PVA纖維對(duì)水工混凝土抗沖磨性的影響試驗(yàn)研究

趙 楊, 孫海燕, 王福來(lái), 董新越, 梁榮創(chuàng)

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，昆明 650201)

1 研究背景

隨著我國(guó)水利水電事業(yè)的發(fā)展和水資源配制的不斷優(yōu)化，沖刷磨損已成為影響建筑結(jié)構(gòu)耐久性的病害之一[1]，其中泄水建筑物的流速?gòu)?0 m/s增加到40 m/s，有的可達(dá)到50 m/s，流速的增加使得消力池內(nèi)產(chǎn)生回旋水流挾帶著推移質(zhì)及類推移質(zhì)對(duì)底板及其他部位混凝土沖刷磨損破壞問(wèn)題更為突出[2]。

為了解決水工建筑物的抗沖磨技術(shù)難題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用在混凝土基體中摻入硬度較大的粗骨料[3]、環(huán)氧樹脂[4]、納米CaCO3[5]、硅粉[6]、纖維等材料來(lái)增強(qiáng)混凝土的抗沖磨性能。Febrillet等[7]研究了鋼纖維對(duì)超高性能混凝土(UHPC)抗沖磨性能的影響，研究表明鋼纖維體積摻量<1%且直徑<10 mm時(shí)，對(duì)UHPC的抗沖磨性能有顯著的提高，但是將大直徑(10～16 mm)的鋼纖維摻入混凝土后，其抗沖磨性能明顯減弱。胡宏峽[8]指出在低水膠比混凝土中摻加聚丙烯纖維可提升早齡期混凝土的抗沖磨性能。蘇駿等[9]分別將1%體積摻量的PVA纖維(聚乙烯醇纖維)和3%體積摻量鋼纖維摻入低水膠比混凝土中，采用何真等[10]提出的風(fēng)砂槍法，得出PVA纖維混凝土的抗沖磨強(qiáng)度優(yōu)于鋼纖維混凝土。盡管有關(guān)纖維混凝土的抗沖磨性能的研究成果較多，但目前對(duì)PVA纖維混凝土的抗沖磨性能還缺乏系統(tǒng)深入的分析研究。

本文將不同摻量的PVA纖維(長(zhǎng)度12 mm)摻入混凝土中，基于水下鋼球法[11]研究PVA纖維對(duì)水工混凝土抗沖磨性能的影響，以期為PVA纖維在水工混凝土中的推廣應(yīng)用提供一定的依據(jù)。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)原材料

(1)水泥。拉法基(紅河)水泥有限公司昆明分公司生產(chǎn)的P.O 42.5級(jí)水泥。

(2)粗骨料。石灰?guī)r碎石，最大粒徑為32 mm，表觀密度為2 820 kg/m3，堆積體松散與密實(shí)時(shí)干密度分別為1 560、1 710 kg/m3。

(3)細(xì)骨料。人工砂，細(xì)度模數(shù)為3.2，表觀密度為2 620 kg/m3，松散堆積密度為1 700 kg/m3，密實(shí)堆積密度為1 920 kg/m3，飽和面干吸水率為1.7%。

(4)減水劑。聚羧酸系高性能減水劑，液體呈現(xiàn)黃褐色且無(wú)沉淀。

(5)纖維。日本可樂麗公司生產(chǎn)的PVA纖維，性能參數(shù)見表1。

表1 PVA纖維的物理力學(xué)性能指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical properties of PVA fiber

2.2 試驗(yàn)方案

混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C25，為使得混凝土拌合物成型密實(shí)，控制混凝土拌合物的坍落度為55～70 mm。試驗(yàn)將體積摻量為0%、0.1%、0.2%、0.4%的PVA纖維分別摻入混凝土中，由于PVA纖維會(huì)降低混凝土的流動(dòng)性[12-13]，故需要在混凝土拌合物中摻入一定量的減水劑，使其坍落度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。具體各組混凝土的配合比如表2所示。

