摘 要：

为明确新浇水下不分散混凝土受水流冲刷时的起动流速，更好地指导工程施工，从流变学理论角度分析了混凝土屈服剪切应力和剪切黏度对抗冲刷性能的影响，并开展了絮凝剂掺量、单位水泥用量和砂率对剪切应力和剪切黏度的影响规律研究。絮凝剂掺量范围选择为10～18 kg/m3,水泥用量范围选择为400～490 kg/m3,砂率变化范围选择为38%～46%。试验结果表明，不分散混凝土具有触变性和假塑性，且随着絮凝剂掺量的增加，混凝土剪切应力和剪切黏度逐渐提高；随着单位水泥用量的增加，混凝土剪切应力和剪切黏度逐渐降低；随着砂率增大，混凝土剪切应力和黏度逐渐降低。对具有不同剪切强度和黏度的混凝土进行水流冲刷性能试验显示，随着剪切应力和黏度的增加，混凝土的抗水流冲刷性能进一步增强。符合标准要求的水下不分散混凝土，在表面无凸起物阻挡的情况下，室内波流水槽试验均能够承受最大0.75m/s的过流速度而不会发生冲刷现象。考虑实际工程的工况更为复杂，建议控制新浇水下不分散混凝土的过流速度不超过0.70m/s。

关键词： 絮凝剂;不分散混凝土;剪切应力;剪切黏度;起动流速;抗冲刷;

作者简介： 温永向(1979—),男，高级工程师，硕士，研究方向为混凝土材料和水泥基灌浆料。E-mail:4056495@qq.com;*周伟(1971—),男，高级工程师，学士，研究方向为水工混凝土和海工防腐蚀混凝土。E-mail:767986185@qq.com;

基金： 全军后勤科研重点项目(BY114R007);

引用：温永向, 周伟, 唐军务. 新浇水下不分散混凝土抗冲刷性能研究[J]. 水利水电技术(中英文), 2021, 52(7): 200- 211. WEN Yongxiang, ZHOU Wei, TANG Junwu. Study on anti-scouring performance of freshly poured anti-washout concrete [ J] . Water Resources and Hydropower Engineering, 2021, 52(7): 200- 211.

0 引 言

水下不分散混凝土自20世纪80年代由西德开发成功以来，已在越来越多的水利水电和海洋工程中得到应用，并取得良好的效果。和常规的水下混凝土施工技术相比，不分散混凝土从材料本身性能出发，通过添加絮凝剂提高混凝土黏聚性，进而实现水下施工时胶凝材料较少分离的目的。出于不同工程的技术需求，国内外科研人员持续对水下不分散混凝土性能进行了研究，并取得大量的成果。如刘明乐等研究了矿粉和硅灰对水下不分散混凝土性能的影响，发现掺加矿粉和硅灰能够显著改善混凝土水下力学性能和抗分散性。韦灼彬等研究了絮凝剂、高效减水剂、消泡剂、水灰比等对水下混凝土抗分散性和抗压强度等性能的影响，并给出了各因素对混凝土性能的影响规律。孙振平等研究了絮凝剂、高效减水剂、消泡剂和硅灰等对水下抗分散混凝土抗分散性和抗压强度的影响规律，并比较了两种典型的水下抗分散混凝土与普通混凝土的各项耐久性指标，发现水下抗分散混凝土的耐久性要远优于同强度等级的普通混凝土。谷立楠等研究了海水养护对掺加不同矿物掺和料的水下不分散混凝土结构与性能的影响，发现海水养护可以提高混凝土早期抗压强度，但对28 d及后期长期强度不利。BAE等研究了水灰比为0.50的水下不分散混凝土物理力学性能，发现含絮凝剂的水下混凝土能显著提高混凝土的抗压强度和抗水下离析性能，并能减少水质污染。SONEBI等研究了絮凝剂浓度、胶凝材料以及配比和絮凝剂组成对高流动性混凝土抗分散性能的影响，发现絮凝剂掺量对混凝土抗分散性能起决定作用，可以通过提高絮凝剂掺量来增加水下抗水分散的能力。

