纖維混凝土抗沖磨性能試驗研究

(山西省水利水電科學研究院，山西 太原 030002)

1 概 述

高速含沙水流對水工混凝土建筑物過流面的空蝕破壞及沖刷磨損會造成水工建筑物混凝土表層大面積剝蝕，導致混凝土出現(xiàn)質量問題，造成安全隱患，因此，高速挾沙、石水流對泄水建筑物的沖磨破壞是水利工程運行中主要的危害之一[1]。目前，我國受高速含沙水流空蝕破壞及沖刷磨損的大壩泄水建筑物約占全國運行總數(shù)的70%[2]。如何有效防治這一危害，以及通過提高混凝土本身的抗沖磨性能來延長水工抗沖磨混凝土的壽命，在我國水工混凝土材料界一直備受關注。

纖維混凝土為一種復合材料的統(tǒng)稱，由纖維和水泥基料(水泥石、砂漿或混凝土)組成。已有試驗證明，在混凝土中摻加纖維可以有效地改善混凝土的基體強度和韌性，提高混凝土結構的抗拉、抗剪強度[3]。本試驗選取鋼纖維、聚乙烯醇纖維、聚丙烯纖維三種纖維在混凝土中進行摻加，對其抗壓強度、劈裂抗拉強度及抗沖磨性能進行試驗研究，優(yōu)選出了抗沖磨性能佳、經濟合理的纖維種類和長度尺寸，并對其抗?jié)B性能和抗凍性能進行了試驗，本研究可為同類水利工程施工提供參考。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

a.水泥。試驗用水泥為普通硅酸鹽水泥P.O 42.5，性能指標見表1。

表1 水泥性能指標

b.粉煤灰。試驗用粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰，性能指標見表2。

表2 粉煤灰性能指標

c.硅粉。試驗用硅粉性能指標見表3。

表3 硅粉性能指標

d.減水劑。試驗用減水劑為聚羧酸減水劑，性能指標見表4。

表4 聚羧酸減水劑性能指標

e.粗骨料。試驗用石子為石樓縣生產的5～20 mm、20～40 mm石子，性能指標見表5。

表5 粗骨料理化性能指標

f.細骨料。試驗用砂子為石樓縣產的天然砂，顆粒級配屬中砂，性能指標見表6。

表6 細骨料理化性能指標

g.鋼纖維。試驗用鋼纖維為剪切型鋼纖維，性能指標見表7。

表7 剪切型鋼纖維性能指標

h.聚乙烯醇纖維。試驗用聚乙烯醇(PVA)纖維，性能指標見表8。

表8 聚乙烯醇纖維性能指標

i.聚丙烯纖維。試驗用聚丙烯纖維，性能指標見表9。

表9 聚丙烯纖維性能指標

以上原材料為料場現(xiàn)場取樣或由廠家送至實驗室，經檢驗原材料均符合要求。

2.2 試驗方法

2.2.1 纖維混凝土配合比

經計算和前期的試驗確定本試驗的基準配合比(見表10)，基準混凝土的強度等級為C40。

2.2.2 纖維混凝土拌和工藝及成型養(yǎng)護

纖維混凝土的拌和工藝為：先將纖維、水泥、粗細骨料等依次倒入攪拌機中，干拌1min；然后再將高效減水劑和水徐徐加入攪拌機中，濕拌2～3min，使拌和物均勻分散；卸料時將攪拌均勻的摻纖維混凝土傾倒在濕潤的鋼板上，再人工拌和2～3次后裝入試模。試件適宜采用振動臺振實，振動成型時一邊將拌和物裝模一邊用抹刀沿試模內壁稍加插搗，振動至混凝土表面出漿(振動時間控制在30s左右)；試件在溫度為(20±5)℃的環(huán)境中靜置一夜，然后編號、拆模，將拆模后的試件放標準養(yǎng)護室養(yǎng)護。

表10 纖維改性混凝土配合比

纖維混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度的試件為150mm×150mm×150mm的立方體標準試件，在試件達到28天齡期時，進行了混凝土試件的抗壓強度和劈裂抗拉強度的測試。試驗嚴格按照《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL 352—2006)的相關要求進行，試驗儀器采用混凝土液壓式YE—2000型壓力試驗機。

纖維混凝土抗沖磨的試件為直徑300mm、高100mm的圓柱體標準試件，在試件達到28天齡期時，進行了混凝土試件的抗沖磨強度的測試，試驗前試件需在水中浸泡3天使其吸水至飽和后方可進行。試驗方法為水下鋼球法。試驗嚴格按照《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL 352—2006)的相關要求進行，試驗儀器為自主研制的自動補水式水工混凝土抗沖磨試驗儀。該儀器利用旋轉水流沖擊鋼球，進行預制混凝土表面鋼球沖擊磨損試驗，以測定各類混凝土表面抗水流沖擊磨損的能力。

纖維混凝土抗?jié)B性的試件為上口直徑175mm、下口直徑185mm、高150mm截頭圓錐體試件，抗凍性的試件為100mm×100mm×400mm的棱柱體試件，在試件達到28天齡期時，進行混凝土試件的抗?jié)B性和抗凍性的測試。混凝土抗?jié)B性試驗依據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL 352—2006)采用逐級加壓法進行，抗凍性試驗依據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL 352—2006)進行，檢測混凝土抗?jié)B試件的抗?jié)B等級以及抗凍試件的抗凍性能。試驗設備為HS-4S型混凝土抗?jié)B儀和TDR1型混凝土自動快速凍融試驗儀。

