基于不同纖維的水工混凝土抗沖蝕性能分析

劉紅麗

（新民市水利工程質(zhì)量監(jiān)督站，遼寧 新民 110300）

實(shí)踐表明，挾沙高速水流摩擦極易造成水工構(gòu)筑物表面磨損，特別是高水頭水電站面臨著更加突出的沖蝕磨損問題[1-2]。因此，廣大學(xué)者越來越關(guān)注挾沙高速水流造成的水電工程磨損破壞問題，對(duì)于水工混凝土抗沖磨性能水電工程建設(shè)提出了更高的要求。研究認(rèn)為，將礦粉摻入水工混凝土中能夠增強(qiáng)其抗沖蝕性，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于水利工程領(lǐng)域，但礦粉具有較高的水敏感性，硅粉顆粒較小會(huì)優(yōu)先吸附拌合水，從而使得混凝土用水量增加，引起更加明顯的開裂[3-6]。因此，為減少混凝土早期硬化所造成的微裂縫和后期干縮變形現(xiàn)象的出現(xiàn)，可以將適量纖維摻入硅粉混凝土中，例如摻入聚丙烯纖維能夠減少收縮變形，改善混凝土抗沖磨性和強(qiáng)度。

玄武巖纖維因具有耐腐蝕、抗高溫、強(qiáng)度高、環(huán)保經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)逐漸得到眾多學(xué)者的關(guān)注，而研究分析玄武巖纖維改善水工混凝土抗沖磨性能的還較少。鑒于此，本文選用聚丙烯和玄武巖兩種纖維進(jìn)行研究，并進(jìn)一步探討了摻玄武巖纖維的水工混凝土性能，旨在為解決水工構(gòu)筑物普遍面臨的挾沙高速水流磨損問題提供一定參考。

1 配合比設(shè)計(jì)

①試驗(yàn)選用鐵新P·O42.5 級(jí)通用硅酸鹽水泥，初、終凝時(shí)間為165min 和230min，3d、28d 抗壓強(qiáng)度28.0MPa 和47.2MPa；②礦粉選用誠遠(yuǎn)S95 級(jí)礦渣粉，需水量比98%，密度2.80g/cm3；③細(xì)骨料選用河砂，表觀密度2650kg/m3，細(xì)度模數(shù)2.6，粗骨料選用5～20mm 人工碎石，壓碎指標(biāo)4.2%；④試驗(yàn)選用科諾QW-4 聚羧酸高效減水劑，減水率30%，拌合水用當(dāng)?shù)刈詠硭?。玄武巖纖維和聚丙烯纖維基本參數(shù)如表1 所示，纖維摻量0.6kg/m3，硅粉摻量5%，配合比設(shè)計(jì)如表2 所示。

表1 纖維的性能參數(shù)

表2 水工混凝土配合比 kg/m3

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 對(duì)力學(xué)性能的影響

將兩種不同纖維按設(shè)計(jì)配合比摻入水工混凝土中制成150mm×150mm×150mm 的標(biāo)準(zhǔn)試件，依據(jù)《水工混凝土耐久性技術(shù)規(guī)范》、《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》相關(guān)流程測定試件抗壓和抗拉強(qiáng)度。試驗(yàn)過程中，將試樣放入試驗(yàn)機(jī)的壓板正中間，試件與上、下壓板間安裝墊板，啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)設(shè)定加載速率0.3～0.6MPa/s，均勻連續(xù)地加載直至試件出現(xiàn)快速變形發(fā)生破壞，并記錄試件破壞時(shí)的的荷載。

測試抗拉強(qiáng)度時(shí)，先啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)以15%～20%的破壞荷載進(jìn)行兩次預(yù)拉，預(yù)拉完成后再重新調(diào)整儀器，控制拉伸荷載加載速率0.5MPa/min，每加載1000N 或500N 測讀一次變形值直至破壞，破壞后記錄斷裂位置和破壞荷載，如圖1 所示。

圖1 水工混凝土力學(xué)性能

從圖1 可以看出，摻玄武巖纖維和聚丙烯纖維水工混凝土的抗壓強(qiáng)度有明顯差異，但是抗拉強(qiáng)度相差不大。水工混凝土摻玄武巖纖維相較于摻聚丙烯纖維90d、180d 抗壓強(qiáng)度提高了10.6%、17.8%。

2.2 對(duì)體積穩(wěn)定性的影響

受設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、施工方案、原材料品質(zhì)和管護(hù)措施落實(shí)等因素影響，水工混凝土結(jié)構(gòu)或多或少都存在一定的裂縫問題。裂縫與庫水貫通后形成滲流或射流，對(duì)壩體內(nèi)部廊道造成污染，破壞結(jié)構(gòu)的應(yīng)力條件，降低混凝土抗沖蝕能力，影響工程結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)美觀性。因此，為增強(qiáng)抗沖蝕性能必須保證混凝土的體積穩(wěn)定性，一般選用自生體積及干縮變形指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中，自生體積變形是混凝土處于恒溫絕濕條件下水泥水化所引起的變形，干縮變形是指在無外荷載及恒溫情況下，因干濕條件變化而引起的混凝土軸向長度的改變。

