纤维对水工高性能混凝土抗冲耐磨特性的影响

李光伟，马巧玲

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610071)

1 前 言

随着西部大开发和西电东送发展战略的实施，我国要兴建一批以溪洛渡水电站和锦屏一级水电站为代表的大型高水头电站，其泄流最大流速可达40～50m/s，因而对水工泄水建筑物抗冲磨混凝土材料的综合性能提出较高的要求［1－2］。它既要求混凝土材料具有优良的抗冲耐磨能力，同时要求混凝土材料具有较高的抗裂能力。

目前水电工程一般通过采用选择低水胶比，提高混凝土的强度等级的方法来提高混凝土的抗冲磨能力。但随着混凝土水胶比的降低，混凝土胶凝材料的水化产物在水化早期便会堵塞毛细孔通道，阻碍外部养护水向混凝土内部的迁移，造成内部失水自干燥而收缩，混凝土材料早龄期的收缩应变随之增加。当这种收缩应变受到限制时，出现裂缝的可能性也随之增加。近年来在水电工程实际中通常采用在抗冲耐磨混凝土中复掺部分纤维，以达到减少混凝土收缩变形，提高混凝土抗裂能力的目的［3－5］。

目前在水电工程中比较常用的纤维种类有合成纤维、金属纤维、无机非金属纤维和天然有机纤维等，复掺纤维在提高水工高性能混凝土抗裂能力的同时，对混凝土抗冲耐磨特性的影响则是水电工程界十分关注的问题。为此结合水电工程的实际，采用目前在水电工程中常用纤维进行纤维混凝土抗冲耐磨性能试验研究，探讨和分析不同纤维对水工高性能混凝土抗冲耐磨特性的影响。

2 混凝土抗冲耐磨特性的试验方法

2.1 混凝土抗冲耐磨的试验方法

为了客观的评价掺纤维对水工混凝土抗冲耐磨特性的影响，本次试验采用“混凝土抗含砂水流冲刷试验(圆环法)”和“混凝土抗冲磨试验(水下钢球法)”［6］两种方法进行纤维混凝土抗冲耐磨性能试验研究。混凝土抗冲耐磨性能的评定指标是以每平方米混凝土表面剥蚀1kg混凝土所需的时间表示，称为混凝土抗冲磨强度。

混凝土抗含砂水流冲刷试验方法(圆环法)是用来测定各种混凝土在含砂水流冲刷作用下的抗冲磨性能。试验主要设备为混凝土变速冲磨仪，设备模拟流速为14.0m/s，磨损介质为石英砂(粒径0.5～0.85mm)和水的混合物。混凝土试件为环形，由金属叶轮转动造成流速，磨损混凝土环形试件的内侧面，累计冲磨90min。

混凝土抗冲磨试验(水下钢球法)方法是用来测定各种混凝土抗推移质和悬移质冲击磨损性能。试验设备由转动装置，钢容器及搅拌桨组成，模拟介质由70个不同粒径的钢球和水组成。试验时将混凝土试件放入容器内，并使被测试面朝上。放入钢球并加水至水面高出试件表面165mm，开动机器，使搅拌桨保持转速为1 200r/min。试件表面上的水流速度约为1.5～1.8m/s，钢球的跳跃最大高度80mm，累计冲磨72h。

2.2 混凝土抗冲击的试验方法

混凝土的抗冲击性能是指在反复冲击荷载作用下，混凝土吸收动能的能力，目前国际上比较通用的抗冲击试验方法主要有爆炸试验、弹射试验、摆锤冲击试验和落锤冲击试验。由于落锤冲击试验的简便性，受到了美国ACI544委员会的推荐［7］。

本次试验采用落锤法测定纤维混凝土的抗冲击能力。混凝土试件为10mm×10mm×10mm立方体，冲击锤重3kg，锤的下端为球面，下落高度为53mm，冲击锤中线与试件中心线对齐，测试时，冲击锤自由落下冲击混凝土表面。混凝土的冲击韧性以试件在落锤的反复冲击作用下，表面出现第一条肉眼可见裂缝时单位体积所耗的能来表示。

3 纤维对水工高性能混凝土抗冲耐磨特性的影响

3.1 掺合成纤维对水工高性能混凝土抗冲耐磨特性的影响

合成纤维是一种耐久性优良、很有发展前景的高性能水泥基复合材料。随着合成工业的发展，生产出了许多如改性晴纶纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维和聚乙烯纤维等性能良好的合成纤维，各种性能优良的合成纤维为发展高性能混凝土提供了物质保障［8］。采用目前在水电工程中比较常用的几种合成纤维:聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维以及聚乙烯醇纤维，进行掺合成纤维混凝土抗冲耐磨性能的试验研究。本次试验所采用的各种合成纤维的性能指标见表1，合成纤维的掺量均为0.9kg/m3。掺各种合成纤维混凝土的抗冲磨强度试验结果见图1，掺各种合成纤维混凝土的冲击韧性试验结果见图2，试验龄期分别为28d和90d。

