(山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002)

1 概 述

高速含沙水流對(duì)水工混凝土建筑物過流面的空蝕破壞及沖刷磨損會(huì)造成水工建筑物混凝土表層大面積剝蝕，導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)質(zhì)量問題，造成安全隱患，因此，高速挾沙、石水流對(duì)泄水建筑物的沖磨破壞是水利工程運(yùn)行中主要的危害之一[1]。目前，我國(guó)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(guó)運(yùn)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(zhǎng)水工抗沖磨混凝土的壽命，在我國(guó)水工混凝土材料界一直備受關(guān)注。

纖維混凝土為一種復(fù)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(yàn)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(qiáng)度和韌性，提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉、抗剪強(qiáng)度[3]。本試驗(yàn)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(jìn)行摻加，對(duì)其抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度及抗沖磨性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，優(yōu)選出了抗沖磨性能佳、經(jīng)濟(jì)合理的纖維種類和長(zhǎng)度尺寸，并對(duì)其抗?jié)B性能和抗凍性能進(jìn)行了試驗(yàn)，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(yàn)材料

a.水泥。試驗(yàn)用水泥為普通硅酸鹽水泥P.O 42.5，性能指標(biāo)見表1。

表1 水泥性能指標(biāo)

b.粉煤灰。試驗(yàn)用粉煤灰為Ⅱ級(jí)粉煤灰，性能指標(biāo)見表2。

表2 粉煤灰性能指標(biāo)

c.硅粉。試驗(yàn)用硅粉性能指標(biāo)見表3。

表3 硅粉性能指標(biāo)

d.減水劑。試驗(yàn)用減水劑為聚羧酸減水劑，性能指標(biāo)見表4。

表4 聚羧酸減水劑性能指標(biāo)

e.粗骨料。試驗(yàn)用石子為石樓縣生產(chǎn)的5～20 mm、20～40 mm石子，性能指標(biāo)見表5。

表5 粗骨料理化性能指標(biāo)

f.細(xì)骨料。試驗(yàn)用砂子為石樓縣產(chǎn)的天然砂，顆粒級(jí)配屬中砂，性能指標(biāo)見表6。

表6 細(xì)骨料理化性能指標(biāo)

g.鋼纖維。試驗(yàn)用鋼纖維為剪切型鋼纖維，性能指標(biāo)見表7。

表7 剪切型鋼纖維性能指標(biāo)

h.聚乙烯醇纖維。試驗(yàn)用聚乙烯醇(PVA)纖維，性能指標(biāo)見表8。

表8 聚乙烯醇纖維性能指標(biāo)

i.聚丙烯纖維。試驗(yàn)用聚丙烯纖維，性能指標(biāo)見表9。

表9 聚丙烯纖維性能指標(biāo)

以上原材料為料場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)取樣或由廠家送至實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)檢驗(yàn)原材料均符合要求。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 纖維混凝土配合比

經(jīng)計(jì)算和前期的試驗(yàn)確定本試驗(yàn)的基準(zhǔn)配合比(見表10)，基準(zhǔn)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C40。

2.2.2 纖維混凝土拌和工藝及成型養(yǎng)護(hù)

纖維混凝土的拌和工藝為：先將纖維、水泥、粗細(xì)骨料等依次倒入攪拌機(jī)中，干拌1min；然后再將高效減水劑和水徐徐加入攪拌機(jī)中，濕拌2～3min，使拌和物均勻分散；卸料時(shí)將攪拌均勻的摻纖維混凝土傾倒在濕潤(rùn)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(dòng)臺(tái)振實(shí)，振動(dòng)成型時(shí)一邊將拌和物裝模一邊用抹刀沿試模內(nèi)壁稍加插搗，振動(dòng)至混凝土表面出漿(振動(dòng)時(shí)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(hào)、拆模，將拆模后的試件放標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。

表10 纖維改性混凝土配合比

纖維混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的試件為150mm×150mm×150mm的立方體標(biāo)準(zhǔn)試件，在試件達(dá)到28天齡期時(shí)，進(jìn)行了混凝土試件的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的測(cè)試。試驗(yàn)嚴(yán)格按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352—2006)的相關(guān)要求進(jìn)行，試驗(yàn)儀器采用混凝土液壓式Y(jié)E—2000型壓力試驗(yàn)機(jī)。

纖維混凝土抗沖磨的試件為直徑300mm、高100mm的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試件，在試件達(dá)到28天齡期時(shí)，進(jìn)行了混凝土試件的抗沖磨強(qiáng)度的測(cè)試，試驗(yàn)前試件需在水中浸泡3天使其吸水至飽和后方可進(jìn)行。試驗(yàn)方法為水下鋼球法。試驗(yàn)嚴(yán)格按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352—2006)的相關(guān)要求進(jìn)行，試驗(yàn)儀器為自主研制的自動(dòng)補(bǔ)水式水工混凝土抗沖磨試驗(yàn)儀。該儀器利用旋轉(zhuǎn)水流沖擊鋼球，進(jìn)行預(yù)制混凝土表面鋼球沖擊磨損試驗(yàn)，以測(cè)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(dá)到28天齡期時(shí)，進(jìn)行混凝土試件的抗?jié)B性和抗凍性的測(cè)試?；炷量?jié)B性試驗(yàn)依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352—2006)采用逐級(jí)加壓法進(jìn)行，抗凍性試驗(yàn)依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352—2006)進(jìn)行，檢測(cè)混凝土抗?jié)B試件的抗?jié)B等級(jí)以及抗凍試件的抗凍性能。試驗(yàn)設(shè)備為HS-4S型混凝土抗?jié)B儀和TDR1型混凝土自動(dòng)快速凍融試驗(yàn)儀。