表2 混凝土配合比Table 2 Mix proportion of concrete

依據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)，同一配比成型三組試件，將其成型于100 mm×100 mm×100 mm試模中，然后帶模放置在溫度(20±2) ℃、相對(duì)濕度>95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，1 d后拆模，編號(hào)后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱，養(yǎng)護(hù)至設(shè)定齡期7、28、60、90 d，在WA-1000B型電液式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試其抗壓強(qiáng)度，在NYL-60型60T壓力試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試其劈裂抗拉強(qiáng)度。依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352—2020)，制備相應(yīng)齡期的試件并養(yǎng)護(hù)，在HKCM-2混凝土抗沖磨試驗(yàn)機(jī)測(cè)定儀上測(cè)定混凝土的抗沖磨性能(如圖1所示)，按照式(1)和式(2)分別計(jì)算抗沖磨強(qiáng)度和質(zhì)量磨損率，按照式(3)計(jì)算試件的磨損深度。采用HITACHI落地式掃描電子顯微鏡(型號(hào)FlexSEM1000)，觀測(cè)水化60 d混凝土中水化硬化漿體的微觀形貌。

圖1 抗沖磨試驗(yàn)裝置及簡(jiǎn)化原理Fig.1 Abrasion resistance test device and its simplified schematic diagram

混凝土抗沖磨強(qiáng)度的計(jì)算式為

(1)

式中：Ra為抗沖磨強(qiáng)度，即單位面積上被磨損單位質(zhì)量所需的時(shí)間(h/(kg/m2))；T為試驗(yàn)累計(jì)時(shí)間(h)；A為試件受沖磨面積(m2)；Mt為經(jīng)t時(shí)段沖磨后，試件損失的累計(jì)質(zhì)量(kg)。

混凝土質(zhì)量磨損率的計(jì)算式為

(2)

式中：L為質(zhì)量磨損率(%)；M0為試驗(yàn)前試件質(zhì)量(kg)。

混凝土磨損深度的計(jì)算式為

Δh=h1-h2。

(3)

式中：Δh為磨損深度(mm)；h1為試驗(yàn)前試件的實(shí)測(cè)高度(mm)；h2為試驗(yàn)后試件的實(shí)測(cè)高度(mm)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同養(yǎng)護(hù)齡期下纖維摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

從圖2可看出，7～28 d養(yǎng)護(hù)齡期下各組試件抗壓強(qiáng)度增幅均在67.9%～73.8%，各組纖維摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響不大；隨后養(yǎng)護(hù)至90 d，P2組的抗壓強(qiáng)度在28～90 d增幅最大，提升了38.7%，說(shuō)明長(zhǎng)齡期下P2組纖維摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度有益處。

圖2 PVA纖維摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 Influence of PVA fiber content on the compressive strength of concrete

各組養(yǎng)護(hù)齡期下，隨著PVA纖維摻量的增加，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，其拐點(diǎn)均出現(xiàn)在P2組，且90 d養(yǎng)護(hù)齡期的整體增長(zhǎng)幅度最大，P1組相比于P0組抗壓強(qiáng)度提升了8.4%；P2組相比于P0組抗壓強(qiáng)度提升了20.8%，抗壓強(qiáng)度的最大值為48.7 MPa。由此可見，PVA纖維體積摻量為0.2%時(shí)，可以很好地提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。隨后纖維摻量增加至P3組，90 d養(yǎng)護(hù)齡期下的抗壓強(qiáng)度相比于P0組下降了1%，這是由于纖維的摻入使基體內(nèi)出現(xiàn)了脆弱的交界面，且摻入纖維越多，產(chǎn)生的脆弱交界面越多，尤其是PVA纖維為親水性較強(qiáng)的纖維[14]。當(dāng)過(guò)量的纖維在基體中的積極作用小于其脆弱層的削弱影響時(shí)，混凝土的抗壓性能會(huì)因?yàn)槔w維摻量的增加而降低。

