聚丙烯纖維對水工混凝土抗沖耐磨性能影響的試驗(yàn)研究

向超群， 倪坤林， 王 科， 聞 銳

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都 610081)

1 概述

含沙高速水流對水工建筑物過流面混凝土的沖刷磨損和空蝕破壞是水工泄流建筑物，如溢流面、泄洪洞(槽)、泄水閘等常見的病害。尤其是當(dāng)流速較高且水流中又挾帶著懸移質(zhì)或推移質(zhì)時，建筑物遭受到的沖耐磨、空蝕就更為嚴(yán)重。

糯扎渡水電站工程位于云南省思茅市翠云區(qū)和瀾滄縣交界的瀾滄江下游干流上。本試驗(yàn)所涉及的聚丙烯纖維混凝土主要是使用在開敞式溢洪道相關(guān)部位。該溢洪道水平總長1 445.183 m，寬151.5 m，分為引渠段、閘室段和泄槽段，其中泄槽段由坡度為1.332%的緩槽段和坡度為23%的陡槽段組成。泄槽段底板厚1 m，全部為C18055W 8F100抗沖耐磨混凝土;最大泄洪水頭182 m，最大泄流量達(dá)37 532 m3/s，泄流功率達(dá)66 940 MW，泄槽最大流速為52 m/s。加之瀾滄江流域含沙量較大，多年平均懸移質(zhì)沙量為9 868.4×104t，輸沙率為 3 127 kg/s，含沙量為 1.797 kg/m3;推移質(zhì)沙量為296×104t。因此，溢洪道對混凝土的抗沖耐磨性要求非常高。故對聚丙烯纖維混凝土抗沖耐磨性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

2 試驗(yàn)原料

水泥:建峰水泥有限公司生產(chǎn)的“野象”牌42.5級硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

聚丙烯纖維:深圳市維耐特工程材料有限公司生產(chǎn)的“維克”牌聚丙烯纖維，其性能指標(biāo)見表2。

外加劑:粉煤灰為云南宣威粉煤灰廠生產(chǎn)的F類Ⅰ級粉煤灰，性能指標(biāo)見表3;聚羧酸系高效減水劑，為江蘇博特產(chǎn)JM－PCA(I)，減水率為28% ～32%。

集料:砂為人工砂，石料為二級配人工碎石。

表1 42.5硅酸鹽水泥物理力學(xué)性能表

表2 聚丙烯纖維物理性質(zhì)表

表3 粉煤灰物理性能表

3 聚丙烯纖維混凝土抗沖耐磨性能試驗(yàn)

3.1 聚丙烯纖維抗沖耐磨混凝土試驗(yàn)配合比

混凝土設(shè)計(jì)為二級配C55，混凝土試驗(yàn)共有4組，即聚丙烯纖維摻量分別為 0，0.6，0.9，1.2 kg/m3試驗(yàn)組。具體混凝土配合比見表4。為了保持坍落度基本不變，對各試驗(yàn)組中配合比的用水量適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行了調(diào)整。試驗(yàn)采用的試件均由二級配混凝土拌和后經(jīng)濕篩后制作成型。

表4 混凝土試驗(yàn)配合比表

3.2 聚丙烯纖維抗沖耐磨混凝土的力學(xué)和變形性能

聚丙烯纖維抗沖耐磨混凝土抗壓強(qiáng)度、軸拉強(qiáng)度、軸拉彈性模量、極限拉伸值和靜力抗壓彈性模量見表5。

表5 混凝土力學(xué)和變形性能表

試驗(yàn)表明:聚丙烯纖維的摻入使混凝土7 d抗壓強(qiáng)度降低13% ～15%，28 d抗壓強(qiáng)度降低6% ～14%，90 d抗壓強(qiáng)度降低4% ～11%，抗拉強(qiáng)度提高4%～7%，摻纖維使混凝土的抗壓強(qiáng)度有一定程度的降低，但纖維摻量對抗壓強(qiáng)度影響不大，而抗拉強(qiáng)度隨纖維摻量的增加而增加;極限拉伸值提高3% ～6%，抗拉彈模下降，即混凝土剛度下降，韌性提高。

