纤维混凝土抗冲磨性能试验研究

(山西省水利水电科学研究院，山西 太原 030002)

1 概 述

高速含沙水流对水工混凝土建筑物过流面的空蚀破坏及冲刷磨损会造成水工建筑物混凝土表层大面积剥蚀，导致混凝土出现质量问题，造成安全隐患，因此，高速挟沙、石水流对泄水建筑物的冲磨破坏是水利工程运行中主要的危害之一[1]。目前，我国受高速含沙水流空蚀破坏及冲刷磨损的大坝泄水建筑物约占全国运行总数的70%[2]。如何有效防治这一危害，以及通过提高混凝土本身的抗冲磨性能来延长水工抗冲磨混凝土的寿命，在我国水工混凝土材料界一直备受关注。

纤维混凝土为一种复合材料的统称，由纤维和水泥基料(水泥石、砂浆或混凝土)组成。已有试验证明，在混凝土中掺加纤维可以有效地改善混凝土的基体强度和韧性，提高混凝土结构的抗拉、抗剪强度[3]。本试验选取钢纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维三种纤维在混凝土中进行掺加，对其抗压强度、劈裂抗拉强度及抗冲磨性能进行试验研究，优选出了抗冲磨性能佳、经济合理的纤维种类和长度尺寸，并对其抗渗性能和抗冻性能进行了试验，本研究可为同类水利工程施工提供参考。

2 材料与方法

2.1 试验材料

a.水泥。试验用水泥为普通硅酸盐水泥P.O 42.5，性能指标见表1。

表1 水泥性能指标

b.粉煤灰。试验用粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，性能指标见表2。

表2 粉煤灰性能指标

c.硅粉。试验用硅粉性能指标见表3。

表3 硅粉性能指标

d.减水剂。试验用减水剂为聚羧酸减水剂，性能指标见表4。

表4 聚羧酸减水剂性能指标

e.粗骨料。试验用石子为石楼县生产的5～20 mm、20～40 mm石子，性能指标见表5。

表5 粗骨料理化性能指标

f.细骨料。试验用砂子为石楼县产的天然砂，颗粒级配属中砂，性能指标见表6。

表6 细骨料理化性能指标

g.钢纤维。试验用钢纤维为剪切型钢纤维，性能指标见表7。

表7 剪切型钢纤维性能指标

h.聚乙烯醇纤维。试验用聚乙烯醇(PVA)纤维，性能指标见表8。

表8 聚乙烯醇纤维性能指标

i.聚丙烯纤维。试验用聚丙烯纤维，性能指标见表9。

表9 聚丙烯纤维性能指标

以上原材料为料场现场取样或由厂家送至实验室，经检验原材料均符合要求。

2.2 试验方法

2.2.1 纤维混凝土配合比

经计算和前期的试验确定本试验的基准配合比(见表10)，基准混凝土的强度等级为C40。

2.2.2 纤维混凝土拌和工艺及成型养护

纤维混凝土的拌和工艺为：先将纤维、水泥、粗细骨料等依次倒入搅拌机中，干拌1min；然后再将高效减水剂和水徐徐加入搅拌机中，湿拌2～3min，使拌和物均匀分散；卸料时将搅拌均匀的掺纤维混凝土倾倒在湿润的钢板上，再人工拌和2～3次后装入试模。试件适宜采用振动台振实，振动成型时一边将拌和物装模一边用抹刀沿试模内壁稍加插捣，振动至混凝土表面出浆(振动时间控制在30s左右)；试件在温度为(20±5)℃的环境中静置一夜，然后编号、拆模，将拆模后的试件放标准养护室养护。

表10 纤维改性混凝土配合比

纤维混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度的试件为150mm×150mm×150mm的立方体标准试件，在试件达到28天龄期时，进行了混凝土试件的抗压强度和劈裂抗拉强度的测试。试验严格按照《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)的相关要求进行，试验仪器采用混凝土液压式YE—2000型压力试验机。

纤维混凝土抗冲磨的试件为直径300mm、高100mm的圆柱体标准试件，在试件达到28天龄期时，进行了混凝土试件的抗冲磨强度的测试，试验前试件需在水中浸泡3天使其吸水至饱和后方可进行。试验方法为水下钢球法。试验严格按照《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)的相关要求进行，试验仪器为自主研制的自动补水式水工混凝土抗冲磨试验仪。该仪器利用旋转水流冲击钢球，进行预制混凝土表面钢球冲击磨损试验，以测定各类混凝土表面抗水流冲击磨损的能力。

纤维混凝土抗渗性的试件为上口直径175mm、下口直径185mm、高150mm截头圆锥体试件，抗冻性的试件为100mm×100mm×400mm的棱柱体试件，在试件达到28天龄期时，进行混凝土试件的抗渗性和抗冻性的测试。混凝土抗渗性试验依据《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)采用逐级加压法进行，抗冻性试验依据《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)进行，检测混凝土抗渗试件的抗渗等级以及抗冻试件的抗冻性能。试验设备为HS-4S型混凝土抗渗仪和TDR1型混凝土自动快速冻融试验仪。

