溢洪道抗沖耐磨混凝土拌和系統(tǒng)優(yōu)化研究

莊子健 ZHUANG Zi-jian

（中國(guó)葛洲壩集團(tuán)路橋工程有限公司，宜昌 443000）

0 引言

溢洪道是水利工程中重要的水能調(diào)節(jié)和安全控制設(shè)施之一，承擔(dān)著調(diào)節(jié)洪水、保護(hù)工程安全的重要任務(wù)。在溢洪道中，由于洪水的沖擊和摩擦作用，混凝土結(jié)構(gòu)容易受到嚴(yán)重的沖擊力和磨損，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損壞和壽命的縮短。因此，提高溢洪道混凝土的抗沖耐磨性能，對(duì)于保障工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于溢洪道混凝土的抗沖耐磨性能研究已經(jīng)取得了一定的成果，但仍存在一些問(wèn)題。首先，由于不同地區(qū)的水文地質(zhì)條件和工程要求的差異，混凝土拌和系統(tǒng)的優(yōu)化策略仍然需要進(jìn)一步研究和探索。其次，現(xiàn)有的抗沖耐磨性能測(cè)試方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)存在一定的局限性，需要進(jìn)一步完善和改進(jìn)。此外，目前大部分研究集中在抗沖性能或耐磨性能的研究上，對(duì)于二者之間的關(guān)系和影響因素的研究較少。

1 溢洪道抗沖耐磨混凝土抗沖耐磨性能分析

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

選擇適用于抗沖耐磨性能測(cè)試的材料和試驗(yàn)方法。常用的材料包括水泥、骨料、粉煤灰等，試驗(yàn)方法包括沖擊試驗(yàn)和摩擦試驗(yàn)等。表1 是水泥、骨料和粉煤灰的一些常見(jiàn)指標(biāo)數(shù)據(jù)。

表1 水泥、骨料和粉煤灰的數(shù)據(jù)指標(biāo)

1.2 抗沖性能測(cè)試與分析

通過(guò)沖擊試驗(yàn)，模擬溢洪道中洪水的沖擊力，測(cè)定混凝土在不同沖擊載荷下的抗沖性能。可以通過(guò)測(cè)量沖擊載荷下混凝土的變形、破壞形態(tài)等指標(biāo)來(lái)評(píng)估抗沖性能。

首先，根據(jù)實(shí)際需求和試驗(yàn)要求，確定試樣的尺寸和數(shù)量，見(jiàn)表2。通常情況下，試樣為長(zhǎng)方體或圓柱體形狀。然后，準(zhǔn)備混凝土材料，并按照設(shè)計(jì)配合比進(jìn)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；高強(qiáng)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；超高強(qiáng)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。將拌和好的混凝土倒入模具中，進(jìn)行振實(shí)和養(yǎng)護(hù)，使其達(dá)到所需強(qiáng)度。待混凝土完全凝固后，取出試樣并進(jìn)行表面處理。

表2 試樣尺寸和數(shù)量

將制備好的試樣放置在沖擊試驗(yàn)設(shè)備上，調(diào)整設(shè)備參數(shù)，如沖擊能量和沖擊速度等。然后，通過(guò)設(shè)備的沖擊裝置對(duì)試樣施加沖擊載荷，模擬溢洪道中洪水的沖擊力。在試驗(yàn)過(guò)程中，記錄沖擊載荷的大小和沖擊時(shí)間。同時(shí)，使用傳感器或測(cè)量?jī)x器測(cè)量試樣的變形情況，并注意觀察試樣的破壞形態(tài)。

根據(jù)試驗(yàn)中記錄的沖擊載荷和沖擊時(shí)間，可以得到混凝土在不同沖擊載荷下的抗沖性能數(shù)據(jù)（第三章分析）。同時(shí)，根據(jù)測(cè)量的試樣變形情況和破壞形態(tài)，可以進(jìn)一步分析混凝土的抗沖性能。常見(jiàn)的分析指標(biāo)包括試樣的最大位移、應(yīng)變、破壞形態(tài)等。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和比較，可以評(píng)估混凝土在不同沖擊載荷下的抗沖性能，并進(jìn)一步優(yōu)化材料配比和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高混凝土的抗沖耐磨性能。