3.3 聚丙烯纖維混凝土抗沖耐磨性能

抗沖耐磨試驗(yàn)仿照ASTMC10138－89方法進(jìn)行。該方法為模擬高速挾沙水流對過流面沖耐磨破壞而設(shè)計(jì)，由1 400 r/min轉(zhuǎn)速的葉輪帶動水和70個大小不等的鋼球摩擦試驗(yàn)表面72 h，根據(jù)沖耐磨后試件的失重計(jì)算混凝土的抗沖耐磨強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果見表6，抗沖耐磨強(qiáng)度按下式計(jì)算:

表4 混凝土試驗(yàn)配合比表

表5 混凝土力學(xué)和變形性能表

式中 Rchm為抗沖耐磨強(qiáng)度，即單位面積上被磨去單位重量所需的時間，h/(kg·m－2);T為試件累計(jì)的持續(xù)時間，h;為經(jīng)T時段沖耐磨后試件損失的累積質(zhì)量，kg;A為試件受磨面積，m2。

表6 混凝土抗沖耐磨性能表

由表6可見，聚丙烯纖維的摻入可提高混凝土抗沖耐磨性能。隨著纖維摻量的增加，混凝土抗沖耐磨性能隨之提高。摻 0.6，0.9，1.2 kg/m3聚丙烯纖維的28 d齡期混凝土抗沖耐磨強(qiáng)度比C55普通高強(qiáng)混凝土分別提高了34%、40%和59%;90 d齡期混凝土抗沖耐磨強(qiáng)度比C55普通高強(qiáng)混凝土分別提高了29%、44%和52%。

3.4 聚丙烯纖維混凝土的抗沖擊性能

試驗(yàn)依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T5150－2001)、《水工建筑物抗沖耐磨防空蝕混凝土技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5207－2005)，抗沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)采用ACI委員會推薦方法。

抗沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)混凝土試件尺寸為φ150×64 mm，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，沖擊錘重2 kg，下落高度h=900 mm。沖擊錘與試件的中心對齊，采用自由落體下?lián)簦?dāng)試件開始出現(xiàn)裂縫時，記錄沖擊次數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見表7。沖擊能量計(jì)算采用下式:

W=nmgh

式中 W為錘擊能量，N·m;n為錘擊次數(shù);h為沖擊錘下落高度，m;m為沖擊錘重量，kg;g為重力加速度，m/s2。

表7 混凝土抗沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果表

試驗(yàn)結(jié)果表明:(1)聚丙烯纖維的摻入，大大提高了混凝土的抗沖擊性能，纖維摻量為0.6 kg/m3時，抗沖擊能力提高約一倍;當(dāng)纖維摻量達(dá)到0.9 kg/m3，1.2 kg/m3時，混凝土抗沖擊能力提升至C－1試件的四倍以上;(2)當(dāng)混凝土中纖維摻量達(dá)到0.9 kg/m3時，抗沖擊性能提升較大;而當(dāng)纖維摻量增加至1.2 kg/m3時，混凝土的抗沖擊性能并未因纖維摻量的增加而顯出更加明顯的優(yōu)勢。

4 機(jī)理分析

聚丙烯纖維的特點(diǎn)是細(xì)度高(當(dāng)量直徑0.02～0.1 mm)，比表面積大，數(shù)量多(0.9 kg/m3的摻量充分分散可獲得700萬～3 000萬根纖維絲)，在混凝土中纖維間距小。每公斤聚丙烯微纖維連起來的總長度可以繞地球10多圈，若分布在1 m3的混凝土中，可使每cm3的混凝土中有20多條纖維絲，攪拌均勻后可在混凝土內(nèi)部構(gòu)成均勻的亂向支撐體系。

4.1 聚丙烯纖維直接增強(qiáng)混凝土抗沖耐磨性能

當(dāng)高速水流通過泄水建筑時，水流中的沙?；蝻L(fēng)化的巖石碎片會形成懸移質(zhì)和推移質(zhì)在水流中滾動、滑動和跳躍，對過流面不僅產(chǎn)生較大的磨損，而且還產(chǎn)生嚴(yán)重的沖擊破壞。而當(dāng)混凝土中摻入聚丙烯纖維后，纖維能在該混凝土內(nèi)部相互搭接、牽連，相當(dāng)于在混凝土中散布著無數(shù)細(xì)小的“鋼筋”，構(gòu)成均勻的亂向支撐體系，從而限制被磨損和沖擊水泥塊的剝落。因?yàn)閷⒗w維從水泥基體剝落需要消耗額外的能量，從而有效地改善了混凝土的抗沖耐磨能力。

