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(qiáng)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(xì)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(qiáng)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(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)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疚耐ㄟ^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(yàn)借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)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(diǎn)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(jìn)行研究。因此，試驗(yàn)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(yàn)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(xiàn)資料和試驗(yàn)?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(jìn)行試驗(yàn)，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(yàn)方案設(shè)計

1.3 試件的制備和養(yǎng)護(hù)

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(yàn)中選用A200C-2251R 型可調(diào)速攪拌機(jī)，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(jìn)行。

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

1.4 試驗(yàn)方法

對試件的抗沖磨試驗(yàn)采用風(fēng)砂槍試驗(yàn)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(shí)際運(yùn)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(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，其工作原理示意圖如圖1所示，試驗(yàn)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(yàn)規(guī)程》(DL/T 5150—2001)中的具體規(guī)定進(jìn)行。

圖1 風(fēng)砂槍沖磨試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)原理示意圖

在開始試驗(yàn)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(yàn)。試驗(yàn)過程中每個試塊進(jìn)行4次沖磨試驗(yàn)，并在試驗(yàn)結(jié)束后再次測量試件質(zhì)量。研究中微觀試驗(yàn)主要是觀察混凝土在沖磨后的面型特點(diǎn)，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(yàn)結(jié)果與分析

2.1 沖磨適量損失

利用上節(jié)的試驗(yàn)方案和試驗(yàn)方法，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對不同摻量下的試塊質(zhì)量損失進(jìn)行計算，根據(jù)試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)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(qiáng)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(qiáng)度[6]：

(1)

其中，fa為抗沖磨強(qiáng)度，h/cm；T為每次試驗(yàn)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(yàn)質(zhì)量損失，g。

利用上述公式和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計算出不同PVA摻量下試塊的抗沖磨強(qiáng)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(dá)到一定水平時，試塊的抗磨強(qiáng)度均有所上升，當(dāng)摻量為1%時，試塊的抗磨強(qiáng)度與沒有摻PVA試塊相比，提高了56.1%。由此可見，在本次試驗(yàn)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(qiáng)度

2.3 試件微觀形貌

通過對試件表面的微觀形貌進(jìn)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(yàn)過程中對實(shí)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?，而氣泡等缺陷?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(rèn)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(qiáng)度和抗沖磨強(qiáng)度的關(guān)系

試驗(yàn)過程中對不同PVA摻量的混凝土試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，并結(jié)合抗沖磨強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，繪制出如圖3所示的試件抗壓強(qiáng)度和抗沖磨強(qiáng)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(qiáng)度和抗沖磨強(qiáng)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(qiáng)度和抗沖磨強(qiáng)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(qiáng)度和抗沖磨強(qiáng)度關(guān)系圖

3 結(jié) 論

本文利用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)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(jìn)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(dá)到一定水平時，試塊的抗磨強(qiáng)度均有所上升，當(dāng)摻量為1%時，試塊的抗磨強(qiáng)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(jìn)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(yàn)過程中對實(shí)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(qiáng)度和抗沖磨強(qiáng)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。