Abrasion test of flexible protective materials on hydraulic structures

In this study, several kinds of flexible protective materials sprayed with polyurea elastomers （hereinafter referred to as polyurea elastomer protective material） were adopted to meet the abrasion resistance requirement of hydraulic structures, and their abrasion resistances against the water flow with suspended load or bed load were studied systematically through tests. Natural basalt stones were adopted as the abrasive for simulation of the abrasion effect of the water flow with bed load, and test results indicate that the basalt stone is suitable for use in the abrasion resistance test of the flexible protective material. The wear process of the polyurea elastomer protective material is stable, and the wear loss is linear with the time of abrasion. If the wear thickness is regarded as the abrasion resistance evaluation factor, the abrasion resistance of the 351 pure polyurea is about twice those of pure polyurea with a high level of hardness and aliphatic polyurea, and over five times that of high-performance abrasion-resistant concrete under the abrasion of the water flow with suspended load. It is also about 50 times that of high-performance abrasion-resistant concrete under the abrasion of the water flow with bed load. Overall, the abrasion resistance of pure polyurea presented a decreasing trend with increasing hardness. Pure polyurea with a Shore hardness of D30 has the best abrasion resistance, which is 60 to 70 times that of high-performance abrasion-resistant concrete under the abrasion of the water flow with bed load, and has been recommended, among the five kinds of pure polyurea materials with different hardness, in anti-abrasion protection of hydraulic structures.

抗裂剂对干热环境抗冲磨混凝土性能影响研究

结合我国西南某流域干热河谷地区某大型水电工程,深入开展了高效抗裂剂对水工混凝土力学性能、变形性能和抗冲磨性能的演化规律研究。结果表明,掺加高效抗裂剂的水工混凝土,其自生体积变形和抗冲磨强度较基准组有所增加,增加量与高效抗裂剂的掺量呈正相关;单位面积上的总开裂面积、干缩率较基准组有所减少,减少量与高效抗裂剂的掺量呈正相关。从孔结构分析角度阐释了抗冲磨性能提升的细观机理。综上,高效抗裂剂对水工混凝土的抗冲磨性能有较好的改善作用。

玄武岩纤维对混凝土力学性能影响试验研究

为解决普通水工混凝土力学性能不足的问题,采用单丝长度12 mm的玄武岩纤维为原料,研究了玄武岩纤维掺量对混凝土抗压、抗拉、抗渗及抗冲磨4个性能的影响,并分析其影响机理。结果表明,随着玄武岩纤维掺量的增加,混凝土抗压强度一定程度降低,劈裂抗拉强度先减小后增加,体积掺量为0.3%时劈裂抗拉强度可提高3%。混凝土中掺入0.1%、0.2%的玄武岩纤维,抗渗性能分别提高14%、29%。在常规混凝土中掺入玄武岩纤维后会显著降低抗冲磨强度。研究成果可为不同应用场景下水工混凝土的配合比优化设计提供参考和借鉴。

抗冲磨超高性能混凝土在水工建筑物过流部位的应用研究

水工建筑物过流面受含砂水流的冲刷磨蚀,常规水工抗冲磨混凝土使用寿命较短,结构修补频繁。通过水下钢球法试验和工程现场洪水冲刷检验,结果表明,常温养护条件下,C130超高性能混凝土的抗冲磨性能约为常规掺聚丙烯纤维C30水工抗冲磨混凝土的8倍。采用抗冲磨超高性能混凝土作为水工建筑物过流面的结构功能层,有助于延长水工结构使用寿命,减少修补频次,保障运行安全,降低全寿命周期成本。

不同纤维对水工混凝土抗冲耐磨性能影响研究

将一定量的纤维掺入混凝土中,能够起到良好的抗冲耐磨改善和收缩裂缝抑制作用。文章通过抗冲耐磨试验(水下钢球法)和抗冲击试验(落锤法),全面探讨了不同合成纤维、天然有机纤维、无机和金属纤维对抗冲磨性能的影响作用。结果表明,纤维种类不同所产生的影响也不同,这主要取决于纤维的弹性模量,掺入弹性模量较高的纤维能够更明显地提升抗冲耐磨特性,有效阻止裂缝的扩展,而掺入较低弹性模量纤维的提升幅度较小,对于抵抗冲击磨损的作用效果相对较弱。

