PVA纖維對活性粉末混凝土抗沖磨影響試驗研究

胡秋玲

(河北省子牙河河務(wù)管理處，河北 衡水 053000)

對水工混凝土而言，沖磨破壞是最主要的破壞形式。由于含沙高速水流的強烈沖刷作用，我國70%以上的大壩泄水建筑物存在沖磨破壞問題[1]?；钚苑勰┗炷劣址Q為超高性能混凝土，是大量添加硅粉、粉煤灰以及細礦粉等活性材料，同時配以纖維和高效減水劑的新型混凝土材料，具有良好的力學(xué)和耐久性能[2]。在傳統(tǒng)的觀念中，混凝土的抗沖磨性能與其抗壓強度直接相關(guān)[3]，然而國內(nèi)外的相關(guān)研究顯示，高抗壓混凝土在許多情況下并不具有良好的抗沖磨性能[4]。為此，很多學(xué)者試圖尋找兼具耐磨和抗沖性能的混凝土材料，并進行了大量的理論和試驗研究[5]。結(jié)果顯示，通過硅粉、粉煤灰等材料的摻入并輔以纖維材料，可以獲得抗沖磨性能更好的混凝土?；谏鲜鲅芯砍晒?，本文通過研究活性粉末混凝土在不同PVA纖維摻量才下的抗沖磨性能變化規(guī)律，以期為相關(guān)的混凝土材料研究和應(yīng)用提供有益的經(jīng)驗借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本次研究的主要目的是獲取不同PVA纖維摻量對活性粉末混凝土抗沖磨性能的影響。因此研究的重點在于纖維摻入后對混凝土的影響和作用，并不對混凝土原材的構(gòu)成和配比進行研究。因此，試驗中直接選用湖北貝融有限公司生產(chǎn)的UC170干混料。

研究中使用的混凝土外加劑為唐山伊特有限公司生產(chǎn)的PCA-2型聚羧酸高性能減水劑，性能檢測結(jié)果顯示其完全滿足GB8076—2008《混凝土外加劑》的相關(guān)要求。

研究中使用的PVA纖維為上海高科有限公司生產(chǎn)的，經(jīng)過表面特殊處理的K-II可樂綸，具有吸水性小、分散性好等優(yōu)勢。

1.2 試驗方案

為了研究不同PVA纖維摻量對活性粉末混凝土抗沖磨性能的影響，結(jié)合相關(guān)文獻資料和試驗?zāi)康?，選用了0%、0.3%、0.5%、0.7%、1.0%五種不同的PVA纖維摻量進行試驗，具體的配合比設(shè)計方案如表1所示。

表1 PVA纖維混凝土配合比試驗方案設(shè)計

1.3 試件的制備和養(yǎng)護

由于攪拌的均勻性和充分性對混凝土性能的影響十分顯著，因此在試驗中選用A200C-2251R 型可調(diào)速攪拌機，保證拌合物的良好分散性能。試件的制備過程為：第一步，按照上節(jié)的配合比稱量好各種材料，然后將干混料倒入攪拌鍋在慢速檔干拌3 min；第二步，將減水劑融入60%的拌合水中加入攪拌鍋，利用低速擋攪拌2 min，然后換中速檔攪拌5 min；第三步，加入剩余的40%攪拌水，用中速檔繼續(xù)攪拌6 min，然后澆筑成型。如果需要摻入PVA纖維時，則將其分層均勻摻入干混料中，不需要干拌直接按照上述第二和第三步進行。

制作的試塊規(guī)格為10 cm×10 cm×10 cm，每組試驗制作3個試塊，共5組15個試塊?；钚苑勰┗炷镣ǔＰ枰羝B(yǎng)護，但是考慮到大體積水工混凝土并不適合蒸汽養(yǎng)護，因此試件制作完畢后按照標準條件進行養(yǎng)護。

1.4 試驗方法

對試件的抗沖磨試驗采用風(fēng)砂槍試驗方法，沖磨介質(zhì)為粒徑0.15～2.0 mm的石英砂粒，利用高速氣流為載體，通過調(diào)節(jié)沖磨角度和速度，以有效模擬水工混凝土在實際運行工況下的沖磨情況。研究中采用低噪音、無污染風(fēng)砂槍沖磨試驗機進行試驗，其工作原理示意圖如圖1所示，試驗過程中的具體程序以及數(shù)據(jù)處理方式按照《水工混凝土試驗規(guī)程》(DL/T 5150—2001)中的具體規(guī)定進行。

圖1 風(fēng)砂槍沖磨試驗機結(jié)構(gòu)原理示意圖

在開始試驗前要擦干試件表面的水分，并稱量試件的質(zhì)量，控制好壓力和調(diào)整好沖磨角度，然后放上試塊即可開始試驗。試驗過程中每個試塊進行4次沖磨試驗，并在試驗結(jié)束后再次測量試件質(zhì)量。研究中微觀試驗主要是觀察混凝土在沖磨后的面型特點，主要方式是掃描電子顯微鏡分析和三維立體形貌特征分析。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 沖磨適量損失

