玄武岩纤维对水工混凝土抗冲蚀性能影响研究*

(山西省水利水电科学研究院，山西 太原 030002)

水工结构受到高速挟沙水流摩擦的影响，导致建筑物表面磨损。尤其随着高水头水电站的兴建，此类问题更加突出。因此，影响水电工程运行的高速挟沙水流造成的磨损破坏问题受到了众多关注，对水工建筑物的抗冲磨材料的选择提出了更高的要求。

研究表明，在水工混凝土中添加硅粉可以提高其抗冲蚀能力，因此被大量应用于国内外水利工程中，但由于硅粉颗粒小且对混凝土用水量的变化较为敏感，硅粉的添加会增加混凝土的用水量，使得开裂现象更明显。大量实践证明，在硅粉混凝土中添加纤维可减少混凝土早期硬化而引起的微裂缝，减少后期干缩变形现象发生，如在混凝土中添加聚丙烯纤维，可提高其强度和抗冲磨能力，减少收缩变形。

玄武岩纤维经济环保，且具有强度高、抗高温、耐腐蚀等优点，因而得到众多学者的关注。但玄武岩纤维对水工混凝土抗侵蚀性能的改善效果研究较少，因此，本文将玄武岩纤维和目前应用最为广泛的聚丙烯纤维进行对比试验，研究玄武岩纤维的抗冲蚀性能，以做参考。

1 原材料性能

试验研究采用普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5，密度为3.13g/cm3。硅粉的密度为2.4g/cm3,SiO2含量为97%。人工砂的细度模数为2.72。选用TX减水剂。纤维参数见表1，外观见图1，混凝土的硅粉含量为6%，纤维含量为0.8kg/m3。混凝土配合比见表2。

表1 纤维基本参数

图1 纤维外观

表2 混凝土配合比

2 试验过程与成果分析

2.1 混凝土强度受玄武岩纤维的影响

本试验依据水工混凝土试验规程进行，分别将两种纤维混合到混凝土中进行抗拉和抗压强度试验，试件尺寸均为150mm×150mm×150mm，将试件放在试验机下压板正中间，上下压板与试件之间加一垫板，开动试验机，以0.3～0.5MPa/s的速度连续且均匀地加载，当试件接近破坏开始迅速变形时，停止调整油门，直至试件破坏，记录立方体抗压强度破坏荷载。

进行抗拉强度试验时，开动试验机进行两次预拉，预拉荷载相当于破坏荷载的15%～20%，预拉完毕后，重新调整测量仪器，进行正式测试，拉伸时的荷载速度控制在0.4MPa/min，每加荷500N或1000N测读并记录变形值，直至试件破坏。记录破坏荷载和断裂位置。试验结果见图2，可知两种纤维混凝土的抗拉强度差异较小，抗压强度有明显差异。掺玄武岩纤维混凝土90天抗压强度提高了13.8%，180天抗压强度提高了17.3%。

2.2 混凝土体积稳定性受玄武岩纤维的影响

出现裂缝是混凝土中常见的问题之一,裂缝不仅破坏混凝土结构完整性，还会使混凝土的抗冲蚀能力减弱。因此，提高混凝土的体积稳定性是增强混凝土抗冲蚀性能的有力保证，本文选取干缩及体积变形两个指标进行评价衡量。混凝土的干缩是指在恒温及无外荷载条件下由于混凝土干湿条件的变化引起轴向长度的变化。混凝土的自生体积变形是处于绝湿恒温的环境时，混凝土内部水泥水化引起的体积变形。

图2 混凝土强度对比

分别在硅粉混凝土中添加两种纤维，制作尺寸为100mm×100mm×510mm的试件。将试件放在温度为(20±2)℃、相对湿度为(60±5)%的恒温干缩室养护，其干缩曲线见图3，从图3可知，玄武岩纤维可使混凝土干缩变形变小，干缩至180天时变形约减少25%。同时，水化现象会一直发生于胶凝材料中，引起混凝土体积的不断变化，混凝土体积变形对比见图4，从图4可知，玄武岩纤维的添加使得混凝土整体的体积变形相比掺聚丙烯纤维时有所减小，体积变形至120天时减小了24%。

图3 混凝土干缩变形对比

图4 混凝土体积变形对比

这是因为玄武岩纤维的细丝可以与混凝土中的浆体更充分地结合，即使水化也会附有大量的水化产物，使得纤维与混凝土黏结性能提高，裂缝产生及发展变慢，抗变形能力提高。同时玄武岩纤维内部结构决定了部分自由水的存在，逐步释放使得水泥的水化不断进行，减缓了混凝土的收缩作用，增强了混凝土的体积稳定性。

2.3 混凝土抗冲蚀性能的改善效果

2.3.1 抗冲击特性

高速挟沙水流冲击水工建筑物表面时，粒径较大的砂石在建筑物表面滚动时会冲击破坏建筑物，同时，由于建筑物局部的粗糙表面，易出现空蚀现象。

在硅粉混凝土中分别掺入两种纤维，制作尺寸为100mm×100mm×100mm的试件，采用落锤法试验，混凝土的抗冲击韧性试验方法为重3kg的落锤反复从53cm高处下落冲击试件，直至出现第一条裂缝时所耗的能量。不同纤维增强混凝土的抗冲击韧性对比见图5，从图5中可知，掺入玄武岩纤维后，其28天及90天抗冲击韧性分别提高5%和8%。

图5 混凝土抗冲击韧性对比

2.3.2 抗冲磨特性

在硅粉混凝土中分别掺入两种纤维，混凝土侧面的抗冲磨性能采用圆环法测定，混凝土表面抗冲磨性能采用水下钢球法测定。

圆环法是模拟挟沙水流以14.3m/s的流速通过粒径不一的石英砂(0.5～1.0mm)时对混凝土的影响。水下钢球法模拟流速为1.8m/s时，混凝土被70个不同粒径钢球磨损所受的损坏。其抗冲磨强度对比见表3，从试验结果可知：掺入玄武岩纤维后，混凝土的抗冲击强度明显提高，侧面及表面分别提高了18.3%和21.2%。

2.3.3 抗空蚀特性

在混凝中掺入两种不同纤维，并通过转盘空蚀仪进行测试,其中电动机功率为50kW，转速为1480r/min。在旋转圆盘上放8块试件同时进行试验,试件的外圆直径为45cm，内圆直径为30cm。混凝土抗空蚀性能通过试件受空蚀破坏后的质量损失率来评价。从表3试验结果可知：玄武岩纤维使得水工混凝土的抗空蚀性有所提高，其28天及90天的空化损失率分别减少了6.7%和10.2%。

表3 混凝土抗冲磨及抗空蚀结果对比

3 结 论

本文针对水利工程建筑物磨损现象严重的问题，在混凝土中分别掺入玄武岩纤维及水利工程抗冲蚀混凝土中应用最广的聚丙烯纤维进行试验。试验结果表明：由于玄武岩纤维可以在混凝土中形成比聚丙烯纤维更小、更致密的网状结构，使得纤维上的水化物与砂浆更好地结合，可以防止裂缝的产生和发展。因此掺入玄武岩纤维可使混凝土强度增强，减少体积变形，其高弹性模量还提高了混凝土的抗冲击性和抗冲击强度。

玄武岩纤维环保且与混凝土可以较好地相容，在水利工程高性能抗冲蚀混凝土配制中，值得推广应用。