1.3 耐磨性能測(cè)試與分析

在耐磨性能測(cè)試中，首先需要制備符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的試樣。根據(jù)具體要求，可以制備不同形狀和尺寸的試樣，如圓盤(pán)、矩形板等。然后，根據(jù)材料特性和測(cè)試要求，對(duì)試樣進(jìn)行必要的預(yù)處理，包括表面處理、養(yǎng)護(hù)等。確保試樣的表面光滑且無(wú)明顯缺陷。

常見(jiàn)的耐磨性能測(cè)試方法包括磨損試驗(yàn)、摩擦試驗(yàn)等。其中，磨損試驗(yàn)可以采用旋轉(zhuǎn)磨損試驗(yàn)機(jī)、滑動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)等設(shè)備進(jìn)行。在試驗(yàn)中，試樣與摩擦劑或磨損介質(zhì)接觸，通過(guò)施加一定的載荷和循環(huán)運(yùn)動(dòng)，模擬實(shí)際工況下的磨損情況。在試驗(yàn)過(guò)程中，記錄試樣的磨損質(zhì)量損失、摩擦系數(shù)等指標(biāo)。

通過(guò)耐磨性能測(cè)試獲得的數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和評(píng)估。常見(jiàn)的分析指標(biāo)包括磨損速率、磨損模式、摩擦系數(shù)等。磨損速率可以通過(guò)計(jì)算試樣質(zhì)量損失量與試驗(yàn)時(shí)間的比值得到。磨損模式可以通過(guò)觀察試樣的磨損表面和磨損形態(tài)來(lái)判斷。摩擦系數(shù)可以通過(guò)測(cè)量試樣與摩擦劑之間的摩擦力和垂直載荷的比值得到。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析和對(duì)比，可以評(píng)估材料的耐磨性能，優(yōu)化材料配比和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高材料的抗磨損能力。

2 溢洪道抗沖耐磨混凝土拌和系統(tǒng)的優(yōu)化方法

2.1 混凝土拌和系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)

系統(tǒng)規(guī)模為月高峰澆筑強(qiáng)度5.0 萬(wàn)m3混凝土。預(yù)冷混凝土生產(chǎn)強(qiáng)度為160m3/h，出機(jī)口溫度16℃。

以高峰月強(qiáng)度計(jì)算拌和廠的小時(shí)生產(chǎn)能力Qh：

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

式中：Qh——小時(shí)生產(chǎn)能力，m3/h；

Kh——小時(shí)不均衡系數(shù)，可取1.5；

Qm——混凝土的高峰月澆筑強(qiáng)度。

由于標(biāo)書(shū)明確預(yù)冷混凝土生產(chǎn)強(qiáng)度為160m3/h，大于按高峰月計(jì)算強(qiáng)度150m3/h。故而拌和樓的生產(chǎn)能力按生產(chǎn)預(yù)冷混凝土的能力選取。選取兩座HL115-3F1500 的拌和樓，最大小時(shí)生產(chǎn)能力230m3/h，制冷混凝土生產(chǎn)能力160m3/h。

2.2 材料配比優(yōu)化

2.2.1 骨料上拌和樓能力計(jì)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——攪拌樓要求的粗骨料、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——系數(shù)，粗骨料供料取1.7（骨料預(yù)冷時(shí)間比較長(zhǎng)），細(xì)骨料供料取1.5；

Qh——拌和樓的混凝土生產(chǎn)強(qiáng)度，HL115-3F1500 拌和樓銘牌產(chǎn)量m3/h；

Q——擬選用的帶式輸送機(jī)的輸送能力，t/h。

2.2.2 水泥、粉煤灰上拌和樓能力計(jì)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——攪拌樓要求的水泥、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——系數(shù)，水泥、粉煤灰均取2.0；

