不同纤维在水工混凝土抗冲磨中的影响分析

(山西省水利水电科学研究院，山西 太原 030002)

山西大水网工程是以纵贯山西南北的黄河北干流和汾河两条天然河道为主线，将黄河、桑干河等六大河流以及这些河流上的大中型水库相连通，实现“两纵十横、纵贯南北、横跨东西、六河连通、多源互补、保障应急、丰枯调剂、促进发展”的工程体系[1]。

在山西大水网工程建设中导流洞、溢流坝等过水建筑物经常会受高速水流的冲蚀磨损，如何降低混凝土耐磨性差所产生的维修费用，是水利工程中水工混凝土必须解决的课题，基于此本文进行了不同纤维在水工混凝土抗冲磨中的影响对比试验研究。

1 研究内容

纤维是指由连续或不连续的细丝组成的物质。纤维混凝土是将一定量的非连续短纤维均匀的掺入混凝土中，用来增强混凝土的某些性能，又称纤维增强混凝土[2]。本课题试验研究是钢纤维、聚乙烯醇纤维和聚丙烯纤维三种纤维。依照《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)和混凝土抗冲磨性能相关理论相结合的方法，研究水工混凝土掺入纤维后对其抗冲磨性能的影响程度，得出抗冲磨性能优良纤维混凝土的纤维种类和掺量值并进行性价比分析。

本课题主要研究的内容：

a.抗冲磨混凝土的抗压强度设计等级一般在C40以上，主要材料是在普通混凝土中掺入外加剂、硅粉和纤维等。依据《水工混凝土配合比设计规程》(DLT 5330—2015)，得出试验所需配合比基本参数。

b.分别对不掺纤维的高效减水剂基础混凝土、钢纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土、聚乙烯醇纤维混凝土进行试验数据分析，确定它们的最优配合比。

c.利用水下钢球法对成型的抗冲磨混凝土试件进行抗冲磨性能试验，综合对比选出抗冲磨性能优良的纤维混凝土。

2 试验原材料分析

抗冲磨混凝土配合比试验所用材料包括胶凝材料、外加剂、细骨料、粗骨料、纤维以上材料经检测均合格，满足试验要求。

3 试验设计与分析

3.1 配合比设计

配制强度按式(1)确定：

fcu,o≥fcu,k+1.645σ

(1)

式中fcu,k——混凝土的设计强度等级值,MPa；

σ——混凝土强度标准差,MPa；

fcu,o——混凝土的配制强度,MPa。

依据《水工混凝土配合比设计规程》，配制C40混凝土时σ可取5MPa，即C40抗冲磨混凝土的配制强度应不小于48.2MPa(混凝土强度保证率95%)。

抗冲磨混凝土水胶比宜按式(2)计算：

(2)

式中αa、αb——回归系数；

fb——胶凝材料28d胶砂抗压强度,MPa；

W/B——混凝土水胶比。

按该式计算配制C40抗冲磨混凝土，当粉煤灰掺量在10%～30%，硅粉掺量4%～8%，聚羧酸减水剂试验掺量为胶料的2%～2.5%；砂率为30%～40%，最终试配得到合适的配合比参数见表1。

表1 抗冲磨混凝土配合比基本参数

另外，试验用钢纤维长30mm、聚丙烯纤维与聚乙烯醇纤维长12mm。

3.2 配合比试验与抗冲磨性能分析

试验按照《水工混凝土试验规程》的技术要求进行，经过多次试配后可以得出：在纤维混凝土配合比试验中，搅拌工艺应当保证掺入的纤维在混凝土拌和料中均匀分散，不产生结团现象，釆用先将纤维、水泥、粗细骨料等干拌后再加入高效减水剂和水湿拌；试件宜采用振动台振实，振动成型时一边将拌合物装模一边用抹刀沿试模内壁稍加插捣，一直至混凝土表面出浆(振动时间控制在30s左右)；养护过程按照试验规程要求，在达到龄期做抗冲磨试验前应将试件放入水中浸泡至少48h，使其吸水饱和。

试验采用水下钢球法测定水工混凝土抗冲磨试件受水下高速流动介质磨损的相对抗磨性能。依据试验规程，抗冲磨强度按式(3)计算：

(3)

式中Ra——抗冲磨强度，指在单位面积上被磨损单位质量所需的时间，h/(kg/m2)；

T——试验累计时间，h；

A——试件受冲磨面积，m2；

MT——经T时段冲磨后，试件损失的累计质量，kg。

本次试验依据抗冲磨水工混凝土配合比基本参数分为添加高效减水剂、粉煤灰和硅粉的基础混凝土试验编号KM01、每m3混凝土掺入钢纤维10kg的混凝土试验编号KM02，钢纤维掺入量加大到40kg的混凝土试验编号KM03，掺入聚丙烯纤维的混凝土试验编号KM04，掺入聚乙烯醇纤维的混凝土试验编号KM05。

抗冲磨水工混凝土配合比见表2、掺各种纤维水工混凝土抗冲磨性能情况见表3、掺纤维水工混凝土抗冲磨性能对比如下图所示。

表2 抗冲磨水工混凝土配合比 单位：kg/m3

表3 掺不同纤维水工混凝土抗冲磨性能情况

掺纤维水工混凝土试件抗冲磨性能对比图

3.3 试验结果

从对比图和表3可以看出：ⓐ在本次试验中掺入纤维后水工混凝土抗冲磨强度依次增强的顺序是钢纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维；ⓑ钢纤维在每m3混凝土掺10kg时，抗冲磨强度比没有掺纤维的混凝土抗冲磨强度稍强(本试验掺入高效减水剂等成分的试件KM01的28天龄期抗压强度检测值为48.9MPa，满足设计要求)；ⓒ钢纤维每m3混凝土掺40kg时抗冲磨强度与聚丙烯纤维每m3混凝土掺1kg时的抗冲磨强度相差不大；ⓓ相同掺量聚乙烯醇纤维比聚丙烯纤维的水工混凝土抗冲磨强度高，但差距不大。在市场上聚乙烯醇纤维的价格是聚丙烯纤维的十倍左右，聚丙烯纤维的价格是钢纤维价格的两倍左右。因此，在水工混凝土按照设计，掺聚乙烯醇纤维的水工混凝土抗冲磨强度最高，但掺聚丙烯纤维性价比最优。

4 结 语

纤维混凝土可以很好的改善普通混凝土的脆性，使混凝土的韧性增强，抗冲磨性能增强。本文对不同纤维在水工混凝土抗冲磨性能进行研究，在满足设计要求的前提下，掺钢纤维、聚乙烯醇纤维和聚丙烯纤维都可以提高混凝土的抗冲磨性能，其中掺聚乙烯醇纤维的水工混凝土抗冲磨强度最高，掺聚丙烯纤维性价比最优。另外，纤维掺入混凝土配合比试验时混凝土拌和工艺、试件的成型过程、养护方法也很关键。

本次研究还有一些不足，如掺入不同量的钢纤维后混凝土抗冲磨强度变化趋势、掺入纤维后混凝土的抗裂性能变化情况等都有待深入探讨。