泥沙矿物成分对混凝土材料磨蚀的影响

摘要

中国多沙河流居多,水流中泥沙是由不同矿物成分(石英,长石,白云石等)组成,含沙高速水流中泥沙矿物成分对泄洪建筑物混凝土材料磨蚀有何影响令人关注。该研究在自主研发的小型循环式水洞中,对不同含沙量的泥沙矿物成分进行试验研究,以揭示泥沙矿物成分对混凝土材料磨蚀破坏影响的机理。首先在循环式水洞内配制不同矿物成分(石英、长石、白云石、云母、辉石)、不同含沙量(S=2.5,12.0,20.0 kg/m^(3))的挟沙水流,利用压力数据采集系统(YE6263)实时采集空化区和磨蚀区压力;其次,试验采用强度相同的混凝土试件,在相同粒径、不同含沙量、不同矿物成分工况下,进行历时4 h的磨蚀试验,通过试件每小时的质量损失来表征磨蚀量。试验结果表明:在中值粒径为0.150 mm,喉部流速为38.6 m/s的条件下,随着矿物含沙量(2.5~20.0 kg/m^(3))的增加,空化区压力降低,磨蚀区压力升高,压力降、升幅度随矿物成分而异,空化磨蚀现象严重,试件累积磨蚀量与矿物含沙量呈线性相关。含沙量相同时,空化区测点压力随矿物摩氏(Mohs)硬度(2.5~7.0)的增大而降低,磨蚀区测点压力则随矿物硬度的增大而升高;混凝土试件配合比、龄期不变时,混凝土试件的磨蚀程度随矿物含沙量的增加而加剧,其磨蚀量增加一倍多,与矿物成分有关;当矿物硬度增加时,磨蚀程度也随之加剧,磨蚀量成倍增长。由此得出,泥沙矿物成分随其含沙量的增加和硬度的增大,对水流空化和混凝土磨蚀具有促进作用。该研究可为农业水利工程中泄洪建筑物(溢洪道、泄洪洞、消力池等)及渠系建筑物的设计和维护提供参考。