纖維對(duì)水工高性能混凝土抗沖耐磨特性的影響

李光偉，馬巧玲

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610071)

1 前 言

隨著西部大開發(fā)和西電東送發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，我國(guó)要興建一批以溪洛渡水電站和錦屏一級(jí)水電站為代表的大型高水頭電站，其泄流最大流速可達(dá)40～50m/s，因而對(duì)水工泄水建筑物抗沖磨混凝土材料的綜合性能提出較高的要求［1－2］。它既要求混凝土材料具有優(yōu)良的抗沖耐磨能力，同時(shí)要求混凝土材料具有較高的抗裂能力。

目前水電工程一般通過(guò)采用選擇低水膠比，提高混凝土的強(qiáng)度等級(jí)的方法來(lái)提高混凝土的抗沖磨能力。但隨著混凝土水膠比的降低，混凝土膠凝材料的水化產(chǎn)物在水化早期便會(huì)堵塞毛細(xì)孔通道，阻礙外部養(yǎng)護(hù)水向混凝土內(nèi)部的遷移，造成內(nèi)部失水自干燥而收縮，混凝土材料早齡期的收縮應(yīng)變隨之增加。當(dāng)這種收縮應(yīng)變受到限制時(shí)，出現(xiàn)裂縫的可能性也隨之增加。近年來(lái)在水電工程實(shí)際中通常采用在抗沖耐磨混凝土中復(fù)摻部分纖維，以達(dá)到減少混凝土收縮變形，提高混凝土抗裂能力的目的［3－5］。

目前在水電工程中比較常用的纖維種類有合成纖維、金屬纖維、無(wú)機(jī)非金屬纖維和天然有機(jī)纖維等，復(fù)摻纖維在提高水工高性能混凝土抗裂能力的同時(shí)，對(duì)混凝土抗沖耐磨特性的影響則是水電工程界十分關(guān)注的問(wèn)題。為此結(jié)合水電工程的實(shí)際，采用目前在水電工程中常用纖維進(jìn)行纖維混凝土抗沖耐磨性能試驗(yàn)研究，探討和分析不同纖維對(duì)水工高性能混凝土抗沖耐磨特性的影響。

2 混凝土抗沖耐磨特性的試驗(yàn)方法

2.1 混凝土抗沖耐磨的試驗(yàn)方法

為了客觀的評(píng)價(jià)摻纖維對(duì)水工混凝土抗沖耐磨特性的影響，本次試驗(yàn)采用“混凝土抗含砂水流沖刷試驗(yàn)(圓環(huán)法)”和“混凝土抗沖磨試驗(yàn)(水下鋼球法)”［6］兩種方法進(jìn)行纖維混凝土抗沖耐磨性能試驗(yàn)研究。混凝土抗沖耐磨性能的評(píng)定指標(biāo)是以每平方米混凝土表面剝蝕1kg混凝土所需的時(shí)間表示，稱為混凝土抗沖磨強(qiáng)度。

混凝土抗含砂水流沖刷試驗(yàn)方法(圓環(huán)法)是用來(lái)測(cè)定各種混凝土在含砂水流沖刷作用下的抗沖磨性能。試驗(yàn)主要設(shè)備為混凝土變速?zèng)_磨儀，設(shè)備模擬流速為14.0m/s，磨損介質(zhì)為石英砂(粒徑0.5～0.85mm)和水的混合物?；炷猎嚰榄h(huán)形，由金屬葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)造成流速，磨損混凝土環(huán)形試件的內(nèi)側(cè)面，累計(jì)沖磨90min。

混凝土抗沖磨試驗(yàn)(水下鋼球法)方法是用來(lái)測(cè)定各種混凝土抗推移質(zhì)和懸移質(zhì)沖擊磨損性能。試驗(yàn)設(shè)備由轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，鋼容器及攪拌槳組成，模擬介質(zhì)由70個(gè)不同粒徑的鋼球和水組成。試驗(yàn)時(shí)將混凝土試件放入容器內(nèi)，并使被測(cè)試面朝上。放入鋼球并加水至水面高出試件表面165mm，開動(dòng)機(jī)器，使攪拌槳保持轉(zhuǎn)速為1 200r/min。試件表面上的水流速度約為1.5～1.8m/s，鋼球的跳躍最大高度80mm，累計(jì)沖磨72h。

2.2 混凝土抗沖擊的試驗(yàn)方法

混凝土的抗沖擊性能是指在反復(fù)沖擊荷載作用下，混凝土吸收動(dòng)能的能力，目前國(guó)際上比較通用的抗沖擊試驗(yàn)方法主要有爆炸試驗(yàn)、彈射試驗(yàn)、擺錘沖擊試驗(yàn)和落錘沖擊試驗(yàn)。由于落錘沖擊試驗(yàn)的簡(jiǎn)便性，受到了美國(guó)ACI544委員會(huì)的推薦［7］。