图1 掺合成纤维对混凝土抗冲磨强度的影响

表1 合成纤维的技术指标

图2 掺合成纤维对混凝土冲击韧性的影响

由掺合成纤维混凝土的抗冲耐磨性能试验结果可以看出:在混凝土中掺入0.9kg/m3的合成纤维可以有效地提高水工混凝土的抗冲耐磨特性。其中掺聚丙烯纤维的抗冲磨强度提高了10%左右，冲击韧性提高了34.0% ～38.1%。掺聚丙烯腈纤维的抗冲磨强度提高了15%左右。掺聚乙烯醇纤维的抗冲磨强度提高了18%左右，冲击韧性提高了48.8%～55.7%。相比而言，掺聚乙烯醇纤维混凝土的抗冲耐磨特性要优于掺聚丙烯腈纤维和掺聚丙烯纤维混凝土。

3.2 掺金属纤维对水工高性能混凝土抗冲耐磨特性的影响

钢纤维混凝土是目前作为工程结构材料用途最广，用量较大的一种纤维混凝土。钢纤维因生产方法的不同而分为四大类:高强钢丝切断型钢纤维;剪切型钢纤维;铣削型钢纤维和熔抽型钢纤维［9］。本次试验采用铣削型钢纤维，其平均长度为32.01mm，等效直径为0.94mm，长径比34，抗拉强度700MPa，钢纤维的掺量为40kg/m3。掺钢纤维混凝土与掺聚丙烯纤维混凝土抗冲磨强度性能比较的试验结果(水下钢球法)见图3，冲击韧性的比较试验结果见图4，试验龄期分别为28d和90d。

图3 掺钢纤维与聚丙烯纤维对混凝土抗冲磨强度影响的比较

图4 掺钢纤维与聚丙烯纤维对混凝土冲击韧性影响的比较

由试验结果可以看出:在同等条件下，掺40kg/m3的钢纤维混凝土抗冲耐磨特性要优于掺0.9kg/m3的聚丙烯纤维混凝土。其中采用水下钢球法测试的混凝土表面抗冲磨强度提高了30.9%～40.9%，采用圆环法测试的混凝土侧面抗冲磨强度提高了7.1%～8.8%。与掺0.9kg/m3的聚丙烯纤维相比，掺40kg/m3的钢纤维混凝土可以提高纤维混凝土的冲击韧性26.0%～26.8%。

3.3 掺无机非金属纤维对水工高性能混凝土抗冲耐磨特性的影响

玄武岩纤维是以天然的火山喷出岩作为原料，将其破碎后加入熔窑中，在1 450～1 500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板制成的连续纤维。在玄武岩纤维的各项性能中有两点特别突出:热稳定性好和耐化学性能好。玄武岩纤维是一种无机非金属纤维，性价比高，发展前景乐观，被国家列为中长期要重点发展的四大高新技术纤维［10］。本次试验采用的玄武岩纤维性能指标见表2，玄武岩纤维的掺量为0.8kg/m3。掺玄武岩纤维与掺聚丙烯纤维混凝土抗冲磨强度性能比较的试验结果(水下钢球法)见图5，冲击韧性比较的试验结果见图6，其中抗冲磨强度试验龄期为90d，冲击韧性的试验龄期为28d和90d。

表2 玄武岩纤维性能指标

由试验结果可以看出:在同等条件下，掺0.8kg/m3的玄武岩纤维混凝土抗冲耐磨特性要优于掺0.9kg/m3的聚丙烯纤维混凝土。其抗冲磨强度提高了5.9% ～9.0%，冲击韧性则提高了5.7%～7.1%。

3.4 掺天然有机纤维对水工高性能混凝土抗冲耐磨特性的影响

纤维素纤维是一种超细生态纤维，属于天然有机纤维。它的基体是取自一种经基因改良的特殊硬木树种，通过专业的生物技术、提纯工艺制成的。本次试验采用的纤维素纤维的性能指标见表3，纤维素纤维的掺量为0.9kg/m3。掺纤维素纤维与掺聚丙烯纤维混凝土抗冲磨强度性能比较的试验结果(水下钢球法)见图7，冲击韧性比较的试验结果见图8，试验龄期为90d。