如上所述，现有不分散混凝土研究多集中于物理力学性能领域，对于新浇筑未硬化状态下的不分散混凝土表面抗水流冲刷性能的研究则鲜有报导。而在一些特殊的施工区域，如水电厂尾水冲击区、一定流速的河道以及海岸潮差水位变动区等，种种原因会导致新浇筑的不分散混凝土在未硬化前，需要承受一定速度的水流冲刷。对施工单位来说，知晓新浇水下不分散混凝土表面受到水流冲刷时所能承受的最大过流速度，有针对性地采取安全防护措施，能够降低施工风险，强化过程控制。

国内有关水流冲刷方面的试验研究更多地集中于泥沙领域,隶属于水力学和河流动力学范畴，其涉及的专业知识及相关试验设备和混凝土专业有较大差别，对混凝土从业人员来说，开展此类研究有一定的困难。但从混凝土流变学角度，研究水泥用量、絮凝剂添加量和砂率等各因素对水下不分散混凝土屈服剪切应力和黏度的影响规律，则相对简单。关联不分散混凝土流变学参数和抗冲刷性能之间的内在联系，得到可用于指导工程施工的冲刷起动流速数据，是本文探讨的核心问题所在。

国内在混凝土流变学领域的研究，主要涉及新拌普通混凝土，且已有了诸多用于指导工程施工的研究成果。例如邓熔通过构建新拌混凝土离散模型，采用流变学试验研究了混凝土在搅拌车运输过程中的匀质性变化和搅拌机理，得到了各因素对出料匀质性和效率的影响趋势，并将研究成果用于中联重科搅拌运输车实际生产中。焦登武采用屈服剪切应力和剪切黏度等流变参数，评价不同富余浆体厚度、骨料堆积状态和三元胶凝体系的混凝土工作性能，并根据混凝土组成与流变参数之间的关系，提出了基于流变特性的混凝土组成设计方法。任锦辉等研究了骨料因素对混凝土流变性的量化影响，发现通过骨料级配优化和掺量调节能够改善和控制混凝土黏度等流变性能。史劭骎等研究了流变参数经时变化和坍落度损失之间的关系，并验证了用屈服强度和黏度表征坍落度损失的准确性。

综上所述，普通混凝土流变学和泥沙冲刷领域的研究成果较为丰富，并已用于实际工程；而针对水下不分散混凝土流变性和抗冲刷性能的研究较少，关联其内在规律的研究更是难以见到，现有成果难以指导动水环境下的混凝土施工。鉴于此，本文参考泥沙冲刷和普通混凝土流变学的试验方法，从流变学角度对水下不分散混凝土剪切应力和黏度等进行研究，分析其和抗冲刷性能的内在联系，同时开展冲刷试验，以确定不分散混凝土发生冲刷时的起动流速，为工程应用提供技术支持。

1 试验原材料、仪器设备、研究方法和试验方案

1.1 原材料

水泥采用冀东水泥厂生产的盾石牌P.O42.5水泥，细度3 600 cm2/g, 标准稠度用水27%,28 d抗压强度49.6 MPa。试验用砂为天然河砂，Ⅱ区中砂，细度模数2.4,含泥量0.7%。石子为石灰岩碎石，粒径5～20 mm, 连续级配。外加剂采用UWB-II型聚糖类絮凝剂。水为试验室自来水。

1.2 主要仪器设备

混凝土制备采用HJS-60II双卧轴强制搅拌机。剪切应力和黏度测试采用LBY-2型混凝土流变仪：搅拌桶直径为150 mm, 高为180 m, 叶轮转速：0.001～1.0 rps, 要求所测混凝土坍落度不小于120 mm, 骨料最大粒径10 mm(测量时混凝土需过10 mm筛)。水下浇筑采用导管法，导管直径为190 mm。设备如图1所示。

抗冲刷试验采用50 m×1.5 m×2 m(长×宽×高)的波流试验水槽，能够模拟各种规则波和不规则波，波高范围0.02～0.05 m, 波周期0.5～5 s; 具有双向造流能力，可控制水流速度0～1.0 m/s。配备超声多普勒测速仪(ADV)两台，波高仪两台，水下地形测扫仪一台，数据采集系统一套。波流水槽系统如图2所示。

