供料能力，t/h；

q水泥、q粉煤灰——每立方米砼中水泥和粉煤灰的用量，t/m3；

K——系数，水泥、粉煤灰均取2.0；

Qh——搅拌楼的砼生产强度，m3/h；

Q水泥、Q粉煤灰——拟选用的水泥、粉煤灰输送装置的输送能力，t/h。

2.3 掺加添加剂的优化

根据高峰期每月5 万m3的混凝土浇筑需求，按照每方混凝土使用180kg 胶凝材料和外加剂按胶凝材料的0.7%计算，外加剂储备量按照高峰期半个月的量进行配置，堆料的堆积密度为500kg/m3，需要约100m2的堆料面积。

外加剂配液池和成品池的计算如下：

外加剂配液池：上层设置2 个配液池，每个配液池尺寸为4×3.0m，高2.5m，根据房间结构布置和搅拌器的大小规格确定。

外加剂成品池：下层设置4 个成品储液池，每个储液池尺寸为6×4m，液面高2.0m，单个储液池的净容积为6×4×2.5m=60m3，共计240m3的容量。

外加剂配液浓度计算：按照20%的浓度计算，高峰期每天需要的外加剂量为5 万m3/月/25 天×1 天×2×0.7%/20%=120m3。

4 个配液池的容量完全足够满足高峰期2 天的外加剂使用量。

2.4 拌和工艺优化

根据所需流程计算储量的需要，选择了4 台1500t 的水泥罐，总储量为6000t，以及2 个1500t 的煤灰罐，实际总储量为2000t。水泥罐和煤灰罐的罐体直径为10m，总罐高为26.7m，其中罐体部分高为14m，各罐体中心距离为11.0m。

胶凝材料罐的基础采用钢筋混凝土圈梁和立柱，罐体为1500t 的利浦筒仓。在仓底安装了一台LD-6.0 气力输送泵，通过气力和无缝钢管输送至拌和楼的胶凝材料罐。为了分开水泥和粉煤灰的输送管路，设置了散装水泥运输车卸载站，并配备压缩空气专用供气系统和带有快速接头的输送管。

混凝土拌和系统中水泥和粉煤灰的输送采用气力输送，具有输送量大、操作简便、布置不受地形影响、有利于环境保护等特点。为了避免水泥和粉煤灰受潮结块并防止气动元器件锈蚀，需要使用干燥而纯净的压缩空气，并设置过滤式空气过滤器。压力露点要求为1.3℃，输送压力不超过0.45MPa，水泥的输送浓度要求大于35，粉煤灰的输送浓度要求大于25。

对于高压、大风量、高浓度的气力输送系统，合理设计除尘设备至关重要，确保排出的气体符合环保要求。因此，可以选择脉冲袋式收尘器作为除尘设备，以满足环保要求的除尘效果。未明确胶凝材料是散装还是袋装，考虑到不同情况下物料的需求，可以设置一个长30m、宽18m 的拆包间，以满足不同形式的胶凝材料需求。

3 拌和系统优化后的混凝土性能评估

3.1 抗冲性能评估

混凝土抗冲性能评估的抛物线曲线如图1 所示。以下是对图像的简要分析：

图1 混凝土抗冲性能对比

①x 轴为冲击载荷（单位：kN），y 轴为试样的变形情况（单位：mm）。随着冲击载荷的增加，试样的变形情况也随之增加。

②抛物线形式的曲线显示了冲击载荷与试样变形之间的非线性关系。试样的变形随着冲击载荷的增加而加速增加，这符合抗冲性能的特性。这种非线性关系反映了混凝土在受到冲击时的变形和破坏行为。

③曲线在x 轴原点处截距为零，这意味着在冲击载荷为零时，试样没有变形。这是合理的，因为没有冲击载荷时试样不会受到任何影响。

④随着冲击载荷的增加，曲线上升速度增加，表明试样的抗冲性能逐渐减弱。这是符合预期的，因为较大的冲击载荷会导致试样更大的变形，直至破坏。

⑤曲线在上升阶段开始变得趋于平缓，表示试样的抗冲性能随着冲击载荷增加而逐渐饱和。在某一冲击载荷值后，试样的变形增加较为缓慢，表明试样的抗冲性能已接近极限。

3.2 耐磨性能评估

耐磨性能评估数据见表3。

表3 耐磨性能评估表

根据上述数据，可以对混凝土的耐磨性能进行分析和评估。以下是对上述数据的分析和一些可能的优化措施：观察数据表格可以发现，随着负荷的增加，磨损量也呈增加的趋势。这表明混凝土的耐磨性能受到负荷的影响，负荷越大，磨损量也越大。

优化措施1：材料选择和配比优化。可以通过选择更硬、更耐磨的材料或者调整混凝土的配比来提高耐磨性能。例如，使用耐磨性能较好的骨料和掺入适量的添加剂来改善材料的耐磨性能。

优化措施2：加入耐磨剂或涂层。可以在混凝土表面添加耐磨剂或者涂层来提高其耐磨性能。这些耐磨剂或涂层可以增加混凝土表面的硬度和耐磨性，减少磨损量。

优化措施3：改善混凝土的密实性和表面质量。通过优化混凝土的施工工艺和加强养护管理，可以提高混凝土的密实性和表面质量，从而增加其耐磨性能。

4 结束语

通过对溢洪道抗冲耐磨混凝土拌和系统的优化研究，得出了以下结论：

①通过合理选择材料和优化配比，可以显著提高混凝土的抗冲耐磨性能。使用耐磨性能较好的骨料和添加剂，调整水灰比和砂石比例等因素，可以改善混凝土的耐磨性能，提高其抵抗冲击载荷的能力。

②添加耐磨剂或涂层是提高混凝土耐磨性能的有效途径。通过在混凝土表面添加耐磨剂或涂层，可以增加混凝土表面的硬度和耐磨性，从而减少磨损量，延长混凝土的使用寿命。

③提高混凝土的密实性和表面质量对抗冲耐磨性能也具有重要影响。通过优化施工工艺和加强养护管理，可以改善混凝土的密实性和表面质量，减少孔隙率和表面缺陷，从而提高混凝土的抗冲耐磨性能。

在未来的研究中，还可以进一步深入探讨以下方面：

①通过实验和模拟分析等手段，对不同材料和配比的耐磨混凝土进行更加详细的性能测试和评估，以获得更准确的数据和结论。

②研究不同耐磨剂和涂层的效果和适用范围，探索最佳的应用方式和工艺参数，以实现最佳的耐磨性能提升效果。

③进一步研究混凝土的耐磨机理和磨损规律，以深化对耐磨性能的理解，并为混凝土抗冲耐磨设计和施工提供更为科学和可靠的依据。