高速水流下水工混凝土空蚀破坏的热学作用研究

With the improvement of dam construction technology lever and deep usage of water power resources, high dam constructions get rapid development. There are some major technical problems in the course of construction, such as flood discharge, energy dissipation and anti-erosion. Basing on the strength action mechanism, high strength concrete for anti-cavitation is adopt refer to traditional design, but this measure cannot solve the problem fundamentally. This paper focus on cavitation corrosion in hydraulic concrete under high velocity water flow, through studying the process of cavitation bubbles, the temperature in energy transfer and the action mechanism of continuously cavitating under different velocity water flow, the importance of thermal action mechanism is discussed during the course of cavitating. Then the action mechanism on cavitation can be studied from another angle. At the same time, contrast tests are carried out to assess the restriction of cavitating in energy transfer on different materials, such as high strength, soft or refractory material, and the relationship of thermal action mechanism and strength action mechanism in the process of cavitating in hydraulic concrete is discussed. In the end, the way to deal with cavitation in hydraulic concrete under high velocity water flow will be provided.

随着坝工技术水平的提高和水力资源的深入开发利用，高坝建设发展迅速，其泄量大、流速高时的泄洪消能和防冲保护问题是目前建设中主要技术难题。传统设计以力学破坏机理为基础，采用高强混凝土未从根本上解决水工抗空蚀问题。本研究针对目前高速水流下水工混凝土材料的空蚀破坏，通过考察空蚀过程空化气泡产生的过程和能量转换温度以及不同高流速条件下，连续空化过程的作用机理，探讨热学作用在混凝土空蚀破坏中的重要性，尝试从另一角度研究高速水流下水工混凝土的空蚀作用机理；同时通过评估空蚀过程空化气泡能量转换中不同材料（高强、柔性和耐火）的限制作用，剖析目前水工混凝土建筑物空蚀破坏中力学作用和热学作用关系，为高速水流下水工混凝土材料的防空蚀技术提供对策依据。

随着我国高坝和大型泄水建筑物的发展，空蚀逐渐成为高水头水工建筑物混凝土结构破坏的主因之一。目前，国内外学界对于水工建筑物空蚀机理的研究基本着眼于力学破坏机制，而空蚀过程中产生的其他效应，尤其是热效应破坏机理研究涉及很少。本项研究以水泥基材料为研究对象，通过理论计算结合物理化学试验的手段，分析了空蚀破坏中的热效应对水泥基材料的作用机理。利用空泡动力学、实际气体状态方程和能量守恒定律的应用进行数值计算，得到在不同初生环境下所形成空泡的溃灭时间，以及空泡溃灭过程中产生的最高温升与溃灭半径的关系，即空泡内能可以给泡内带来最大温升为1800~1900℃左右；同时在理想状态下，自由场中单一空泡能够给水泥净浆壁面形成的理论最大温升不大于1200℃。通过空蚀试件表面样品组分变化研究了空蚀热效应对水泥水化产物的劣化作用，具体表现为：空泡溃灭过程产生的内能在经历过空化池介质液体热输运损耗后，传递到固体材料壁面的温升依然对水泥水化产物中的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶和氢氧化钙(CH)具有不同程度的热分解作用，而水化产物脱水引起的水泥浆体水化产物的劣化和微观形貌的改变是水泥基材料劣化的根源。试验证实，在经历一定频率下超声波空蚀试验2h后，水泥浆体中受热脱水分解的C-S-H就占到总量的20%左右，而CH晶体的损失量则超过25%。通过空蚀破坏后和不同程度温升下试件表面水泥水化产物的破坏情况对比，表明试验条件下空蚀过程中空泡溃灭产生的温升能够对水泥水化产物中的C-S-H凝胶和CH晶体形成脱水热解作用，但还不足以对CaCO3产生类似的热分解，故在试验条件下，空蚀热效应实际上对混凝土表面温升最高不超过CaCO3的起始分解温度，即650℃，最低不小于CH的起始分解温度，即300℃。综上，本研究阐述了空蚀对水泥基材料表面破坏过程中的热学作用，为高速水流下水工混凝土材料的空蚀防护技术提供了新思路。