1.3 研究方法

在混凝土的流变性能研究中，大多采用宾汉姆(Bingham)模型来表征[21,22]。宾汉姆体的流变方程可以表示为

剪切屈服应力 τ 0是由组成材料体系的各种颗粒之间相互摩擦力和附着力决定，在混凝土体系中，骨料表面越粗糙，则屈服剪切应力越大。宾汉姆体的流变方程可解释混凝土的流动行为：当 τ < τ 0时，没有流动发生，只有弹性变形；当 τ ≥ τ 0时，则发生黏性流动。宾汉姆模型同样可以用来解释新浇混凝土水流冲刷现象：当特定流速的水流经过混凝土表面时，会在混凝土表层产生一定的剪切应力，当该剪切应力大于混凝土本身的屈服应力，即 τ ≥ τ 0时，表层混凝土结构的稳定性受到破坏而流动，细颗粒不断被水流带走，表层开始出现剥落或粗骨料外露等受冲刷现象。当 τ = τ 0时，水流速度恰好使混凝土表面颗粒从静止转入运动，此时的水流速度即为混凝土冲刷起动流速。当 τ < τ 0时，混凝土表层不会发生冲刷现象。剪切黏度是混凝土所有颗粒的内摩擦力总和，它和剪切应力之间存在线性对应关系。水下不分散混凝土的剪切应力和黏度受絮凝剂掺量、单位水泥用量、单位用水量以及砂率等因素影响，本文通过流变仪研究不同配比混凝土的剪切应力和黏度变化规律，明确提高屈服剪切应力的技术途径；同时利用波流水槽对混凝土进行冲刷试验，以确定不同配比混凝土的冲刷起动流速。

1.4 试验方案

通过絮凝剂、水泥和砂率的变化，研究不分散混凝土剪切应力和黏度变化规律。研究不同剪切应力和黏度的混凝土被水流冲刷后的表面状态，确定混凝土冲刷启动流速是否随剪切应力和黏度的增加而提高。选择不同影响因素试验中最低和最高剪切应力值的混凝土，进行水流冲刷试验，确定混凝土冲刷起动流速范围。整体的研究思路和方案特点如表1所列。

混凝土配合比设计时，材料用量范围和流动性均考虑实际工程的数据。试验混凝土的扩展度确定为

(500±30) mm, 这是不分散混凝土工程施工时控制的流动性数值。絮凝剂厂家推荐范围1 018 kg/m3,常用掺量12～14 kg/m3,参照上述范围选择。C25～C40不分散混凝土水泥用量一般在400～500 kg/m3,试验时水泥用量在上述范围取值。工程施工时的砂率一般在38%～46%,试验按此区间选择。

冲刷试验的混凝土尺寸选择为长×宽×厚为750 mm×500 mm×100 mm, 一是考虑了过流面积大误差会更低，同时考虑大尺寸试块的重量过大对混凝土浇筑和硬化移除操作便利性。因为水下工程大多采用导管施工，故试验浇筑时采用导管法，导管内直径为190 mm, 浇筑时水流速度统一为0.25 m/s, 水槽中的水深为600 mm, 浇筑时导管口紧贴浇筑仓底面，每次浇注量40 L。

2 试验结果与分析

2.1 混凝土流变性研究

2.1.1 絮凝剂掺量对混凝土剪切应力和黏度的影响

从理论上分析，混凝土的屈服剪切应力和黏度越大，则混凝土在外力作用下越不易发生流动，其抵抗水流冲刷的能力越强。絮凝剂的加入一方面出于水下施工的需要，另一方面也提高了混凝土体系的屈服剪切应力和剪切黏度，因此对提升混凝土的抗冲刷性能有利。

试验对不同絮凝剂掺量的混凝土流变参数进行定量分析，研究其变化规律。首先对剪切速率升降序变化带来的流变参数改变进行研究，速率行程控制为0～70 s-1逐步升高(升序),和70 s-1～0逐步降低(降序)。絮凝剂掺量变化、混凝土配比和基本性能如表2所列，不同行程的速率变化对剪切应力和剪切黏度的影响如表3所列。