3 纖維混凝土抗沖磨性能試驗結果

3.1 纖維混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗結果

從摻加了不同種類和長度的纖維混凝土抗壓強度試驗結果(見圖1)可以看出，所有試件的抗壓強度均達到了C40的要求。按照抗壓強度從大到小排序為摻加聚丙烯纖維的試件(04～08試件)>摻加聚乙烯醇纖維的試件(02～03試件)>摻加鋼纖維的試件(01試件)；摻加纖維試件(01～08試件)的抗壓強度均高于不摻加纖維試件(09試件)的抗壓強度?？箟簭姸茸罡叩臑閾郊娱L度為12mm的聚丙烯纖維試件(07試件)，其抗壓強度為59.2MPa，比不摻加纖維試件的抗壓強度高25.7%。由圖1可以看出，鋼纖維對混凝土的抗壓強度影響最小。

圖1 摻加不同種類和長度纖維的混凝土抗壓強度試驗結果

圖2 摻加不同種類和長度纖維的混凝土劈裂抗拉強度試驗結果

從摻加了不同種類和長度的纖維混凝土劈裂抗拉強度試驗結果(見圖2)可以看出，摻加不同種類和長度纖維的混凝土試件(01～08試件)的劈裂抗拉強度區(qū)別不大，均高于不摻加纖維混凝土試件(09試件)的劈裂抗拉強度，表明摻加纖維可以明顯提高混凝土的劈裂抗拉強度。摻加長度為12mm的聚乙烯醇纖維試件(03試件)和摻加長度為12mm的聚丙烯纖維試件(07試件)的劈裂抗拉強度基本一致，均大于其他試件的劈裂抗拉強度。表明長度為12mm的纖維在提高混凝土的劈裂抗拉強度上效果最好。

3.2 纖維混凝土抗沖磨強度試驗結果

從摻加了不同種類和長度的纖維混凝土抗沖磨強度試驗結果(見圖3)可以看出，摻加不同種類纖維混凝土試件(01～08試件)的抗沖磨強度均高于不摻加纖維的混凝土試件(09試件)的抗沖磨強度，表明摻加纖維對混凝土抗沖磨強度具有明顯的提升作用。其中，摻加長度為12mm的聚乙烯醇纖維試件(03試件)抗沖磨強度最高，為11.48h/(kg/m2)，摻加長度為12mm的聚丙烯纖維試件(07試件)抗沖磨強度次之，為10.50h/(kg/m2)。纖維改性混凝土試件的失重率與抗沖磨強度呈顯著的負相關。在相同的時間內，抗沖磨強度大的試件失重率低，表明抗沖磨強度大的試件被沖磨掉的部分小。這是由于纖維混凝土是由水泥、砂石和纖維共同組成的，當表面的水泥砂石被沖磨掉之后，混凝土骨料和纖維材料都會裸露出來。與砂和石子相比，纖維的韌性要大得多，對抗沖磨能量的吸附性也更強，而纖維對混凝土又具有黏聚力，在一定程度上延緩了水泥砂石的破壞。

圖3 摻加不同種類和長度纖維的混凝土抗沖磨強度試驗結果

4 纖維抗沖磨混凝土的優(yōu)選

對纖維抗沖磨混凝土的優(yōu)選主要從具有較好的抗壓強度和劈裂抗拉強度、具有較高的抗沖磨強度、經濟合理等方面考慮。

4.1 抗壓強度和劈裂抗拉強度優(yōu)選

從試驗結果來看，摻加長度為12mm的聚丙烯纖維試件抗壓強度最高，摻加長度為12mm的聚乙烯醇纖維試件的劈裂抗拉強度和摻加長度為12mm的聚丙烯纖維試件的劈裂抗拉強度基本一致。

4.2 抗沖磨強度優(yōu)選

從試驗結果來看，摻加長度為12mm的聚乙烯醇纖維試件抗沖磨強度最高，摻加長度為12mm的聚丙烯纖維試件的抗沖磨強度次之。

4.3 經濟合理性優(yōu)選

各試件所用原材料除纖維外全部相同，故不做計算，僅比較纖維的價格。鋼纖維價格為4元/kg，聚丙烯纖維價格為6.25元/kg，聚乙烯醇纖維價格為45元/kg。按照試驗的配合比計算，摻加鋼纖維的混凝土價格為40元/m3，摻加聚丙烯纖維的混凝土價格為6.25元/m3，摻加聚乙烯醇纖維的混凝土價格為45元/m3。可以看出，聚丙烯纖維在價格上更具優(yōu)勢。

綜上可以看出，長度為12mm的聚丙烯纖維在抗沖磨性能及價格上具有更大的優(yōu)勢，性價比最高。

5 纖維抗沖磨混凝土耐久性試驗結果

抗?jié)B性能和抗凍性能是混凝土耐久性的兩個重要指標。為了進一步研究纖維混凝土的力學性能，對摻加長度為12mm的聚丙烯纖維混凝土試件進行了抗?jié)B性能和抗凍性能試驗，從試驗結果(見表11)可以看出，摻加長度為12mm的聚丙烯纖維混凝土試件和不摻加纖維試件的抗?jié)B等級和抗凍等級均達到了設計要求。

表11 混凝土試件抗?jié)B、抗凍試驗結果

6 結 論

摻加纖維可以顯著提高混凝土的抗沖磨強度、抗壓強度及劈裂抗拉強度，其中摻加長度為12mm的聚丙烯纖維時混凝土試件抗壓強度和抗沖磨強度最大，且抗凍性和抗?jié)B性均滿足設計要求。摻加長度為12mm的聚丙烯纖維混凝土具有強度高、抗沖磨性能好、性價比高等優(yōu)點，可以在同類水利工程施工中推薦應用，但要注意拌和工藝及養(yǎng)護方法。

本文僅對纖維混凝土試件的抗凍性和抗?jié)B性進行了檢測，對其抗凍性能和抗?jié)B性能的變化情況以及抗裂性的研究還需進一步開展。