3 纖維混凝土抗沖磨性能試驗(yàn)結(jié)果

3.1 纖維混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從摻加了不同種類和長(zhǎng)度的纖維混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果(見圖1)可以看出，所有試件的抗壓強(qiáng)度均達(dá)到了C40的要求。按照抗壓強(qiáng)度從大到小排序?yàn)閾郊泳郾├w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(qiáng)度均高于不摻加纖維試件(09試件)的抗壓強(qiáng)度?？箟簭?qiáng)度最高的為摻加長(zhǎng)度為12mm的聚丙烯纖維試件(07試件)，其抗壓強(qiáng)度為59.2MPa，比不摻加纖維試件的抗壓強(qiáng)度高25.7%。由圖1可以看出，鋼纖維對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度影響最小。

圖1 摻加不同種類和長(zhǎng)度纖維的混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖2 摻加不同種類和長(zhǎng)度纖維的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

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

3.2 纖維混凝土抗沖磨強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從摻加了不同種類和長(zhǎng)度的纖維混凝土抗沖磨強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度均高于不摻加纖維的混凝土試件(09試件)的抗沖磨強(qiáng)度，表明摻加纖維對(duì)混凝土抗沖磨強(qiáng)度具有明顯的提升作用。其中，摻加長(zhǎng)度為12mm的聚乙烯醇纖維試件(03試件)抗沖磨強(qiáng)度最高，為11.48h/(kg/m2)，摻加長(zhǎng)度為12mm的聚丙烯纖維試件(07試件)抗沖磨強(qiáng)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(qiáng)度呈顯著的負(fù)相關(guān)。在相同的時(shí)間內(nèi)，抗沖磨強(qiáng)度大的試件失重率低，表明抗沖磨強(qiáng)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(dāng)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(huì)裸露出來。與砂和石子相比，纖維的韌性要大得多，對(duì)抗沖磨能量的吸附性也更強(qiáng)，而纖維對(duì)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(zhǎng)度纖維的混凝土抗沖磨強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

4 纖維抗沖磨混凝土的優(yōu)選

對(duì)纖維抗沖磨混凝土的優(yōu)選主要從具有較好的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度、具有較高的抗沖磨強(qiáng)度、經(jīng)濟(jì)合理等方面考慮。

4.1 抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度優(yōu)選

從試驗(yàn)結(jié)果來看，摻加長(zhǎng)度為12mm的聚丙烯纖維試件抗壓強(qiáng)度最高，摻加長(zhǎng)度為12mm的聚乙烯醇纖維試件的劈裂抗拉強(qiáng)度和摻加長(zhǎng)度為12mm的聚丙烯纖維試件的劈裂抗拉強(qiáng)度基本一致。

4.2 抗沖磨強(qiáng)度優(yōu)選

從試驗(yàn)結(jié)果來看，摻加長(zhǎng)度為12mm的聚乙烯醇纖維試件抗沖磨強(qiáng)度最高，摻加長(zhǎng)度為12mm的聚丙烯纖維試件的抗沖磨強(qiáng)度次之。

4.3 經(jīng)濟(jì)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(jì)算，僅比較纖維的價(jià)格。鋼纖維價(jià)格為4元/kg，聚丙烯纖維價(jià)格為6.25元/kg，聚乙烯醇纖維價(jià)格為45元/kg。按照試驗(yàn)的配合比計(jì)算，摻加鋼纖維的混凝土價(jià)格為40元/m3，摻加聚丙烯纖維的混凝土價(jià)格為6.25元/m3，摻加聚乙烯醇纖維的混凝土價(jià)格為45元/m3?？梢钥闯觯郾├w維在價(jià)格上更具優(yōu)勢(shì)。

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

5 纖維抗沖磨混凝土耐久性試驗(yàn)結(jié)果

抗?jié)B性能和抗凍性能是混凝土耐久性的兩個(gè)重要指標(biāo)。為了進(jìn)一步研究纖維混凝土的力學(xué)性能，對(duì)摻加長(zhǎng)度為12mm的聚丙烯纖維混凝土試件進(jìn)行了抗?jié)B性能和抗凍性能試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果(見表11)可以看出，摻加長(zhǎng)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(jí)和抗凍等級(jí)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

表11 混凝土試件抗?jié)B、抗凍試驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié) 論

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

本文僅對(duì)纖維混凝土試件的抗凍性和抗?jié)B性進(jìn)行了檢測(cè)，對(duì)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(jìn)一步開展。