(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水工抗沖磨混凝土的壽命，在我國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。混凝土抗?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。摻加長度為12mm的聚乙烯醇纖維試件(03試件)和摻加長度為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，摻加長度為12mm的聚丙烯纖維試件抗壓強(qiáng)度最高，摻加長度為12mm的聚乙烯醇纖維試件的劈裂抗拉強(qiáng)度和摻加長度為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，摻加長度為12mm的聚乙烯醇纖維試件抗沖磨強(qiáng)度最高，摻加長度為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。可以看出，聚丙烯纖維在價(jià)格上更具優(yōu)勢(shì)。

綜上可以看出，長度為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。