水工混凝土冲磨破坏机理及影响因素分析

水工建筑物常年在复杂的环境中运行,破坏程度也是千差万别,结合我国水工建筑物的运行现状,从混凝土的冲磨破坏机理出发,通过内外因素综合分析了对混凝土的冲磨破坏程度。最后,总结了对混凝土抗冲磨性能评价的不同试验方法,对后续混凝土抗冲磨性能研究提供研究思路。

Numerical Simulation and Analysis of Solid-liquid Two-phase Flow in Centrifugal Pump

The flow with solid-liquid two-phase media inside centrifugal pumps is very complicated and the relevant method for the hydraulic design is still immature so far. There exist two main problems in the operation of the two-phase flow pumps, i.e., low overall efficiency and severe abrasion. In this study, the three-dimensional, steady, incompressible, and turbulent solid-liquid two-phase flows in a low-specific-speed centrifugal pump are numerically simulated and analyzed by using a computational fluid dynamics （CFD） code based on the mixture model of the two-phase flow and the RNG k-~ two-equation turbulence model, in which the influences of rotation and curvature are fully taken into account. The coupling between impeller and volute is implemented by means of the frozen rotor method. The simulation results predicted indicate that the solid phase properties in two-phase flow, especially the concentration, the particle diameter and the density, have strong effects on the hydraulic performance of the pump. Both the pump head and the efficiency are reduced with increasing particle diameter or concentration. However, the effect of particle density on the performance is relatively minor. An obvious jet-wake flow structure is presented near the volute tongue and becomes more remarkable with increasing solid phase concentration. The suction side of the blade is subject to much more severe abrasion than the pressure side. The obtained results preliminarily reveal the characteristics of solid-liquid two-phase flow in the centrifugal pump, and are helpful for improvement and empirical correction in the hydraulic design of centrifugal pumps.

中国水工结构抗冲磨防空蚀涂料的研究及应用现状

总结了影响水电工程冲磨损坏的影响因素和水电工程结构抗冲磨防空蚀的材料种类,重点介绍了抗冲磨防空蚀涂料的耐磨性能试验方法及其影响因素、抗冲磨防空蚀涂料的种类及其应用情况,陈述了环氧耐磨涂料、聚脲耐磨涂料和耐磨混凝土的性能差异和性价比。结果表明:影响水工结构冲磨损坏的因素主要为水的冲磨角度、水的流速、悬移质颗粒大小和悬移质的含量等;用于水工结构的抗冲耐磨涂料主要为环氧树脂涂料和聚脲类涂料;影响涂料本身耐磨性能的因素为树脂的弹性和硬度、填料的种类、微米级填料的硬度和含量等;抗冲耐磨涂料主要用于水电工程排沙洞、泄洪洞和溢流面等。

水工混凝土抗冲磨性能提升技术的研究进展

随着我国水利工程的大力建设,已修建和新建的高水头、高泄洪量、高流速的水利工程越来越多,对水工混凝土的抗冲磨性能等耐久性提出了更高的挑战和要求。总结了胶凝材料、粗细骨料、纤维、表面防护技术等对水工混凝土抗冲磨性能的影响机制,并展望了水工混凝土抗冲磨性能提升的发展方向,为高效能、低成本抗冲磨性能提升技术的研发提供依据。

不同体积掺量纤维混凝土抗磨蚀与抗冲击性能研究

水工混凝土表面的破坏主要是由于磨损侵蚀和水的冲击,本研究旨在开发适用于水工结构的纤维混凝土。试验时,在混凝土中分别加入碳纤维、玻璃纤维和钢纤维制备试件并研制了3种新型流动磨损试验装置,用于模拟纤维混凝土在现场发生的磨损侵蚀试验。结果表明,当纤维体积掺量为1.0%时,钢纤维混凝土的抗磨蚀性能优于碳纤维混凝土和玻璃纤维混凝土。水下磨损试验发现,碳纤维混凝土和玻璃纤维混凝土的抗磨蚀性能非常相似,钢纤维混凝土的耐磨性能最好,其平均磨损量比其他两种纤维混凝土低20%。裂缝冲击试验还发现,对于纤维体积掺量为1.0%的混凝土,玻璃纤维混凝土的抗冲击性能最好,其次是碳纤维混凝土,钢纤维混凝土最差。