3.2 不同養(yǎng)護(hù)齡期下纖維摻量對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

從圖3可看出，每個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期下混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度的變化趨勢(shì)一致，其中90 d養(yǎng)護(hù)齡期下的劈裂抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度最大。P1組相比于P0組的劈裂抗拉強(qiáng)度提升了14.4%；P2組相比于P0組的劈裂抗拉強(qiáng)度提升了33.2%。拐點(diǎn)出現(xiàn)在P2組，其最大值為2.8 MPa。隨后纖維摻量增至P3組，相比于P0組的劈裂抗拉強(qiáng)度提升了8.2%，說(shuō)明過(guò)量摻入PVA纖維對(duì)混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度提升不明顯。分析原因在于，纖維的過(guò)量冗雜不能在骨料與基體之間形成良好的搭接效果，團(tuán)狀分布的纖維被水泥基體部分包裹而形成孔隙，或者與基體無(wú)任何接觸形成的纖維球團(tuán)，導(dǎo)致混凝土試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密程度下降，對(duì)混凝土試件的強(qiáng)度造成不良影響，所以在纖維體積摻量為0.2%時(shí)，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度提升最大。

圖3 PVA纖維摻量對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響Fig.3 Influence of PVA fiber content on the splitting tensile strength of concrete

3.3 PVA纖維對(duì)混凝土抗沖磨性能的影響

圖4(a)—圖4(d)為受沖磨影響后混凝土的表觀形貌；圖4(e)—圖4(h)為各組混凝土的磨損深度。在每次沖磨試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行深度測(cè)量并稱重，通過(guò)磨損質(zhì)量與初始質(zhì)量計(jì)算出抗沖磨強(qiáng)度、質(zhì)量磨損率。

圖4 受沖磨影響后混凝土的表觀形貌及磨損深度Fig.4 Apparent morphology and wearing depth of concrete affected by impact grinding

從圖4(a)可知，P0組試件表面受沖磨損傷嚴(yán)重。試件表面的砂漿出現(xiàn)剝落、斷裂，以致于大孔洞(凹槽)的產(chǎn)生，且試件整體表面凹凸不平，存在大面積的粗骨料(碎石，粒徑<32 mm)被嵌入試件表層，由水泥膠砂等膠凝基體緊緊包裹，牢固地支撐起混凝土試件骨架。對(duì)比圖4(a)，從圖4(b)—圖4(d)可知，P1組試件相比于P0組試件表面受磨損情況減小，說(shuō)明纖維的少量摻入對(duì)混凝土的抗沖磨性能有所提升；同樣地，試件表面存在尚未斷裂的PVA纖維絮狀物，對(duì)混凝土各骨料間的連接狀態(tài)起到了很好的搭接作用。在受到鋼球磨損撞擊的侵害下，PVA纖維表現(xiàn)出良好的抗沖磨性能。在鋼筒底部的糊狀產(chǎn)物中并未發(fā)現(xiàn)大量團(tuán)狀的纖維組織，說(shuō)明P2組的纖維的分散性良好，其抗沖磨性能最強(qiáng)。

由此可見，適量的纖維摻量不僅對(duì)纖維的分散性有提升，對(duì)減小混凝土的沖磨深度也有一定的益處。而P0組試件表面裸露出大面積碎石骨料，其中在鋼筒底部能發(fā)現(xiàn)許多片狀骨料碎屑，說(shuō)明基準(zhǔn)組試件在鋼球的沖擊下沒有纖維承擔(dān)部分阻力，以及未能搭接各粗細(xì)骨料與基體間形成致密網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此混凝土抗沖磨性能較差。當(dāng)PVA纖維體積摻量增至P3組，試件表面不平整度小于P0組，但大于P2組，從受損試件表面能找到部分團(tuán)狀纖維，過(guò)量的PVA纖維不利于提升混凝土的抗沖磨性能，這與其強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