表2中的水陆强度比代表了混凝土本身的抗分散性，水陆强度比越大，则混凝土在水中的抗分散性越好。从表2的数值可以看出，随着絮凝剂掺量的增加，水陆强度比随之升高，表明混凝土抗分散性进一步增强。同时，单位用水量也随着絮凝剂掺加的增加而增大，表明絮凝剂的增加提高了混凝土体系的黏度，需要增加用水量才能保证流动性不变。从表3的数值可以看出，剪切应力随剪切速率增加而增大。同一剪切速率下，速率升序(从低到高)和降序(从高到低)所测得的剪切应力和黏度数值明显不同，且升序数值大于降序数值，这一规律符合触变性特征，即不分散混凝土具备显著的触变特性(一触即变的性能)。而剪切黏度则随着剪切速率升高而变小，具有剪切变稀特征，即不分散混凝土具备假塑性(撤除外力后迅速恢复原状的性能)。从流变学对触变性和假塑性的定义分析，触变性对抗冲刷性能的提高不利，而假塑性则有利于提高抗冲刷性能。混凝土浇筑完成以后很快处于静止状态，当混凝土受到水流冲刷时，混凝土从静止状态趋向流动状态，其形态变化符合剪切速率从低到高的升序特征。因此，降序下的剪切应力和黏度对本文意义不大，后面不再进行降序数据的分析研究。为便于比较絮凝剂掺量对剪切应力和黏度的影响，进一步绘制升序下的剪切速率-剪切应力和剪切速率-剪切黏度曲线，如图3和图4所示。

表1 研究思路和方案特点

Table 1 Research ideas and scheme features

表2 不同絮凝剂用量的混凝土配合比及性能

Table 2 Concrete mix ratio and performance of different flocculant dosage

表3 不同剪切速率的屈服应力和黏度

Table 3 Yield stress and viscosity of different shear rates

表3结合图3和图4可以看出，混凝土的剪切应力和黏度随着絮凝剂掺量的增加，呈现出整体增大的趋势；但絮凝剂掺量为10～12 kg/m3时，剪切应力和黏度反而随絮凝剂掺量增加而降低。分析原因，可能是絮凝剂属于复合外加剂，其成分里同时含有减水剂组分和增稠组分；减水剂的作用是降低混凝土体系黏度从而增大流动性，增稠组分的作用正好相反，在10～12 kg/m3掺量范围内，减水剂降黏效果超过了增稠组分增黏效果，因此混凝土表现出随絮凝剂掺量的增加，拌合物体系黏度和剪切应力降低的现象。在絮凝剂掺量超过12 kg/m3以后，絮凝剂中的增稠组分起主导作用，混凝土剪切应力和黏度随着掺量的增加而增大。

2.1.2 水泥用量对混凝土屈服剪切应力和黏度的影响

单位水泥用量(本文不再对掺加粉煤灰、矿粉等掺合料代替水泥的混凝土配比进行研究)的多少是影响混凝土强度、流动性和抗分散性最重要的因素之一，也直接影响着混凝土本身的屈服剪切应力和黏度。考虑混凝土的抗分散性应满足标准要求，故在参考表2配合比的基础上，选取了工程中常采用的絮凝剂掺量13 kg/m3(水下工程施工以导管法为主，絮凝剂用量低则混凝土抗分散不足，高了黏度增加，施工效率降低，故絮凝剂实际施工时的用量一般在13 kg/m3左右，此时混凝土黏度适宜，质量也能保证),砂率40%。因为水下不分散混凝土在水下施工时无法振捣，一般设计为自流平和自密实混凝土，其水泥(胶材)用量范围普遍在400～500 kg/m3,为便于研究，本文取水泥变化范围400～490 kg/m3,以此研究剪切应力和黏度变化规律。具体配合比和性能如表4所列，剪切应力和黏度变化如表5所列。

从表4可以看出，随着水泥用量的增加，混凝土的水陆强度比增大，抗分散性进一步增强。同时从表5可以看出，随水泥用量的增加，低转速下的屈服剪切应力和黏度呈现整体下降趋势。为更好的研究水泥用量与剪切应力和剪切黏度的变化规律，绘制不同水泥用量下的剪切速率-剪切黏度和剪切速率-剪切应力图，如图5和图6所示。