4.2 聚丙烯纖維能有效控制混凝土裂縫的產(chǎn)生，減少空蝕破壞，間接增強(qiáng)混凝土的抗沖耐磨性能

由于聚丙烯纖維以單位體積內(nèi)較大的數(shù)量均勻分布于混凝土內(nèi)部，故由收縮變形引起的微裂縫在產(chǎn)生的過程中必然遭遇纖維的阻擋，消耗其能量，使其難以進(jìn)一步發(fā)展。而當(dāng)裂縫出現(xiàn)后，聚丙烯纖維的存在又使得裂縫尖端的發(fā)展受到限制，裂縫只能繞過纖維或把纖維拉斷來繼續(xù)發(fā)展，這就需要消耗巨大的能量來克服纖維對裂縫發(fā)展的限制作用。聚丙烯纖維相當(dāng)于提高了混凝土的抗拉強(qiáng)度，同時鈍化了原生裂隙尖端的應(yīng)力集中。當(dāng)微裂縫的長度大于纖維的間距時，纖維將跨越裂縫起到傳遞荷載的橋梁作用，使混凝土內(nèi)的應(yīng)力場更加連續(xù)和均勻，并使微裂縫尖端的應(yīng)力集中得以鈍化，裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展受到約束。當(dāng)混凝土的裂縫得以有效控制后，混凝土表面再過流時的空蝕破壞程度將大大降低，從而增強(qiáng)了混凝土的抗沖耐磨性能。

4.3 在混凝土中摻入聚丙烯纖維的同時，加入適量粉煤灰和聚羧酸系高效減水劑，能進(jìn)一步提升混凝土的抗沖耐磨性能

當(dāng)在混凝土中摻入粉煤灰后，其能與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2進(jìn)行二次水化，從而有效減少Ca(OH)2晶體含量，尤其能減少骨料界面Ca(OH)2晶體的富集，從而改善水泥石與骨料的界面結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)水泥石與骨料的界面黏結(jié)力，提高混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能。

大量試驗(yàn)和工程實(shí)踐證明，水泥漿體的抗沖耐磨強(qiáng)度比骨料小，在同等強(qiáng)度等級條件下，水泥漿體的體積越大，混凝土抗沖耐磨強(qiáng)度就越小。因此，在摻入聚羧酸系高效減水劑后，能大幅度減少漿體體積，從而使混凝土抗沖耐磨性能顯著提高。

5 結(jié)語

挾帶沙石等磨損介質(zhì)的高速水流對水工泄水、排沙建筑物產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊磨損作用，必須采取有效措施改善混凝土的抗沖耐磨性能。提高糯扎渡水電站溢洪道工程混凝土的抗沖耐磨性能主要采用了以下幾方面的技術(shù)措施:

(1)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，糯扎渡水電站溢洪道抗沖耐磨混凝土抗壓強(qiáng)度宜控制在55～60 MPa，現(xiàn)采用C55，基本能使混凝土的抗沖耐磨和抗裂等綜合性能達(dá)到最優(yōu)。

(2)摻入聚丙烯纖維能改善混凝土抗裂、抗沖擊和抗沖耐磨性能。聚丙烯纖維摻量為0.9 kg/m3時，90 d混凝土試件抗沖擊強(qiáng)度比90 d同強(qiáng)度等級純水泥混凝土試件提高了3.9倍，抗沖耐磨強(qiáng)度提高44%。顯著提高了混凝土抗推移質(zhì)沖擊破壞和懸移質(zhì)切削破壞的能力，提高了溢洪道混凝土的抗沖耐磨性能。

(3)采用減水率為28% ～32%的聚羧酸系高效減水劑配制低膠材混凝土，大幅度減少了漿體體積，在無需摻硅粉的條件下，可使混凝土抗沖耐磨性能顯著提高，能夠基本滿足52 m/s以下流速混凝土抗沖耐磨的要求。

(4)采用粉煤灰等摻和料能夠改善水泥與骨料的界面結(jié)構(gòu)，提高界面結(jié)合強(qiáng)度。由于糯扎渡水電站海拔較低，夏季氣溫極高，光照時間很長，夏季施工硅粉混凝土工作性能較差，且易產(chǎn)生塑性裂縫，故采用粉煤灰替代硅粉。