由圖4(e)—圖4(h)和圖5可以看出，磨損深度隨著纖維摻量的增加均呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)。在養(yǎng)護(hù)齡期60 d時(shí)，隨著纖維摻量的增加，P1組相比于P0組磨損深度下降18.8%；P2組相比于P0組磨損深度下降38.3%。P2組的磨損深度最小值為1.74 cm。而隨著纖維摻量增至P3組，磨損深度P3組相比于P0組減小9.6%。從養(yǎng)護(hù)齡期的角度分析，養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng)至90 d相比于7 d的磨損深度，P2組變化最明顯，7～90 d的磨損深度下降了34.2%。由此可見，適量PVA纖維的摻入提升了混凝土的抗沖磨性能，且在纖維體積摻量為0.2%時(shí)，改善混凝土的抗沖磨性效果最好。

圖5 PVA纖維摻量對(duì)混凝土磨損深度的影響Fig.5 Influence of PVA fiber content on the wear depth of concrete

PVA纖維摻量對(duì)混凝土抗沖磨強(qiáng)度及質(zhì)量磨損率的影響如圖6所示。

圖6 PVA纖維摻量對(duì)混凝土抗沖磨強(qiáng)度和質(zhì)量磨損率 的影響Fig.6 Influence of PVA fiber content on the abrasion resistance strength and mass wear rate of concrete

由圖6(a)可以看出，抗沖磨強(qiáng)度隨纖維摻量的增加出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。在7 d齡期下起伏最明顯，P1組相比于P0組的抗沖磨強(qiáng)度提升了9.5%；P2組相比于P0組提升了30.9%。拐點(diǎn)出現(xiàn)在P2組，其抗沖磨強(qiáng)度最大值為4.3 h/(kg/m2)。隨后纖維摻量增至P3組，P3組相比于P0組的抗沖磨強(qiáng)度下降了4.2%。從養(yǎng)護(hù)齡期的角度分析，各組試件在7～28 d的抗沖磨強(qiáng)度增幅在63.5%～91.7%之間，有較大增幅。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，90 d齡期下P2組相比于7 d的抗沖磨強(qiáng)度提升了108.4%，抗沖磨強(qiáng)度最大值為9.1 h/(kg/m2)，說(shuō)明在90 d齡期下P2組纖維摻量對(duì)混凝土的抗沖磨強(qiáng)度有顯著的提升作用。

由圖6(b)可以看出，質(zhì)量磨損率出現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)。質(zhì)量磨損率越小，則認(rèn)為試件的抗沖磨性能越強(qiáng)。其中7 d齡期下P1組相比于P0組的質(zhì)量磨損率下降了0.4%；P2組相比于P0組下降了1.9%。拐點(diǎn)出現(xiàn)在P2組，7 d齡期下質(zhì)量磨損率最小值為7.1%。隨著纖維摻量增至P3組，質(zhì)量磨損率相比于P0組下降了0.5%，說(shuō)明纖維體積摻量為0.2%時(shí)損失劣化程度最小。當(dāng)混凝土隨著齡期的延長(zhǎng)，其中P2組質(zhì)量磨損率在7～60 d的下降幅度為3.6%；60～ 90 d的下降幅度為0.3%，說(shuō)明7～ 60 d齡期，混凝土的抗沖磨強(qiáng)度提升最明顯。分析可知，纖維數(shù)量增多且比表面積增大，纖維在混凝土內(nèi)部均勻分布，能有效改善混凝土內(nèi)部的應(yīng)力分布。其中纖維摻量在P2組時(shí)，纖維的分散性最好，能夠有效地提升混凝土的抗沖磨性能；反之纖維摻量超過(guò)P2組時(shí)，過(guò)量的PVA纖維成團(tuán)狀，未能連接于混凝土內(nèi)部膠凝基體之間起到橋接作用，導(dǎo)致原生裂縫的產(chǎn)生，也未能阻止其在沖擊磨損過(guò)程中進(jìn)一步的擴(kuò)展[15]。