不同骨料对抗冲耐磨混凝土性能的影响

研究了天然花岗片麻岩、灰岩、花岗岩和玄武岩人工骨料对抗冲耐磨混凝土力学性能、抗冲磨性能和抗裂性能的影响。结果表明:花岗片麻岩天然骨料混凝土的强度和极限拉伸值较低,混凝土抗裂性和抗冲磨性较差,不适于用于抗冲耐磨混凝土;人工骨料中玄武岩骨料抗冲耐磨性能最好,但极限拉伸值较低,弹性模量较高,抗裂性较差;花岗岩人工骨料混凝土的极限拉伸值较高,抗裂性较好,抗冲磨强度仅次于玄武岩人工骨料混凝土;掺加人工合成纤维可以提高混凝土的抗冲耐磨性能,并可以极大改善混凝土的抗裂性能。采用高强度的人工骨料并掺加人工合成纤维是提高水工抗冲耐磨混凝土性能的重要技术途径。

水力机械中冲蚀磨损规律及抗磨措施研究进展

工作在固液两相流条件下的水力机械普遍存在破坏程度不一的冲蚀磨损作用 ,给工程实践和经济效益带来严重的阻碍和巨大的损失。本文主要介绍多年来相关研究人员致力于水力机械内冲蚀磨损规律及抗磨措施的研究进展 ,前者包括两相流流场中过流部件的冲蚀磨损规律试验研究、数值模拟和磨损预测 ;后者涉及水力机械机组的抗磨优化设计及抗磨材料和表面抗磨处理研究。作者结合自己的研究提出了水力机械冲蚀磨损的研究发展方向和前景预测。

水工泄水建筑物抗冲磨材料发展现状

冲磨破坏对水工泄水建筑物的安全运行是一种严重的威胁。抗冲磨材料防护是解决水工泄水建筑物冲磨破坏的有效途径之一,其研究一直以来都是抗冲磨领域研究的重点。结合工程应用阐述了主要无机和有机抗冲磨材料的研究现状和优缺点。在此基础上提出无机抗冲磨材料的研究发展重点是开发高性能抗冲磨混凝土,有机抗冲磨材料研究发展的方向是提高其在复杂服役环境中的耐久性和降低应用成本。

沙粒粒径对水力机械材料磨蚀性能的影响

对于运行于多泥沙河流的水力机械而言磨蚀问题不可避免,磨蚀会造成水力机械过流部件失重、变形,带来效率下降、维护成本增加等问题。目前针对磨蚀破坏机理的研究尚不完善,该文利用旋转喷射磨蚀试验装置对4种水力机械常用材料进行5种不同沙粒粒径下的磨蚀试验,借助扫描电镜及激光共聚焦扫描电镜对试件磨蚀表面进行二维和三维形貌观察,探究沙粒粒径对水力机械材料磨蚀破坏失效行为的影响规律及作用机理。结果表明:沙粒粒径为0.043、0.147及0.248mm时,试件磨蚀累计质量损失与时间呈线性相关,而粒径为0.349与0.449mm时质量损失与时间满足Gauss函数关系;沙粒粒径会影响试件的磨蚀特征,粒径为0.043 mm时试件表面磨蚀破坏主要为沙粒的垂直冲击磨损与空蚀,无明显水平方向的切削磨损,粒径为0.147、0.248、0.349及0.449mm时试件表面的磨蚀破坏以水平方向的切削磨损和空蚀破坏联合为主,并伴有一定量的垂直冲击磨损;通过分析4种材料的磨蚀特征,发现磨蚀质量损失与粒径大小二者之间存在强相关区与弱相关区的关系。该研究可为合理控制水力机械过流粒径大小及制定抗磨措施提供参考。