將兩種不同纖維按設(shè)計(jì)配合比分別摻入水工混凝土中制成510mm×150mm×150mm 的試件，脫模后把試件放入(90±5)%相對(duì)濕度、(20±2)℃恒溫環(huán)境中養(yǎng)護(hù)，其干縮變化曲線如圖2 所示。

圖2 水工混凝土干縮變形

從圖2 可以看出，摻玄武巖纖維有利于減小水工混凝土干縮變形，干縮180d 時(shí)摻玄武巖纖維水工混凝土變形較摻聚丙烯纖維試件減少26.1%。此外，膠凝材料發(fā)生水化反應(yīng)使得混凝土體積不斷發(fā)生改變，體積變形如圖3 所示。

圖3 水工混凝土體積變形

從圖3 可以看出，摻玄武巖纖維的水工混凝土體積變形小于摻聚丙烯纖維組，180d 時(shí)的體積變形減少25.7%

這是由于混凝土中的砂漿與玄武巖纖維的細(xì)絲能夠充分結(jié)合，水化產(chǎn)生的C-S-H 凝膠改善了混凝土與纖維的黏結(jié)性能，降低了裂縫的形成與發(fā)展速度，提高了整體抗變形能力。此外，玄武巖纖維的結(jié)構(gòu)特征使得混凝土內(nèi)部存在一定的自由水，自由水逐步釋放使得水泥水化更加充分，有利于減緩混凝土收縮變形，增強(qiáng)其體積穩(wěn)定性。

2.3 對(duì)抗沖蝕性能的影響

2.3.1 抗沖擊性

水工構(gòu)筑物表面受挾沙高速水流沖擊時(shí)，粒徑較大的砂石會(huì)造成一定的滾動(dòng)沖擊破壞，并且因構(gòu)筑物表面粗糙極易形成空蝕現(xiàn)象。將兩種不同纖維按設(shè)計(jì)配合比分別摻入水工混凝土中制成100mm×100mm×100mm 的標(biāo)準(zhǔn)試件，利用落錘法測試各組試件的抗沖擊性能。試驗(yàn)過程中，從53cm 高處下反復(fù)落下重3kg 的重錘沖擊試件直至出現(xiàn)第一條裂縫，測試結(jié)果如圖4 所示。

圖4 水工混凝土抗沖擊韌性

從圖4 可以看出，水工混凝土中摻玄武巖纖維的28d、90d 抗沖擊韌性較摻聚丙烯纖維試件可提高6.6%、10.2%。

2.3.2 抗沖磨性

將兩種不同纖維按設(shè)計(jì)配合比分別摻入水工混凝土中制成標(biāo)準(zhǔn)試件，采用圓環(huán)法和水下鋼球法測定混凝土側(cè)面、表面的抗沖磨性能，結(jié)果見表3。其中，圓環(huán)法主要是模擬通過0.4～1.0mm 粒徑石英砂時(shí)挾沙水流對(duì)混凝土的影響，水下鋼球法主要是模擬70 個(gè)不同粒徑鋼球?qū)?.8m/s 流速下混凝土的損壞程度。

表3 水工混凝土空化損失率與抗沖磨強(qiáng)度

由表3 可知，水工混凝土中摻玄武巖纖維可以明顯增強(qiáng)其抗沖擊性能，相較于摻聚丙烯纖維試件可以側(cè)面、表面抗沖磨性提高了17.6%和21.9%。

2.3.3 抗空蝕性

將兩種不同纖維按設(shè)計(jì)配合比分別摻入水工混凝土中制成標(biāo)準(zhǔn)試件，采用轉(zhuǎn)盤空蝕儀測試其抗空蝕性能，試驗(yàn)時(shí)設(shè)定轉(zhuǎn)速1500r/min，功率50kW。同時(shí)將8 個(gè)試樣放置旋轉(zhuǎn)圓盤上，試件內(nèi)、外徑30cm 和45cm，采用空蝕破壞后混凝土試件的質(zhì)量損失率反映其抗空蝕性能，如表3 所示。結(jié)果顯示，摻玄武巖纖維能夠有效增強(qiáng)混凝土抗空蝕性能，摻玄武巖纖維的28d、90d 空化損失率較摻聚丙烯纖維試樣減少8.11%、10.0%。

3 結(jié)論

為解決水工混凝土結(jié)構(gòu)存在的水流沖蝕磨損問題，將玄武巖和聚丙烯兩種纖維摻入混凝土中并試驗(yàn)探討其性能。試驗(yàn)表明，水工混凝土中的玄武巖纖維能夠形成致密、細(xì)小的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，砂漿能夠與纖維上的水化物緊密結(jié)合，有效防止混凝土裂縫的形成與發(fā)展。因此，摻玄武巖纖維有利于減少體積變形，增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度和彈性模量。此外，水工混凝土能夠與玄武巖纖維更好地相容，對(duì)于配制高抗沖蝕性水工混凝土具有一定實(shí)用可靠性。