Qh——攪拌樓的砼生產(chǎn)強(qiáng)度，m3/h；

Q水泥、Q粉煤灰——擬選用的水泥、粉煤灰輸送裝置的輸送能力，t/h。

2.3 摻加添加劑的優(yōu)化

根據(jù)高峰期每月5 萬(wàn)m3的混凝土澆筑需求，按照每方混凝土使用180kg 膠凝材料和外加劑按膠凝材料的0.7%計(jì)算，外加劑儲(chǔ)備量按照高峰期半個(gè)月的量進(jìn)行配置，堆料的堆積密度為500kg/m3，需要約100m2的堆料面積。

外加劑配液池和成品池的計(jì)算如下：

外加劑配液池：上層設(shè)置2 個(gè)配液池，每個(gè)配液池尺寸為4×3.0m，高2.5m，根據(jù)房間結(jié)構(gòu)布置和攪拌器的大小規(guī)格確定。

外加劑成品池：下層設(shè)置4 個(gè)成品儲(chǔ)液池，每個(gè)儲(chǔ)液池尺寸為6×4m，液面高2.0m，單個(gè)儲(chǔ)液池的凈容積為6×4×2.5m=60m3，共計(jì)240m3的容量。

外加劑配液濃度計(jì)算：按照20%的濃度計(jì)算，高峰期每天需要的外加劑量為5 萬(wàn)m3/月/25 天×1 天×2×0.7%/20%=120m3。

4 個(gè)配液池的容量完全足夠滿足高峰期2 天的外加劑使用量。

2.4 拌和工藝優(yōu)化

根據(jù)所需流程計(jì)算儲(chǔ)量的需要，選擇了4 臺(tái)1500t 的水泥罐，總儲(chǔ)量為6000t，以及2 個(gè)1500t 的煤灰罐，實(shí)際總儲(chǔ)量為2000t。水泥罐和煤灰罐的罐體直徑為10m，總罐高為26.7m，其中罐體部分高為14m，各罐體中心距離為11.0m。

膠凝材料罐的基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土圈梁和立柱，罐體為1500t 的利浦筒倉(cāng)。在倉(cāng)底安裝了一臺(tái)LD-6.0 氣力輸送泵，通過(guò)氣力和無(wú)縫鋼管輸送至拌和樓的膠凝材料罐。為了分開(kāi)水泥和粉煤灰的輸送管路，設(shè)置了散裝水泥運(yùn)輸車卸載站，并配備壓縮空氣專用供氣系統(tǒng)和帶有快速接頭的輸送管。

混凝土拌和系統(tǒng)中水泥和粉煤灰的輸送采用氣力輸送，具有輸送量大、操作簡(jiǎn)便、布置不受地形影響、有利于環(huán)境保護(hù)等特點(diǎn)。為了避免水泥和粉煤灰受潮結(jié)塊并防止氣動(dòng)元器件銹蝕，需要使用干燥而純凈的壓縮空氣，并設(shè)置過(guò)濾式空氣過(guò)濾器。壓力露點(diǎn)要求為1.3℃，輸送壓力不超過(guò)0.45MPa，水泥的輸送濃度要求大于35，粉煤灰的輸送濃度要求大于25。

對(duì)于高壓、大風(fēng)量、高濃度的氣力輸送系統(tǒng)，合理設(shè)計(jì)除塵設(shè)備至關(guān)重要，確保排出的氣體符合環(huán)保要求。因此，可以選擇脈沖袋式收塵器作為除塵設(shè)備，以滿足環(huán)保要求的除塵效果。未明確膠凝材料是散裝還是袋裝，考慮到不同情況下物料的需求，可以設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)30m、寬18m 的拆包間，以滿足不同形式的膠凝材料需求。

3 拌和系統(tǒng)優(yōu)化后的混凝土性能評(píng)估

3.1 抗沖性能評(píng)估

混凝土抗沖性能評(píng)估的拋物線曲線如圖1 所示。以下是對(duì)圖像的簡(jiǎn)要分析：

圖1 混凝土抗沖性能對(duì)比

①x 軸為沖擊載荷（單位：kN），y 軸為試樣的變形情況（單位：mm）。隨著沖擊載荷的增加，試樣的變形情況也隨之增加。

②拋物線形式的曲線顯示了沖擊載荷與試樣變形之間的非線性關(guān)系。試樣的變形隨著沖擊載荷的增加而加速增加，這符合抗沖性能的特性。這種非線性關(guān)系反映了混凝土在受到?jīng)_擊時(shí)的變形和破壞行為。