两相流离心泵水力输送性能计算分析

为探索一台固液两相流离心泵的水力性能与磨损特性,基于代数滑移混合物模型(Algebraic slip mixture model,ASMM)对其内部流场进行三维不可压缩定常流动数值计算,其中转子与定子之间的动静耦合采用'冻结转子法'实现。多相位定常流动计算结果与水力试验结果的对比确定最佳的转动位置,并确认数值计算方法的准确性。预测结果表明,颗粒属性对模型泵水力性能影响的次序为固相体积分数、颗粒密度和粒径。随着颗粒直径、密度和固相体积分数的增加,预测扬程均下降;效率总体上也呈现下降趋势,但在固相体积分数为10%时输送效率最高。在靠近隔舌的叶轮出口处存在由低、中、高三种速度组合的双剪切层射流—尾流结构。总体而言,模型泵叶片吸力面的磨损程度比压力面更为严重。固相体积分数对叶片表面磨损程度的影响比较明显,颗粒密度影响较小,颗粒直径仅对吸力面磨损程度影响显著,对压力面影响不明显。

喷涂聚脲弹性体技术在尼尔基水利工程中的应用

喷涂聚脲弹性体技术是一种新型无溶剂、无污染的绿色施工技术。为了解决尼尔基水利枢纽工程混凝土蜗壳防渗及抗冲磨问题,首次大规模应用了喷涂聚脲弹性体技术。通过对聚脲弹性体材料特性、专门的喷涂设备、喷涂施工工艺及注意事项的介绍,为今后推广应用该技术提供了宝贵的经验。这种技术在解决水利水电工程中抗冲磨、抗渗及防腐蚀等方面具有广阔的应用前景。

HLC-GMS特种抗冲耐磨聚合物钢纤维砂浆的性能研究

利用丙烯酸酯共聚乳胶粉与超微细粉、超细钢纤维、高性能减水剂和特种骨料与水泥经特种工艺复合而成的HLC-GMS特种抗冲耐磨聚合物钢纤维砂浆具有高强、高抗冲磨、高黏结性能,砂浆28 d抗压强度大于100 MPa,抗折强度大于20 MPa,抗冲磨强度大于20 h(/kg/m2)(钢球法),抗拉强度大于7 MPa,是水工建筑物过流面防护和修补缺陷的新型高性能抗冲耐磨材料。

水工建筑物混凝土新型防护材料研究与应用

水工建筑物由于经常受到水压、水流冲刷、冻融或干湿循环等作用,容易出现渗漏、老化、溶蚀破坏及腐蚀等问题,缩短了建筑物的服务寿命。以聚氨酯和聚脲为基体,通过聚合反应或物理添加的方式,开发出新型含氟聚氨酯和氟改性聚天冬氨酸酯聚脲两种防渗抗裂涂层材料;通过三氟氯乙烯与不同的乙烯基醚和乙烯基酯的共聚制得了绿色环保的水性氟碳树脂涂料;以聚脲和乙烯基酯树脂为基体,通过与纳米或微米级无机粒子复合的方式,研发了抗冲磨材料。上述一系列防渗抗裂、抗老化、抗冲磨新型防护涂层材料,已成功应用于丹江口大坝加高工程混凝土表面防护、三峡船闸闸墙混凝土抗冲撞等工程,经现场测试及较长时间的服役考验,效果良好。研究成果可为水工防护材料的开发和性能提升优化研究提供重要依据。

烷基咪唑、吡啶类离子液体用作润滑剂的探讨

探讨了1正丁基3甲基咪唑四氟硼酸盐、1正丁基3甲基咪唑六氟磷酸盐和N丁基吡啶四氟硼酸盐三种离子液体作为润滑剂的可能性。试验结果表明,它们具有较好的粘温性能和较低的挥发性;具有较低的摩擦系数和较好的抗磨性,加入磷酸三甲酚酯可进一步改善其抗磨性。但是,三种离子液体除对个别强极性的或含有杂环结构的添加剂溶解性能较好外,对常见的一些润滑油添加剂溶解性能较差,对金属表面有较强的腐蚀作用。

减水剂对水工混凝土性能的影响

通过试验,对掺不同品种减水剂的水工混凝土基本力学性能、热学、自身体积变形、抗冲击韧性、抗冲磨强度、抗裂性能进行了研究。结果表明,与JM-PCA减水剂相比,掺减缩型JM-PCA(IV)减水剂的强度、极限拉伸值、抗冲磨强度、抗冲击韧性、平板抗裂性均有所下降;掺X404减水剂的强度、抗冲磨强度、抗冲击韧性、平板抗裂性均有所提高。