3.4 微結(jié)構(gòu)分析

由3.3節(jié)可知，混凝土力學(xué)性能、抗沖磨性能在7～60 d齡期時(shí)提升明顯，均在長(zhǎng)齡期實(shí)現(xiàn)較大增幅。為研究PVA纖維在混凝土水化漿體微結(jié)構(gòu)的分布情況和搭接狀態(tài)，本文在養(yǎng)護(hù)齡期60 d時(shí)，對(duì)P2組混凝土進(jìn)行了掃描電鏡(SEM)試驗(yàn)。圖7(a)和圖7(b)為PVA纖維混凝土水化60 d時(shí)的SEM微觀形貌試驗(yàn)(200倍)結(jié)果；圖7(c)和圖7(d)為其在水化60 d時(shí)的SEM微觀形貌試驗(yàn)(1 000倍)結(jié)果。

圖7 P2組混凝土水化60 d微觀形貌Fig.7 Microscopic morphology of P2 group concrete hydrated for 60 days

由圖7可以看出，水化60 d時(shí)，纖維混凝土在破壞后形成的試件碎片上存在大量分散的PVA纖維，可以清晰地觀察到纖維呈根狀分布于混凝土中。在試件受損破壞后，纖維由于承受荷載，達(dá)到屈服強(qiáng)度極限后被拉斷的狀態(tài)，纖維表面的膠凝基體已經(jīng)剝落(圖7(a))。部分貫穿于試件內(nèi)部的纖維未被脫落的碎片拔出，而是緊緊連接在碎片與混凝土試件之間，因此可以觀察到大量裸露在外的纖維，以及碎片與混凝土試件受損破壞后形成的孔隙(圖7(b)和圖7(d))。從圖7(c)可以觀察到纖維的搭接狀態(tài)，其形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)連接混凝土試件中的膠凝基體，在試件破壞后維持貫穿連接試件的作用。由此可見，當(dāng)PVA纖維體積摻量為0.2%時(shí)，纖維在水泥混凝土基體內(nèi)分散性良好且能形成亂向分布，纖維在混凝土中相互牽制、連接，形成一個(gè)阻礙其裂縫擴(kuò)展、連通的亂向支撐體系[16]，可以提升水工混凝土的強(qiáng)度和抗沖磨性能。

4 結(jié) 論

(1)摻有PVA纖維混凝土的抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度相較于基準(zhǔn)組均有所提升，當(dāng)纖維體積摻量為0.2%時(shí)，混凝土在長(zhǎng)齡期下的抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度提升更明顯，其抗壓強(qiáng)度同基準(zhǔn)組相比提升了20.8%；劈裂抗拉強(qiáng)度提升了33.2%。而纖維體積摻量超過(guò)0.2%時(shí)，其抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度相較于0.2%摻量時(shí)有所降低。

(2)纖維體積摻量從0%增至0.2%，纖維混凝土的抗沖磨性能隨之提升，而纖維體積摻量從0.2%增至0.4%，過(guò)量的纖維不利于提升其抗沖磨強(qiáng)度。當(dāng)纖維體積摻量為0.2%時(shí)，在7～90 d齡期時(shí)其抗沖磨性能優(yōu)于基準(zhǔn)組，磨損深度下降了34.2%；抗沖磨強(qiáng)度提升了108.4%；質(zhì)量磨損率下降了3.9%。用體積摻量為0.2%的PVA纖維配制的混凝土抗沖磨性能最好。

(3)通過(guò)SEM分析得知，適宜含量PVA纖維摻入水泥混凝土基體內(nèi)，在水泥水化后期，纖維能在混凝土膠凝基體間起到有效的貫穿連接作用，可將其應(yīng)用于溢洪道、泄洪隧洞、消力池等水工建筑物中。