本次試驗(yàn)采用落錘法測(cè)定纖維混凝土的抗沖擊能力?；炷猎嚰?0mm×10mm×10mm立方體，沖擊錘重3kg，錘的下端為球面，下落高度為53mm，沖擊錘中線與試件中心線對(duì)齊，測(cè)試時(shí)，沖擊錘自由落下沖擊混凝土表面?；炷恋臎_擊韌性以試件在落錘的反復(fù)沖擊作用下，表面出現(xiàn)第一條肉眼可見裂縫時(shí)單位體積所耗的能來(lái)表示。

3 纖維對(duì)水工高性能混凝土抗沖耐磨特性的影響

3.1 摻合成纖維對(duì)水工高性能混凝土抗沖耐磨特性的影響

合成纖維是一種耐久性優(yōu)良、很有發(fā)展前景的高性能水泥基復(fù)合材料。隨著合成工業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)出了許多如改性晴綸纖維、聚丙烯纖維、聚酯纖維和聚乙烯纖維等性能良好的合成纖維，各種性能優(yōu)良的合成纖維為發(fā)展高性能混凝土提供了物質(zhì)保障［8］。采用目前在水電工程中比較常用的幾種合成纖維:聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維以及聚乙烯醇纖維，進(jìn)行摻合成纖維混凝土抗沖耐磨性能的試驗(yàn)研究。本次試驗(yàn)所采用的各種合成纖維的性能指標(biāo)見表1，合成纖維的摻量均為0.9kg/m3。摻各種合成纖維混凝土的抗沖磨強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖1，摻各種合成纖維混凝土的沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果見圖2，試驗(yàn)齡期分別為28d和90d。

圖1 摻合成纖維對(duì)混凝土抗沖磨強(qiáng)度的影響

表1 合成纖維的技術(shù)指標(biāo)

圖2 摻合成纖維對(duì)混凝土沖擊韌性的影響

由摻合成纖維混凝土的抗沖耐磨性能試驗(yàn)結(jié)果可以看出:在混凝土中摻入0.9kg/m3的合成纖維可以有效地提高水工混凝土的抗沖耐磨特性。其中摻聚丙烯纖維的抗沖磨強(qiáng)度提高了10%左右，沖擊韌性提高了34.0% ～38.1%。摻聚丙烯腈纖維的抗沖磨強(qiáng)度提高了15%左右。摻聚乙烯醇纖維的抗沖磨強(qiáng)度提高了18%左右，沖擊韌性提高了48.8%～55.7%。相比而言，摻聚乙烯醇纖維混凝土的抗沖耐磨特性要優(yōu)于摻聚丙烯腈纖維和摻聚丙烯纖維混凝土。

3.2 摻金屬纖維對(duì)水工高性能混凝土抗沖耐磨特性的影響

鋼纖維混凝土是目前作為工程結(jié)構(gòu)材料用途最廣，用量較大的一種纖維混凝土。鋼纖維因生產(chǎn)方法的不同而分為四大類:高強(qiáng)鋼絲切斷型鋼纖維;剪切型鋼纖維;銑削型鋼纖維和熔抽型鋼纖維［9］。本次試驗(yàn)采用銑削型鋼纖維，其平均長(zhǎng)度為32.01mm，等效直徑為0.94mm，長(zhǎng)徑比34，抗拉強(qiáng)度700MPa，鋼纖維的摻量為40kg/m3。摻鋼纖維混凝土與摻聚丙烯纖維混凝土抗沖磨強(qiáng)度性能比較的試驗(yàn)結(jié)果(水下鋼球法)見圖3，沖擊韌性的比較試驗(yàn)結(jié)果見圖4，試驗(yàn)齡期分別為28d和90d。

圖3 摻鋼纖維與聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗沖磨強(qiáng)度影響的比較

圖4 摻鋼纖維與聚丙烯纖維對(duì)混凝土沖擊韌性影響的比較

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出:在同等條件下，摻40kg/m3的鋼纖維混凝土抗沖耐磨特性要優(yōu)于摻0.9kg/m3的聚丙烯纖維混凝土。其中采用水下鋼球法測(cè)試的混凝土表面抗沖磨強(qiáng)度提高了30.9%～40.9%，采用圓環(huán)法測(cè)試的混凝土側(cè)面抗沖磨強(qiáng)度提高了7.1%～8.8%。與摻0.9kg/m3的聚丙烯纖維相比，摻40kg/m3的鋼纖維混凝土可以提高纖維混凝土的沖擊韌性26.0%～26.8%。