利用上節(jié)的試驗方案和試驗方法，基于試驗數(shù)據(jù)，對不同摻量下的試塊質(zhì)量損失進行計算，根據(jù)試驗結(jié)果繪制出如圖2所示的不同PVA摻量下試塊質(zhì)量損失和試驗次數(shù)之間的關(guān)系曲線。由圖2可知，在不同PVA纖維摻量下，混凝土試塊的質(zhì)量損失會隨著沖磨試驗次數(shù)的增加而逐漸趨向于穩(wěn)定，因此可以將第四次試驗后的質(zhì)量損失視為穩(wěn)定階段的質(zhì)量損失；摻PVA纖維條件下，第一次試驗過程中的質(zhì)量損失明顯較大，主要原因是試塊表面的浮漿更容易遭受沖磨破壞；隨著纖維摻量的增加，混凝土試塊的質(zhì)量損失呈不斷下降趨勢，且都顯著小于未摻加纖維試塊，說明PVA纖維摻入可以有效提升混凝土的抗沖磨性能。

圖2 不同PVA摻量下質(zhì)量損失曲線

2.2 抗沖磨強度

研究中根據(jù)相關(guān)研究成果，采用如下公式計算混凝土試件的抗沖磨強度[6]：

(1)

其中，fa為抗沖磨強度，h/cm；T為每次試驗沖磨歷時，h；ρc為混凝土密度，g/cm3；A為受沖磨面積；ΔG為沖磨試驗質(zhì)量損失，g。

利用上述公式和試驗數(shù)據(jù)，計算出不同PVA摻量下試塊的抗沖磨強度，結(jié)果如表2所示。由表中的結(jié)果可知，當(dāng)PVA纖維的摻量達到一定水平時，試塊的抗磨強度均有所上升，當(dāng)摻量為1%時，試塊的抗磨強度與沒有摻PVA試塊相比，提高了56.1%。由此可見，在本次試驗設(shè)定的摻量范圍內(nèi)，隨著PVA摻量的增加，混凝土的抗沖性能也顯著增加，說明說明PVA纖維摻入可以有效提升混凝土的抗沖磨性能。

表2 不同PVA纖維摻量下試塊抗沖磨強度

2.3 試件微觀形貌

通過對試件表面的微觀形貌進行觀察，PVA纖維的摻入對提高試件的抗沖磨性能具有十分顯著的作用，并主要表現(xiàn)為試驗過程中對實踐表面剝蝕作用的約束。但是PVA纖維的摻入量并非越多越好，大量的纖維的摻入或?qū)е掳韬衔锏牧鲃有越档停鴼馀莸热毕輸?shù)量增加并聚集在試塊的表層，從而形成一個薄弱層。結(jié)合上節(jié)的質(zhì)量損失變化規(guī)律，認為試塊的早期質(zhì)量損失主要成因是上述薄弱層在沖磨作用下的剝落。隨著高速石英砂沖擊和切削作用向下沙口靠近，試塊中的PVA纖維逐漸裸露但并未脫落，因此對磨損破壞起到了顯著的限制作用，從而降低了集體質(zhì)量損失占比。

2.4 抗壓強度和抗沖磨強度的關(guān)系

試驗過程中對不同PVA摻量的混凝土試塊進行抗壓強度測試，并結(jié)合抗沖磨強度試驗結(jié)果，繪制出如圖3所示的試件抗壓強度和抗沖磨強度關(guān)系圖。由圖可知，當(dāng)PVA纖維的摻量在0.5%以下時，試件的抗壓強度和抗沖磨強度之間沒有明顯的相關(guān)性，當(dāng)摻量在0.5%～1.0%之間時，兩者之間存在正相關(guān)關(guān)系。整體來看，PVA纖維活性粉末混凝土的抗壓強度和抗沖磨強度之間不存在顯著的相關(guān)性，這也印證了相關(guān)學(xué)者的研究結(jié)論。

圖3 試件抗壓強度和抗沖磨強度關(guān)系圖

3 結(jié) 論

本文利用實驗室試驗研究的方式，對不同PVA纖維摻量對活性粉末混凝土抗沖磨性能變化規(guī)律進行研究，并獲得如下主要結(jié)論：

(1)隨著纖維摻量的增加，混凝土試塊的質(zhì)量損失呈不斷下降趨勢，且都顯著小于未摻加纖維試塊，說明PVA纖維摻入可以有效提升混凝土的抗沖磨性能。

(2)當(dāng)PVA纖維的摻量達到一定水平時，試塊的抗磨強度均有所上升，當(dāng)摻量為1%時，試塊的抗磨強度與沒有摻PVA試塊相比，提高了56.1%。說明說明PVA纖維摻入可以有效提升混凝土的抗沖磨性能。

(3)通過對試件表面的微觀形貌進行觀察，PVA纖維的摻入對提高試件的抗沖磨性能具有十分顯著的作用，并主要表現(xiàn)為試驗過程中對實踐表面剝蝕作用的約束。

(4)PVA纖維活性粉末混凝土的抗壓強度和抗沖磨強度之間不存在顯著的相關(guān)性，印證了相關(guān)學(xué)者的研究結(jié)論。