聚丙烯纤维对水工混凝土抗冲耐磨性能影响的试验研究

向超群， 倪坤林， 王 科， 闻 锐

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都 610081)

1 概述

含沙高速水流对水工建筑物过流面混凝土的冲刷磨损和空蚀破坏是水工泄流建筑物，如溢流面、泄洪洞(槽)、泄水闸等常见的病害。尤其是当流速较高且水流中又挟带着悬移质或推移质时，建筑物遭受到的冲耐磨、空蚀就更为严重。

糯扎渡水电站工程位于云南省思茅市翠云区和澜沧县交界的澜沧江下游干流上。本试验所涉及的聚丙烯纤维混凝土主要是使用在开敞式溢洪道相关部位。该溢洪道水平总长1 445.183 m，宽151.5 m，分为引渠段、闸室段和泄槽段，其中泄槽段由坡度为1.332%的缓槽段和坡度为23%的陡槽段组成。泄槽段底板厚1 m，全部为C18055W 8F100抗冲耐磨混凝土;最大泄洪水头182 m，最大泄流量达37 532 m3/s，泄流功率达66 940 MW，泄槽最大流速为52 m/s。加之澜沧江流域含沙量较大，多年平均悬移质沙量为9 868.4×104t，输沙率为 3 127 kg/s，含沙量为 1.797 kg/m3;推移质沙量为296×104t。因此，溢洪道对混凝土的抗冲耐磨性要求非常高。故对聚丙烯纤维混凝土抗冲耐磨性能进行了试验研究。

2 试验原料

水泥:建峰水泥有限公司生产的“野象”牌42.5级硅酸盐水泥，其物理力学指标见表1。

聚丙烯纤维:深圳市维耐特工程材料有限公司生产的“维克”牌聚丙烯纤维，其性能指标见表2。

外加剂:粉煤灰为云南宣威粉煤灰厂生产的F类Ⅰ级粉煤灰，性能指标见表3;聚羧酸系高效减水剂，为江苏博特产JM－PCA(I)，减水率为28% ～32%。

集料:砂为人工砂，石料为二级配人工碎石。

表1 42.5硅酸盐水泥物理力学性能表

表2 聚丙烯纤维物理性质表

表3 粉煤灰物理性能表

3 聚丙烯纤维混凝土抗冲耐磨性能试验

3.1 聚丙烯纤维抗冲耐磨混凝土试验配合比

混凝土设计为二级配C55，混凝土试验共有4组，即聚丙烯纤维掺量分别为 0，0.6，0.9，1.2 kg/m3试验组。具体混凝土配合比见表4。为了保持坍落度基本不变，对各试验组中配合比的用水量适当地进行了调整。试验采用的试件均由二级配混凝土拌和后经湿筛后制作成型。

表4 混凝土试验配合比表

3.2 聚丙烯纤维抗冲耐磨混凝土的力学和变形性能

聚丙烯纤维抗冲耐磨混凝土抗压强度、轴拉强度、轴拉弹性模量、极限拉伸值和静力抗压弹性模量见表5。

表5 混凝土力学和变形性能表

试验表明:聚丙烯纤维的掺入使混凝土7 d抗压强度降低13% ～15%，28 d抗压强度降低6% ～14%，90 d抗压强度降低4% ～11%，抗拉强度提高4%～7%，掺纤维使混凝土的抗压强度有一定程度的降低，但纤维掺量对抗压强度影响不大，而抗拉强度随纤维掺量的增加而增加;极限拉伸值提高3% ～6%，抗拉弹模下降，即混凝土刚度下降，韧性提高。

3.3 聚丙烯纤维混凝土抗冲耐磨性能

抗冲耐磨试验仿照ASTMC10138－89方法进行。该方法为模拟高速挟沙水流对过流面冲耐磨破坏而设计，由1 400 r/min转速的叶轮带动水和70个大小不等的钢球摩擦试验表面72 h，根据冲耐磨后试件的失重计算混凝土的抗冲耐磨强度。试验结果见表6，抗冲耐磨强度按下式计算:

表4 混凝土试验配合比表

表5 混凝土力学和变形性能表

式中 Rchm为抗冲耐磨强度，即单位面积上被磨去单位重量所需的时间，h/(kg·m－2);T为试件累计的持续时间，h;为经T时段冲耐磨后试件损失的累积质量，kg;A为试件受磨面积，m2。

表6 混凝土抗冲耐磨性能表

由表6可见，聚丙烯纤维的掺入可提高混凝土抗冲耐磨性能。随着纤维掺量的增加，混凝土抗冲耐磨性能随之提高。掺 0.6，0.9，1.2 kg/m3聚丙烯纤维的28 d龄期混凝土抗冲耐磨强度比C55普通高强混凝土分别提高了34%、40%和59%;90 d龄期混凝土抗冲耐磨强度比C55普通高强混凝土分别提高了29%、44%和52%。

3.4 聚丙烯纤维混凝土的抗冲击性能

试验依据《水工混凝土试验规程》(DL/T5150－2001)、《水工建筑物抗冲耐磨防空蚀混凝土技术规范》(DL/T 5207－2005)，抗冲击强度试验采用ACI委员会推荐方法。

抗冲击强度试验混凝土试件尺寸为φ150×64 mm，标准养护28 d，冲击锤重2 kg，下落高度h=900 mm。冲击锤与试件的中心对齐，采用自由落体下击，当试件开始出现裂缝时，记录冲击次数，试验结果见表7。冲击能量计算采用下式:

W=nmgh

式中 W为锤击能量，N·m;n为锤击次数;h为冲击锤下落高度，m;m为冲击锤重量，kg;g为重力加速度，m/s2。

表7 混凝土抗冲击性能试验结果表

试验结果表明:(1)聚丙烯纤维的掺入，大大提高了混凝土的抗冲击性能，纤维掺量为0.6 kg/m3时，抗冲击能力提高约一倍;当纤维掺量达到0.9 kg/m3，1.2 kg/m3时，混凝土抗冲击能力提升至C－1试件的四倍以上;(2)当混凝土中纤维掺量达到0.9 kg/m3时，抗冲击性能提升较大;而当纤维掺量增加至1.2 kg/m3时，混凝土的抗冲击性能并未因纤维掺量的增加而显出更加明显的优势。

4 机理分析

聚丙烯纤维的特点是细度高(当量直径0.02～0.1 mm)，比表面积大，数量多(0.9 kg/m3的掺量充分分散可获得700万～3 000万根纤维丝)，在混凝土中纤维间距小。每公斤聚丙烯微纤维连起来的总长度可以绕地球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多条纤维丝，搅拌均匀后可在混凝土内部构成均匀的乱向支撑体系。

4.1 聚丙烯纤维直接增强混凝土抗冲耐磨性能

当高速水流通过泄水建筑时，水流中的沙粒或风化的岩石碎片会形成悬移质和推移质在水流中滚动、滑动和跳跃，对过流面不仅产生较大的磨损，而且还产生严重的冲击破坏。而当混凝土中掺入聚丙烯纤维后，纤维能在该混凝土内部相互搭接、牵连，相当于在混凝土中散布着无数细小的“钢筋”，构成均匀的乱向支撑体系，从而限制被磨损和冲击水泥块的剥落。因为将纤维从水泥基体剥落需要消耗额外的能量，从而有效地改善了混凝土的抗冲耐磨能力。

4.2 聚丙烯纤维能有效控制混凝土裂缝的产生，减少空蚀破坏，间接增强混凝土的抗冲耐磨性能

由于聚丙烯纤维以单位体积内较大的数量均匀分布于混凝土内部，故由收缩变形引起的微裂缝在产生的过程中必然遭遇纤维的阻挡，消耗其能量，使其难以进一步发展。而当裂缝出现后，聚丙烯纤维的存在又使得裂缝尖端的发展受到限制，裂缝只能绕过纤维或把纤维拉断来继续发展，这就需要消耗巨大的能量来克服纤维对裂缝发展的限制作用。聚丙烯纤维相当于提高了混凝土的抗拉强度，同时钝化了原生裂隙尖端的应力集中。当微裂缝的长度大于纤维的间距时，纤维将跨越裂缝起到传递荷载的桥梁作用，使混凝土内的应力场更加连续和均匀，并使微裂缝尖端的应力集中得以钝化，裂缝的进一步扩展受到约束。当混凝土的裂缝得以有效控制后，混凝土表面再过流时的空蚀破坏程度将大大降低，从而增强了混凝土的抗冲耐磨性能。

4.3 在混凝土中掺入聚丙烯纤维的同时，加入适量粉煤灰和聚羧酸系高效减水剂，能进一步提升混凝土的抗冲耐磨性能

当在混凝土中掺入粉煤灰后，其能与水泥水化产物Ca(OH)2进行二次水化，从而有效减少Ca(OH)2晶体含量，尤其能减少骨料界面Ca(OH)2晶体的富集，从而改善水泥石与骨料的界面结构，增强水泥石与骨料的界面黏结力，提高混凝土的各项力学性能。

大量试验和工程实践证明，水泥浆体的抗冲耐磨强度比骨料小，在同等强度等级条件下，水泥浆体的体积越大，混凝土抗冲耐磨强度就越小。因此，在掺入聚羧酸系高效减水剂后，能大幅度减少浆体体积，从而使混凝土抗冲耐磨性能显著提高。

5 结语

挟带沙石等磨损介质的高速水流对水工泄水、排沙建筑物产生强烈的冲击磨损作用，必须采取有效措施改善混凝土的抗冲耐磨性能。提高糯扎渡水电站溢洪道工程混凝土的抗冲耐磨性能主要采用了以下几方面的技术措施:

(1)根据试验结果，糯扎渡水电站溢洪道抗冲耐磨混凝土抗压强度宜控制在55～60 MPa，现采用C55，基本能使混凝土的抗冲耐磨和抗裂等综合性能达到最优。

(2)掺入聚丙烯纤维能改善混凝土抗裂、抗冲击和抗冲耐磨性能。聚丙烯纤维掺量为0.9 kg/m3时，90 d混凝土试件抗冲击强度比90 d同强度等级纯水泥混凝土试件提高了3.9倍，抗冲耐磨强度提高44%。显著提高了混凝土抗推移质冲击破坏和悬移质切削破坏的能力，提高了溢洪道混凝土的抗冲耐磨性能。

(3)采用减水率为28% ～32%的聚羧酸系高效减水剂配制低胶材混凝土，大幅度减少了浆体体积，在无需掺硅粉的条件下，可使混凝土抗冲耐磨性能显著提高，能够基本满足52 m/s以下流速混凝土抗冲耐磨的要求。

(4)采用粉煤灰等掺和料能够改善水泥与骨料的界面结构，提高界面结合强度。由于糯扎渡水电站海拔较低，夏季气温极高，光照时间很长，夏季施工硅粉混凝土工作性能较差，且易产生塑性裂缝，故采用粉煤灰替代硅粉。