表4 不同水泥用量的混凝土配合比及性能

Table 4 Mixture ratio and performance of concrete with different cement content

表5 不同水泥用量的屈服应力和黏度

Table 5 Yield stress and viscosity of different cement dosages

表5结合图3和图4可以看出，随着单位水泥用量的增加，剪切速率在22/s以下时，剪切应力和黏度呈现出逐渐降低的整体变化趋势。剪切速率超过22/s后，水泥用量490 kg/m3的剪切应力和黏度超过460 kg/m3,但仍低于400 kg/m3和430 kg/m3的剪切应力和黏度值。但最低时的剪切应力曲线和剪切黏度曲线均位于最上面，即同剪切速率下的应力值和黏度值最大。这和普通混凝土随水泥用量增加体系黏度升高的常理相违背。分析可能原因为：一是絮凝剂对混凝土剪切应力和黏度的影响要远高于水泥用量，在影响混凝土黏度的各种因素中，絮凝剂起了主导作用，并覆盖了水泥用量的影响作用；二是在宾汉姆模型中，影响屈服剪切应力的主要因素之一是颗粒间的摩擦力，在混凝土体系中，单位水泥用量的增加意味着单位浆体体积增加和单位骨料用量的相应减少，骨料之间的摩擦力显然比水泥颗粒之间的摩擦力要大得多，可能导致屈服剪切应力和黏度随着水泥用量的增加而降低；三是混凝土流动时，由浆体包裹并带动骨料共同产生位移，因此水泥用量的增加使混凝土变得更易变形流动，也可能导致混凝土的屈服剪切应力和黏度随着水泥用量的增加而降低。

2.1.3 砂率对混凝土屈服剪切应力和黏度的影响

砂率是单位混凝土中砂子占整个骨料总量的比例，它是影响混凝土和易性、强度、流动性的主要因素之一，同时由于砂子和石子的摩擦力不同，因此也影响着混凝土剪切应力和黏度等流变性能。参考表2和表4配比，考虑GB/T 37990-2019标准中的检验试验配比采用的水泥用量为430 kg/m3,故水泥用量确定为430 kg/m3;絮凝剂UWB-II掺量为13 kg/m3是和前文中研究水泥变时的用量保持一致，均为工程常用掺量。砂率变化范围为38%～46%,以此研究剪切应力和黏度变化规律。具体配合比和性能如表6所列，剪切应力和黏度变化如表7所列。

从表6可以看出，随着砂率的增加，水陆强度比增大，表明砂率的增加对混凝土的抗分散性有利。表6数据则揭示了不同砂率下的剪切应力和黏度变化，为更好的分析剪切应力和黏度的变化规律，绘制了不同砂率的剪切速率-剪切应力和剪切速率-剪切黏度曲线，如图7和图8所示。

表7结合图7和图8可以看出，随着砂率的增加，剪切应力和黏度逐步降低，砂率38%的剪切应力和黏度曲线处于最上端，数值最大。分析原因，在单位骨料总量不变的情况下，随着砂率的增加，混凝土中细颗粒含量增加，同粗颗粒(石子)相比，细颗粒(砂)更容易被浆体挟裹移动，也更容易被水泥浆体相互隔离，因此颗粒相互间的摩擦力更小，表现出砂率增大屈服剪切应力和黏度降低的规律。

表6 不同砂率的混凝土配合比及性能

Table 6 Concrete mix ratio and performance of different sand ratios

表7 不同砂率的屈服应力和黏度

Table 7 Yield stress and viscosity of different sand ratios

2.2 不分散混凝土冲刷试验研究

2.2.1 冲刷试验设计

为验证剪切应力和黏度的增大是否提升不分散混凝土抗水流冲刷性能，以及不同配比混凝土的冲刷起动流速，选择了有代表性的混凝土配比进行水流冲刷试验。为更清晰的比较混凝土抗冲刷性能，在新浇混凝土中插入三个不同直径的钢质圆柱，圆柱的直径分别为10 mm、30 mm和50 mm, 高度统一为150 mm。圆柱间距大于5倍的直径，底部焊接薄钢板固定。当冲刷发生时，圆柱后会产生涡流，其对混凝土产生的冲刷作用更大，根据涡旋产生的冲坑大小，可以直观比较混凝土的抗冲刷能力。如图9所示，(a)图为新浇的混凝土，(b)图为冲刷后的混凝土(除非特殊说明，后续冲刷试验所示的图例中，水流方向均为从左向右),对比后可以直观地看出，虽然该流速未达到混凝土冲刷的起动流速，但通过圆柱部位涡流产生的冲坑大小，仍然可以看出两个试样的抗冲刷能力的强弱。

