水工混凝土小角度冲蚀磨损特性的研究

　　摩檫学学报水工混凝土小角度冲蚀磨损特性的研究尹延国胡献国崔德密2，朱元吉蔡敏王慧1，王军虞帮义2，郑继2（1合肥工业大学摩擦学研宄所，安徽合肥230009；2安徽省水利科学研宄院，安徽蚌埠233000）高速水射流作用下混凝土材料的冲蚀磨损性能。结果表明：混凝土受到严重的冲蚀磨损；在冲击角度较小时，混凝土材料的冲蚀磨损机制主要表现为硬质磨粒沿水平速度方向的切削作用，以及沿垂直方向的冲击作用导致的表面裂纹和脆性断裂；钢纤维对混凝土材料的小角度冲蚀破坏有明显的增强作用。

　　应用于水工建筑物的水工混凝土，由于长期在静水或动水环境下工作，除了承受正常的使用荷载以外，还受到环境水侵蚀、冻融剥蚀和水流冲蚀等作用。

　　因此，设法保证其耐久性能，往往比保证其强度具有更重要的意义。特别是大型水利水电工程都存在着高水头、大流速的特点，使得冲蚀破坏成为水工建筑物的主要病害之一。为此，要求水工混凝土材料必须具有高的抗气蚀和抗冲蚀磨损性能。目前对水工混凝土材料抗冲蚀磨损的研究主要针对不同材料成分及外界条件的影响，并取得了进展+6.而对高速含沙水流状态下，水工混凝土材料磨损破坏的微观失效机制及其规律的研究还不够深入。本文选用55kW的3GQ-2/70型高压清洗水射流装置作为水工混凝土的冲蚀磨损设备，探讨了小角度条件下混凝土材料的冲蚀磨损性能。

　　射流装置的磨料水射流系统示意图，其射流压力小于和30MPa，对应的射流流速分别为44m/s 70MPa，连续可调，射流速度由压力控制。射流压力140m/s 197m/s和243m/s冲击角度为分别选用1MPa 20MPaW，试验时间为10min.选用外形不规则的701石榴基金项目：国家自然科学基金资助（59809002）。

　　石作为磨料（沙粒粒径d5约为Q212mm），其莫氏硬量分数），足可覆盖实际工程中泄洪排沙浑水的大度为7.5，密度为3.扣4.3g/cm3，射流中的沙粒含量含沙量。选用C30普通混凝土和C30含钢纤维混凝由调节开关控制，分别为51015和20（质土，其试样的配方及强度见表1，按混凝土标准配制及养护方法制作成尺寸为7cm< 7cm的冲蚀磨损试验用试样。用分析天平称量测定混凝土试样的磨损质量损失。用X->50型扫描电子显微镜观察试样冲蚀磨损表面形貌。

　　2结果与讨论示出了沙粒质量分数对混凝土试样冲蚀磨损质量损失的影响。可以看出：在不同的射流速度下，量分数的提高而呈线性加；当水流中的沙粒质量分数逐渐大并超过15时，混凝土试样的冲蚀磨损质量损失的加趋缓。

　　示出了混凝土试样冲蚀磨损质量损失随射流速度变化的关系曲线。可以看出，混凝土试样的冲蚀磨损质量损失随着流速的加而迅速大。回归分析结果表明，冲蚀磨损质量损失大致随流速的20~2. 2次方而加，可见流速是影响水工混凝土冲蚀磨损质量损失的关键因素。普通混凝土试样及含钢纤维的混凝土试样的冲蚀磨损质量损失随沙粒质量分数2种混凝土材料的冲蚀磨损质量损失均随着沙msl4冲击速度的r不同呈现大致相同的变化趋势，即冲蚀磨损质量损失随沙粒质量分数基本呈线性关系加，随流速的变化大致呈2.化22次方关系加。但在不同的沙粒质量分数和冲击速度条件下，含钢纤维的混凝土材料与普通混凝土材料相比，其冲蚀磨损质量损失均较低。这表明在低角度冲击条件下，钢纤维在混凝土材料中起到了明显的强作用，可提高其冲击耐久性能。

　　混凝土是一种非均质、多组分和多缺陷的脆性复合材料，其耐磨性能主要取决于粗骨料和水泥石基体两者的含量及其耐磨性，材料中的缺陷对磨损性能有较大的影响。对于多组分复合材料，因其各组分的耐磨性能存在差异，因而往往会发生选择性磨损。

　　混凝土中的粗骨料与水泥石基体相比，属硬质耐磨相，且一般作为不变量。正因为如此，对混凝土材料的改性主要通过改性水泥石基体来实现。换言之，当粗骨料的品种和配比确定时，混凝土材料的耐磨性能主要取决于其中的水泥石基体的耐磨性，即可以将水泥石基体的耐磨性能视作混凝土材料的耐磨性能。

　　在分析冲蚀问题时，应注意到冲击时的动力学特性，因为此时磨损功的来源是磨料的动能，而磨料的动能取决于磨料的运动参数和其本身的特性。磨料颗粒的运动速度对冲蚀磨损性能的影响大，呈平方关系；其次颗粒质量的影响亦不可忽视。图（2和3）的冲蚀磨损试验结果表明：混凝土材料的冲蚀磨损质量损失与磨料颗粒的动能呈较好的相关性，说明入射颗粒的动能是影响混凝土材料冲蚀磨损的重要因素。

　　然而，如所示，冲蚀磨损质量损失的大随着沙粒数量的多而趋缓。这是因为，随着射流中的沙粒数量逐渐多，并不是所有的沙粒都对混凝土表面产生冲刷作用，部分沙粒之间可能发生相互冲刷与碰撞，进而消耗部分动能，结果使得被冲蚀试样的冲蚀磨损质量损失的加趋缓。

　　在高速水射流冲击下，磨料对混凝土表面的冲击可分解为垂直方向的冲击和水平方向的冲击。本试验采用低角度（15冲击，水平作用分量较大，故可认为磨损主要取决于沙粒作用于混凝土表面的水平作用力，即剪切应力。的含纤维混凝土材料冲击磨损表面形貌亦可看出，钢纤维阻挡了裂纹的延伸，使得裂纹只能在钢纤维的一侧扩展、交叉并终形成微断裂，在钢纤维的一侧则留下因颗粒脱落而形成的孔洞。

　　3结论在低角度（15冲击条件下，2种混凝土试样的冲蚀磨损质量损失均随着沙粒质量分数以及射流速度的大而大，随含沙量基本呈线性关系加，随射流速度大致呈20~22次方关系加。

　　冲击角度较低时，混凝土材料的冲蚀磨损机制主要表现为硬质磨粒沿水平速度方向的切削作用和沿垂直方向的冲击导致表面脆性断裂。

　　在含沙高速水射流作用下，混凝土发生严重的冲蚀磨损，而钢纤维可明显改善混凝土材料的小角度冲蚀破磨损性能。