对掺纤维素纤维混凝土和掺聚丙烯纤维混凝土

图5 掺玄武岩纤维与聚丙烯纤维对混凝土抗冲磨强度影响的比较

图6 掺玄武岩纤维与聚丙烯纤维对混凝土冲击韧性影响的比较

图7 掺纤维素纤维与聚丙烯纤维对混凝土抗冲磨强度影响的比较

图8 掺纤维素纤维与聚丙烯纤维对混凝土冲击韧性影响的比较

的抗冲耐磨特性进行比较可以看出:掺纤维素纤维混凝土的抗冲磨强度略高于掺聚丙烯纤维混凝土的抗冲磨强度，两者的冲击韧性相当。

表3 纤维素纤维的基本性能

4 掺纤维对水工抗冲耐磨高性能混凝土性能影响的分析与讨论

4.1 提高混凝土的早期抗裂能力

在低水胶比水工混凝土中复掺部分纤维能够有效地减少混凝土的塑性收缩及干燥收缩，提高混凝土的抗裂能力。这是由于纤维直径细，比表面积大，在体积率0.1%的情况下，每立方米混凝土中即有几百万甚至上千万根纤维，这样在混凝土基体的水泥砂浆中布满了横竖交叉的立体纤维网，对混凝土初期硬化基体的干缩和塑性收缩能起到较强的约束作用。与早龄期的混凝土相比，纤维的弹性模量要高，所以从复合材料增强理论讲，在低水胶比水工混凝土中复掺部分纤维，对混凝土早期的胶凝体会起到明显的增强作用，从而抑制胶凝体裂缝的发生。另外，由于众多乱向分布的纤维，在混凝土中可形成三维支撑体系，阻止骨料的下沉，提高混凝土的匀质性，降低混凝土的泌水，减少混凝土的水分散发，从而阻碍了沉降裂纹的形成，提高混凝土的抗裂能力。

4.2 提高混凝土的抗冲耐磨能力

高速含砂水流对水工泄水建筑物的破坏是冲击、摩擦和切削，当在低水胶比水工抗冲磨混凝土中掺部分纤维时，纤维以每方数千万根的数量掺入混凝土中，其互相搭接、牵连，在混凝土内部形成一个乱向支撑系统，阻碍由于冲击或磨损发生的裂缝的发展，纤维也牵制了混凝土碎块从基体中剥落，使得混凝土碎块从基体上剥落需要消耗更多的能量，从而提高了混凝土的耐磨能力。另外，纤维能把混凝土的收缩能量分散到高抗拉强度的纤维上，阻止混凝土原有缺陷的扩展并延缓新裂缝的出现，增强混凝土材料内部的连续性，减少了冲击波被阻断引起的局部应力集中程度，所以对低水胶比水工抗冲耐磨混凝土的脆性有着很大的改善。由试验结果可以看出:纤维依弹性模量是否高于基体混凝土的弹性模量可分为低弹模和高弹模两类。掺用高弹模纤维混凝土的抗冲耐磨特性要优于掺低弹模纤维混凝土，这是由于当纤维混凝土受到冲磨破坏，混凝土的基体发生裂缝时，纤维会桥架裂缝，纤维这种桥架作用一方面能阻碍裂缝的继续发展，另一方面纤维也能承受部分载荷，从而缓解混凝土材料的破坏程度。纤维的这种桥架作用和对磨损的抵抗作用的大小，与纤维自身的抗拉强度以及弹性模量有关，纤维自身的抗拉强度和弹性模量越大，改善硬化水泥浆和混凝土的强度和韧性的作用越明显。

5 结 语

在低水胶比水工高性能混凝土中掺部分纤维，不仅可以有效地抑制混凝土的收缩裂缝，而且对混凝土的抗冲耐磨特性也有着很好的改善作用。掺不同种类纤维对水工混凝土的抗冲耐磨性能的影响依照纤维自身弹性模量的大小而有所不同。对于水工抗冲耐磨高性能混凝土而言，掺高弹性模量纤维对混凝土的抗冲耐磨性能的提高幅度要大于掺低弹性模量纤维。

［1］溪洛渡水电站抗冲耐磨混凝土试验研究［R］.成都:中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，2009.

［2］锦屏一级水电站抗冲耐磨混凝土性能试验研究报告［R］.成都:中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，2009.

［3］马晓华，丁一宁.不同纤维对高性能混凝土自由收缩和非自由收缩影响的试验研究［M］.纤维混凝土的技术进展与工程应用.大连:大连理工大学出版社，2006.

［4］李光伟.玄武岩纤维在水工抗冲蚀高性能混凝土中的应用［J］. 混凝土，2008(11).

［5］卢安琪，李克亮，祝烨然.聚丙烯纤维混凝土抗冲耐磨试验研究［J］.水利水电技术，2002(4).

［6］漫玉见，余文胜，霍海平.湿喷钢纤维混凝土在公伯峡水电站导流洞工程中的应用［J］.水力发电，2002(8).

［7］中华人民共和国国家经济贸易委员会．水工混凝土试验规程(DL/T5150－2001)［S］.北京:中国电力出版社，2002.

［8］王伯昕，黄承逵.粗合成纤维混凝土抗裂与抗冲击性能试验研究［M］.纤维混凝土的技术进展与工程应用.大连:大连理工大学出版社，2006.

［9］邓宗才.高性能合成纤维混凝土［M］.北京:科学出版社，2003.

［10］黄承逵.纤维混凝土结构［M］.北京:机械工业出版社，2004.

［11］吴刚，胡显奇.玄武岩纤维及其增强混凝土力学性能研究与应用［M］∥.纤维混凝土的技术进展与工程应用.大连:大连理工大学出版社，2006.