表8 冲刷试验混凝土配合比

Table 8 Concrete mix ratio of scour test

2.2.2 混凝土配比

水流冲刷试验采用的不分散混凝土配合比如表8所列，其中第1—4组选择了表2中絮凝剂用量12～18 kg/m3范围变化的配比(10 kg/m3组的7 d水陆强度比为68%,未能满足标准大于70%要求，故舍去),主要是为了验证剪切应力和黏度的提高能否带来抗冲刷性能改善，同时确定不同配比的冲刷起动流速。第5、6组选择表4中水泥用量400 kg/m3和490 kg/m3的两组配比，主要是为了确定该组最大和最小剪切应力的混凝土冲刷起动流速。第7—8组选择表6中砂率为46%和38%的两组配比，对应的剪切应力和黏度也是最小和最大，主要目的也是确定混凝土起动流速。因水流速度超过起动流速时混凝土表面的冲刷才会发生，故可通过人工观察混凝土表面状况来确定流速是否达到启动流速，并以此调整水流速度。试验开始采用固定水流速度稳定冲刷10 min, 如果混凝土表面未观察到冲刷现象，则按0.10 m/s的速率梯度调高到下一流速，直至混凝土发生表面冲刷后，以该流速一直冲刷到混凝土终凝。因调速过程可在1 h以内完成，为保证1 h以内混凝土流动性不发生较大改变，测定了不同混凝土的1 h流动性变化情况，如表7所示。由于不分散混凝土凝结时间较长，因此，1 h流动性基本无损失，能够满足抗冲刷试验室调整流速对时间的要求。

2.2.3 混凝土浇筑、冲刷及数据分析

按照表8的配合比分别制备混凝土，通过料斗和导管浇筑到水槽底板预设的凹槽中，使其自然流平。为进一步贴合工程施工环境，混凝土浇筑时水流速度控制为0.25 m/s, 采用料斗接导管的方式浇筑水下混凝土，浇筑完成后流速提高到0.5 m/s, 冲刷10 min, 若观察到混凝土表面无冲刷现象，继续提高流速至0.6 m/s, 若在提高流速过程中发现混凝土表面逐渐露出骨料，则稳定该流速进行持续冲刷直至混凝土终凝，放空水后根据混凝土表面状态比较抗冲刷性能，并确定起动流速。浇筑及冲刷如图10所示。

首先对第1—4组不同絮凝剂掺量的混凝土进行冲刷试验，根据观察到的表面冲刷状况调整水流速度，在0.6 m/s流速时发现圆柱涡流部位有冲刷发生，采用此流速进行冲刷试验，混凝土终凝后表面如图11所示。

从图11可以看出，所有组别混凝土，除了圆柱后涡流冲击区域混凝土出现较小冲坑外，其它部位未出现冲刷现象，因此可以判断，0.6 m/s的水流速度未达到所有组别混凝土的冲刷起动流速。同时通过涡流冲击区域形成的冲坑大小，可以判断出第3和4组抗冲能力>第2组>第1组，而第3组和第4组混凝土的抗冲能力强弱在0.60 m/s的流速下无法分辨。

继续对第1～4组混凝土进行冲刷试验，提高水流速度到0.70 m/s水流时，观察到圆柱前面混凝土未发生冲刷现象，进一步提高至0.75 m/s, 观察到第1组混凝土试样开始出现冲刷现象，以此流速进行冲刷试验，直至混凝土终凝。完成冲刷试验后的混凝土表面如图12所示。