3.3 摻無(wú)機(jī)非金屬纖維對(duì)水工高性能混凝土抗沖耐磨特性的影響

玄武巖纖維是以天然的火山噴出巖作為原料，將其破碎后加入熔窯中，在1 450～1 500℃熔融后，通過(guò)鉑銠合金拉絲漏板制成的連續(xù)纖維。在玄武巖纖維的各項(xiàng)性能中有兩點(diǎn)特別突出:熱穩(wěn)定性好和耐化學(xué)性能好。玄武巖纖維是一種無(wú)機(jī)非金屬纖維，性價(jià)比高，發(fā)展前景樂(lè)觀，被國(guó)家列為中長(zhǎng)期要重點(diǎn)發(fā)展的四大高新技術(shù)纖維［10］。本次試驗(yàn)采用的玄武巖纖維性能指標(biāo)見表2，玄武巖纖維的摻量為0.8kg/m3。摻玄武巖纖維與摻聚丙烯纖維混凝土抗沖磨強(qiáng)度性能比較的試驗(yàn)結(jié)果(水下鋼球法)見圖5，沖擊韌性比較的試驗(yàn)結(jié)果見圖6，其中抗沖磨強(qiáng)度試驗(yàn)齡期為90d，沖擊韌性的試驗(yàn)齡期為28d和90d。

表2 玄武巖纖維性能指標(biāo)

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出:在同等條件下，摻0.8kg/m3的玄武巖纖維混凝土抗沖耐磨特性要優(yōu)于摻0.9kg/m3的聚丙烯纖維混凝土。其抗沖磨強(qiáng)度提高了5.9% ～9.0%，沖擊韌性則提高了5.7%～7.1%。

3.4 摻天然有機(jī)纖維對(duì)水工高性能混凝土抗沖耐磨特性的影響

纖維素纖維是一種超細(xì)生態(tài)纖維，屬于天然有機(jī)纖維。它的基體是取自一種經(jīng)基因改良的特殊硬木樹種，通過(guò)專業(yè)的生物技術(shù)、提純工藝制成的。本次試驗(yàn)采用的纖維素纖維的性能指標(biāo)見表3，纖維素纖維的摻量為0.9kg/m3。摻纖維素纖維與摻聚丙烯纖維混凝土抗沖磨強(qiáng)度性能比較的試驗(yàn)結(jié)果(水下鋼球法)見圖7，沖擊韌性比較的試驗(yàn)結(jié)果見圖8，試驗(yàn)齡期為90d。

對(duì)摻纖維素纖維混凝土和摻聚丙烯纖維混凝土

圖5 摻玄武巖纖維與聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗沖磨強(qiáng)度影響的比較

圖6 摻玄武巖纖維與聚丙烯纖維對(duì)混凝土沖擊韌性影響的比較

圖7 摻纖維素纖維與聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗沖磨強(qiáng)度影響的比較

圖8 摻纖維素纖維與聚丙烯纖維對(duì)混凝土沖擊韌性影響的比較

的抗沖耐磨特性進(jìn)行比較可以看出:摻纖維素纖維混凝土的抗沖磨強(qiáng)度略高于摻聚丙烯纖維混凝土的抗沖磨強(qiáng)度，兩者的沖擊韌性相當(dāng)。

表3 纖維素纖維的基本性能

4 摻纖維對(duì)水工抗沖耐磨高性能混凝土性能影響的分析與討論

4.1 提高混凝土的早期抗裂能力

在低水膠比水工混凝土中復(fù)摻部分纖維能夠有效地減少混凝土的塑性收縮及干燥收縮，提高混凝土的抗裂能力。這是由于纖維直徑細(xì)，比表面積大，在體積率0.1%的情況下，每立方米混凝土中即有幾百萬(wàn)甚至上千萬(wàn)根纖維，這樣在混凝土基體的水泥砂漿中布滿了橫豎交叉的立體纖維網(wǎng)，對(duì)混凝土初期硬化基體的干縮和塑性收縮能起到較強(qiáng)的約束作用。與早齡期的混凝土相比，纖維的彈性模量要高，所以從復(fù)合材料增強(qiáng)理論講，在低水膠比水工混凝土中復(fù)摻部分纖維，對(duì)混凝土早期的膠凝體會(huì)起到明顯的增強(qiáng)作用，從而抑制膠凝體裂縫的發(fā)生。另外，由于眾多亂向分布的纖維，在混凝土中可形成三維支撐體系，阻止骨料的下沉，提高混凝土的勻質(zhì)性，降低混凝土的泌水，減少混凝土的水分散發(fā)，從而阻礙了沉降裂紋的形成，提高混凝土的抗裂能力。