③曲線在x 軸原點(diǎn)處截距為零，這意味著在沖擊載荷為零時(shí)，試樣沒(méi)有變形。這是合理的，因?yàn)闆](méi)有沖擊載荷時(shí)試樣不會(huì)受到任何影響。

④隨著沖擊載荷的增加，曲線上升速度增加，表明試樣的抗沖性能逐漸減弱。這是符合預(yù)期的，因?yàn)檩^大的沖擊載荷會(huì)導(dǎo)致試樣更大的變形，直至破壞。

⑤曲線在上升階段開(kāi)始變得趨于平緩，表示試樣的抗沖性能隨著沖擊載荷增加而逐漸飽和。在某一沖擊載荷值后，試樣的變形增加較為緩慢，表明試樣的抗沖性能已接近極限。

3.2 耐磨性能評(píng)估

耐磨性能評(píng)估數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 耐磨性能評(píng)估表

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，可以對(duì)混凝土的耐磨性能進(jìn)行分析和評(píng)估。以下是對(duì)上述數(shù)據(jù)的分析和一些可能的優(yōu)化措施：觀察數(shù)據(jù)表格可以發(fā)現(xiàn)，隨著負(fù)荷的增加，磨損量也呈增加的趨勢(shì)。這表明混凝土的耐磨性能受到負(fù)荷的影響，負(fù)荷越大，磨損量也越大。

優(yōu)化措施1：材料選擇和配比優(yōu)化?？梢酝ㄟ^(guò)選擇更硬、更耐磨的材料或者調(diào)整混凝土的配比來(lái)提高耐磨性能。例如，使用耐磨性能較好的骨料和摻入適量的添加劑來(lái)改善材料的耐磨性能。

優(yōu)化措施2：加入耐磨劑或涂層?？梢栽诨炷帘砻嫣砑幽湍┗蛘咄繉觼?lái)提高其耐磨性能。這些耐磨劑或涂層可以增加混凝土表面的硬度和耐磨性，減少磨損量。

優(yōu)化措施3：改善混凝土的密實(shí)性和表面質(zhì)量。通過(guò)優(yōu)化混凝土的施工工藝和加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)管理，可以提高混凝土的密實(shí)性和表面質(zhì)量，從而增加其耐磨性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)溢洪道抗沖耐磨混凝土拌和系統(tǒng)的優(yōu)化研究，得出了以下結(jié)論：

①通過(guò)合理選擇材料和優(yōu)化配比，可以顯著提高混凝土的抗沖耐磨性能。使用耐磨性能較好的骨料和添加劑，調(diào)整水灰比和砂石比例等因素，可以改善混凝土的耐磨性能，提高其抵抗沖擊載荷的能力。

②添加耐磨劑或涂層是提高混凝土耐磨性能的有效途徑。通過(guò)在混凝土表面添加耐磨劑或涂層，可以增加混凝土表面的硬度和耐磨性，從而減少磨損量，延長(zhǎng)混凝土的使用壽命。

③提高混凝土的密實(shí)性和表面質(zhì)量對(duì)抗沖耐磨性能也具有重要影響。通過(guò)優(yōu)化施工工藝和加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)管理，可以改善混凝土的密實(shí)性和表面質(zhì)量，減少孔隙率和表面缺陷，從而提高混凝土的抗沖耐磨性能。

在未來(lái)的研究中，還可以進(jìn)一步深入探討以下方面：

①通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬分析等手段，對(duì)不同材料和配比的耐磨混凝土進(jìn)行更加詳細(xì)的性能測(cè)試和評(píng)估，以獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和結(jié)論。

②研究不同耐磨劑和涂層的效果和適用范圍，探索最佳的應(yīng)用方式和工藝參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)最佳的耐磨性能提升效果。

③進(jìn)一步研究混凝土的耐磨機(jī)理和磨損規(guī)律，以深化對(duì)耐磨性能的理解，并為混凝土抗沖耐磨設(shè)計(jì)和施工提供更為科學(xué)和可靠的依據(jù)。