通过图12可以看出，在0.75 m/s流速下，第1组混凝土表面圆柱前部位开始出现冲刷现象，表面石子处于半裸露状态，冲刷深度经测量未超过10 mm,冲刷程度较低，可认为该流速刚达到混凝土冲刷的起动流速。同时对比圆柱后涡流区域形成的冲坑大小，可以看出混凝土抗冲刷能力的强弱，为第4组>第3组>第2组>第1组，佐证了混凝土剪切应力和剪切黏度的增加有助于提高其抗冲刷性能的规律。

后继续提高水流速度至0.85 m/s进行冲刷试验，4组混凝土表面冲刷情况如图13所示。

从图13混凝土表面冲刷情况可以看出，水流速度达到0.85 m/s时，4组混凝土均开始出现冲刷现象，其中第1、第2组混凝土表面有完全裸露的石子，而第3和第4组混凝土石子则处于半裸露和略微裸露状态，可认为0.85 m/s的水流速度为第3组和第4组混凝土的起动流速，而第2组混凝土的抗冲刷能力处于第1组和第3组之间，因此可大致判断第3组混凝土起动流速在0.80 m/s左右。同时通过圆柱后涡流形成的冲坑可以判断出混凝土抗冲刷能力大小为：第4组>第3组>第2组>第1组，即当其它条件相同时，絮凝剂用量的增加，可以提高混凝土剪切应力和黏度，因而增强混凝土抗冲刷性能。

继续对第5、第6组以及第7、第8组混凝土进行抗冲刷试验，通过观察，发现采用0.6 m/s和0.7 m/s的水流速度冲刷时，混凝土表面圆柱前面的混凝土未发生冲刷现象，继续采用0.8 m/s的流速进行冲刷，混凝土表面冲刷情况如图14所示。

从图14可以看出，4组混凝土均开始出现冲刷现象，其中第5和第6组混凝土圆柱前面区域混凝土表面基本完整，石子偶有裸露，对比混凝土表面完整性以及涡流区形成的冲坑深度，第5组混凝土抗冲能力要略强于第6组，即在相同条件下，水泥用量400 kg/m3的混凝土抗冲刷性能要略好于水泥用量490 kg/m3的混凝土，符合剪切应力大的混凝土抗冲刷能力更强的规律。从第7和第8组混凝土的表面完整性以及涡流区冲刷情况判断，可以明显看出第8组强于第7组，即在相同条件下，砂率38%的混凝土抗冲刷能力要强于砂率46%的混凝土，同样符合剪切应力大的混凝土抗冲刷能力更强的规律。

综合以上冲刷试验可以判断，标准流动性(500±30 mm)的水下不分散混凝土，在混凝土表面没有类似于圆柱等凸起物阻挡时，所有组别混凝土的冲刷起动流速最小为0.75 m/s; 为安全起见，实际工程施工时，新浇混凝土表面过流速度可控制最大不超过0.70 m/s。

3 结 论

为了明确新浇不分散混凝土在动水环境下的安全过流速度，本文对不分散混凝土的剪切应力和剪切黏度变化规律进行研究，分析其对抗冲刷性能的影响，并进行不同流速下的冲刷试验，得出的主要结论如下。

(1)水下不分散混凝土的屈服剪切应力和黏度，随絮凝剂掺量的增加而增大，增大絮凝剂掺量有助于提高混凝土抗水流冲刷性能。

(2)不分散混凝土的屈服剪切应力和黏度，低剪切速率下随单位水泥用量的增加而降低，水泥用量的增加不利于提高混凝土抗冲刷性能。

(3)不分散混凝土的屈服剪切应力和黏度，随砂率的增大而降低，在综合考虑和易性的基础上，适当降低砂率有助于提高混凝土抗冲刷性能。

(4)提高混凝土剪切应力和黏度有利于增强新浇混凝土抗冲刷性能。流动性和抗分散性符合标准要求的新浇水下不分散混凝土，在表面无凸起物阻挡时能够承受0.70 m/s的过流速度而不发生冲刷现象。

需要特别说明的是，受各种因素制约，本文只是给出相对保守的水下不分散混凝土安全过流速度数值，并未建立剪切应力和冲刷起动流速之间的定量关系。期待同行进一步研究完善数据，更好地以研究成果服务于工程施工需求。

水利水电技术（中英文）

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