3 纤维混凝土抗冲磨性能试验结果

3.1 纤维混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度试验结果

从掺加了不同种类和长度的纤维混凝土抗压强度试验结果(见图1)可以看出，所有试件的抗压强度均达到了C40的要求。按照抗压强度从大到小排序为掺加聚丙烯纤维的试件(04～08试件)>掺加聚乙烯醇纤维的试件(02～03试件)>掺加钢纤维的试件(01试件)；掺加纤维试件(01～08试件)的抗压强度均高于不掺加纤维试件(09试件)的抗压强度。抗压强度最高的为掺加长度为12mm的聚丙烯纤维试件(07试件)，其抗压强度为59.2MPa，比不掺加纤维试件的抗压强度高25.7%。由图1可以看出，钢纤维对混凝土的抗压强度影响最小。

图1 掺加不同种类和长度纤维的混凝土抗压强度试验结果

图2 掺加不同种类和长度纤维的混凝土劈裂抗拉强度试验结果

从掺加了不同种类和长度的纤维混凝土劈裂抗拉强度试验结果(见图2)可以看出，掺加不同种类和长度纤维的混凝土试件(01～08试件)的劈裂抗拉强度区别不大，均高于不掺加纤维混凝土试件(09试件)的劈裂抗拉强度，表明掺加纤维可以明显提高混凝土的劈裂抗拉强度。掺加长度为12mm的聚乙烯醇纤维试件(03试件)和掺加长度为12mm的聚丙烯纤维试件(07试件)的劈裂抗拉强度基本一致，均大于其他试件的劈裂抗拉强度。表明长度为12mm的纤维在提高混凝土的劈裂抗拉强度上效果最好。

3.2 纤维混凝土抗冲磨强度试验结果

从掺加了不同种类和长度的纤维混凝土抗冲磨强度试验结果(见图3)可以看出，掺加不同种类纤维混凝土试件(01～08试件)的抗冲磨强度均高于不掺加纤维的混凝土试件(09试件)的抗冲磨强度，表明掺加纤维对混凝土抗冲磨强度具有明显的提升作用。其中，掺加长度为12mm的聚乙烯醇纤维试件(03试件)抗冲磨强度最高，为11.48h/(kg/m2)，掺加长度为12mm的聚丙烯纤维试件(07试件)抗冲磨强度次之，为10.50h/(kg/m2)。纤维改性混凝土试件的失重率与抗冲磨强度呈显著的负相关。在相同的时间内，抗冲磨强度大的试件失重率低，表明抗冲磨强度大的试件被冲磨掉的部分小。这是由于纤维混凝土是由水泥、砂石和纤维共同组成的，当表面的水泥砂石被冲磨掉之后，混凝土骨料和纤维材料都会裸露出来。与砂和石子相比，纤维的韧性要大得多，对抗冲磨能量的吸附性也更强，而纤维对混凝土又具有黏聚力，在一定程度上延缓了水泥砂石的破坏。

图3 掺加不同种类和长度纤维的混凝土抗冲磨强度试验结果

4 纤维抗冲磨混凝土的优选

对纤维抗冲磨混凝土的优选主要从具有较好的抗压强度和劈裂抗拉强度、具有较高的抗冲磨强度、经济合理等方面考虑。

4.1 抗压强度和劈裂抗拉强度优选

从试验结果来看，掺加长度为12mm的聚丙烯纤维试件抗压强度最高，掺加长度为12mm的聚乙烯醇纤维试件的劈裂抗拉强度和掺加长度为12mm的聚丙烯纤维试件的劈裂抗拉强度基本一致。

4.2 抗冲磨强度优选

从试验结果来看，掺加长度为12mm的聚乙烯醇纤维试件抗冲磨强度最高，掺加长度为12mm的聚丙烯纤维试件的抗冲磨强度次之。

4.3 经济合理性优选

各试件所用原材料除纤维外全部相同，故不做计算，仅比较纤维的价格。钢纤维价格为4元/kg，聚丙烯纤维价格为6.25元/kg，聚乙烯醇纤维价格为45元/kg。按照试验的配合比计算，掺加钢纤维的混凝土价格为40元/m3，掺加聚丙烯纤维的混凝土价格为6.25元/m3，掺加聚乙烯醇纤维的混凝土价格为45元/m3。可以看出，聚丙烯纤维在价格上更具优势。

综上可以看出，长度为12mm的聚丙烯纤维在抗冲磨性能及价格上具有更大的优势，性价比最高。

5 纤维抗冲磨混凝土耐久性试验结果

抗渗性能和抗冻性能是混凝土耐久性的两个重要指标。为了进一步研究纤维混凝土的力学性能，对掺加长度为12mm的聚丙烯纤维混凝土试件进行了抗渗性能和抗冻性能试验，从试验结果(见表11)可以看出，掺加长度为12mm的聚丙烯纤维混凝土试件和不掺加纤维试件的抗渗等级和抗冻等级均达到了设计要求。

表11 混凝土试件抗渗、抗冻试验结果

6 结 论

掺加纤维可以显著提高混凝土的抗冲磨强度、抗压强度及劈裂抗拉强度，其中掺加长度为12mm的聚丙烯纤维时混凝土试件抗压强度和抗冲磨强度最大，且抗冻性和抗渗性均满足设计要求。掺加长度为12mm的聚丙烯纤维混凝土具有强度高、抗冲磨性能好、性价比高等优点，可以在同类水利工程施工中推荐应用，但要注意拌和工艺及养护方法。

本文仅对纤维混凝土试件的抗冻性和抗渗性进行了检测，对其抗冻性能和抗渗性能的变化情况以及抗裂性的研究还需进一步开展。