4.2 提高混凝土的抗沖耐磨能力

高速含砂水流對(duì)水工泄水建筑物的破壞是沖擊、摩擦和切削，當(dāng)在低水膠比水工抗沖磨混凝土中摻部分纖維時(shí)，纖維以每方數(shù)千萬(wàn)根的數(shù)量摻入混凝土中，其互相搭接、牽連，在混凝土內(nèi)部形成一個(gè)亂向支撐系統(tǒng)，阻礙由于沖擊或磨損發(fā)生的裂縫的發(fā)展，纖維也牽制了混凝土碎塊從基體中剝落，使得混凝土碎塊從基體上剝落需要消耗更多的能量，從而提高了混凝土的耐磨能力。另外，纖維能把混凝土的收縮能量分散到高抗拉強(qiáng)度的纖維上，阻止混凝土原有缺陷的擴(kuò)展并延緩新裂縫的出現(xiàn)，增強(qiáng)混凝土材料內(nèi)部的連續(xù)性，減少了沖擊波被阻斷引起的局部應(yīng)力集中程度，所以對(duì)低水膠比水工抗沖耐磨混凝土的脆性有著很大的改善。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出:纖維依彈性模量是否高于基體混凝土的彈性模量可分為低彈模和高彈模兩類。摻用高彈模纖維混凝土的抗沖耐磨特性要優(yōu)于摻低彈模纖維混凝土，這是由于當(dāng)纖維混凝土受到?jīng)_磨破壞，混凝土的基體發(fā)生裂縫時(shí)，纖維會(huì)橋架裂縫，纖維這種橋架作用一方面能阻礙裂縫的繼續(xù)發(fā)展，另一方面纖維也能承受部分載荷，從而緩解混凝土材料的破壞程度。纖維的這種橋架作用和對(duì)磨損的抵抗作用的大小，與纖維自身的抗拉強(qiáng)度以及彈性模量有關(guān)，纖維自身的抗拉強(qiáng)度和彈性模量越大，改善硬化水泥漿和混凝土的強(qiáng)度和韌性的作用越明顯。

5 結(jié) 語(yǔ)

在低水膠比水工高性能混凝土中摻部分纖維，不僅可以有效地抑制混凝土的收縮裂縫，而且對(duì)混凝土的抗沖耐磨特性也有著很好的改善作用。摻不同種類纖維對(duì)水工混凝土的抗沖耐磨性能的影響依照纖維自身彈性模量的大小而有所不同。對(duì)于水工抗沖耐磨高性能混凝土而言，摻高彈性模量纖維對(duì)混凝土的抗沖耐磨性能的提高幅度要大于摻低彈性模量纖維。

［1］溪洛渡水電站抗沖耐磨混凝土試驗(yàn)研究［R］.成都:中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2009.

［2］錦屏一級(jí)水電站抗沖耐磨混凝土性能試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.成都:中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2009.

［3］馬曉華，丁一寧.不同纖維對(duì)高性能混凝土自由收縮和非自由收縮影響的試驗(yàn)研究［M］.纖維混凝土的技術(shù)進(jìn)展與工程應(yīng)用.大連:大連理工大學(xué)出版社，2006.

［4］李光偉.玄武巖纖維在水工抗沖蝕高性能混凝土中的應(yīng)用［J］. 混凝土，2008(11).

［5］盧安琪，李克亮，祝燁然.聚丙烯纖維混凝土抗沖耐磨試驗(yàn)研究［J］.水利水電技術(shù)，2002(4).

［6］漫玉見，余文勝，霍海平.濕噴鋼纖維混凝土在公伯峽水電站導(dǎo)流洞工程中的應(yīng)用［J］.水力發(fā)電，2002(8).

［7］中華人民共和國(guó)國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)．水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程(DL/T5150－2001)［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2002.

［8］王伯昕，黃承逵.粗合成纖維混凝土抗裂與抗沖擊性能試驗(yàn)研究［M］.纖維混凝土的技術(shù)進(jìn)展與工程應(yīng)用.大連:大連理工大學(xué)出版社，2006.

［9］鄧宗才.高性能合成纖維混凝土［M］.北京:科學(xué)出版社，2003.

［10］黃承逵.纖維混凝土結(jié)構(gòu)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［11］吳剛，胡顯奇.玄武巖纖維及其增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能研究與應(yīng)用［M］∥.纖維混凝土的技術(shù)進(jìn)展與工程應(yīng)用.大連:大連理工大學(xué)出版社，2006.