PVA纤维对活性粉末混凝土抗冲磨影响试验研究

2020-04-24胡秋玲

水利科学与寒区工程 2020年1期

胡秋玲

(河北省子牙河河务管理处，河北衡水 053000)

对水工混凝土而言，冲磨破坏是最主要的破坏形式。由于含沙高速水流的强烈冲刷作用，我国70%以上的大坝泄水建筑物存在冲磨破坏问题[1]。活性粉末混凝土又称为超高性能混凝土，是大量添加硅粉、粉煤灰以及细矿粉等活性材料，同时配以纤维和高效减水剂的新型混凝土材料，具有良好的力学和耐久性能[2]。在传统的观念中，混凝土的抗冲磨性能与其抗压强度直接相关[3]，然而国内外的相关研究显示，高抗压混凝土在许多情况下并不具有良好的抗冲磨性能[4]。为此，很多学者试图寻找兼具耐磨和抗冲性能的混凝土材料，并进行了大量的理论和试验研究[5]。结果显示，通过硅粉、粉煤灰等材料的掺入并辅以纤维材料，可以获得抗冲磨性能更好的混凝土。基于上述研究成果，本文通过研究活性粉末混凝土在不同PVA纤维掺量才下的抗冲磨性能变化规律，以期为相关的混凝土材料研究和应用提供有益的经验借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本次研究的主要目的是获取不同PVA纤维掺量对活性粉末混凝土抗冲磨性能的影响。因此研究的重点在于纤维掺入后对混凝土的影响和作用，并不对混凝土原材的构成和配比进行研究。因此，试验中直接选用湖北贝融有限公司生产的UC170干混料。

研究中使用的混凝土外加剂为唐山伊特有限公司生产的PCA-2型聚羧酸高性能减水剂，性能检测结果显示其完全满足GB8076—2008《混凝土外加剂》的相关要求。

研究中使用的PVA纤维为上海高科有限公司生产的，经过表面特殊处理的K-II可乐纶，具有吸水性小、分散性好等优势。

1.2 试验方案

为了研究不同PVA纤维掺量对活性粉末混凝土抗冲磨性能的影响，结合相关文献资料和试验目的，选用了0%、0.3%、0.5%、0.7%、1.0%五种不同的PVA纤维掺量进行试验，具体的配合比设计方案如表1所示。

表1 PVA纤维混凝土配合比试验方案设计

1.3 试件的制备和养护

由于搅拌的均匀性和充分性对混凝土性能的影响十分显著，因此在试验中选用A200C-2251R 型可调速搅拌机，保证拌合物的良好分散性能。试件的制备过程为：第一步，按照上节的配合比称量好各种材料，然后将干混料倒入搅拌锅在慢速档干拌3 min；第二步，将减水剂融入60%的拌合水中加入搅拌锅，利用低速挡搅拌2 min，然后换中速档搅拌5 min；第三步，加入剩余的40%搅拌水，用中速档继续搅拌6 min，然后浇筑成型。如果需要掺入PVA纤维时，则将其分层均匀掺入干混料中，不需要干拌直接按照上述第二和第三步进行。

制作的试块规格为10 cm×10 cm×10 cm，每组试验制作3个试块，共5组15个试块。活性粉末混凝土通常需要蒸汽养护，但是考虑到大体积水工混凝土并不适合蒸汽养护，因此试件制作完毕后按照标准条件进行养护。

1.4 试验方法

对试件的抗冲磨试验采用风砂枪试验方法，冲磨介质为粒径0.15～2.0 mm的石英砂粒，利用高速气流为载体，通过调节冲磨角度和速度，以有效模拟水工混凝土在实际运行工况下的冲磨情况。研究中采用低噪音、无污染风砂枪冲磨试验机进行试验，其工作原理示意图如图1所示，试验过程中的具体程序以及数据处理方式按照《水工混凝土试验规程》(DL/T 5150—2001)中的具体规定进行。

图1 风砂枪冲磨试验机结构原理示意图

在开始试验前要擦干试件表面的水分，并称量试件的质量，控制好压力和调整好冲磨角度，然后放上试块即可开始试验。试验过程中每个试块进行4次冲磨试验，并在试验结束后再次测量试件质量。研究中微观试验主要是观察混凝土在冲磨后的面型特点，主要方式是扫描电子显微镜分析和三维立体形貌特征分析。

2 试验结果与分析

2.1 冲磨适量损失

利用上节的试验方案和试验方法，基于试验数据，对不同掺量下的试块质量损失进行计算，根据试验结果绘制出如图2所示的不同PVA掺量下试块质量损失和试验次数之间的关系曲线。由图2可知，在不同PVA纤维掺量下，混凝土试块的质量损失会随着冲磨试验次数的增加而逐渐趋向于稳定，因此可以将第四次试验后的质量损失视为稳定阶段的质量损失；掺PVA纤维条件下，第一次试验过程中的质量损失明显较大，主要原因是试块表面的浮浆更容易遭受冲磨破坏；随着纤维掺量的增加，混凝土试块的质量损失呈不断下降趋势，且都显著小于未掺加纤维试块，说明PVA纤维掺入可以有效提升混凝土的抗冲磨性能。

图2 不同PVA掺量下质量损失曲线

2.2 抗冲磨强度

研究中根据相关研究成果，采用如下公式计算混凝土试件的抗冲磨强度[6]：

(1)

其中，fa为抗冲磨强度，h/cm；T为每次试验冲磨历时，h；ρc为混凝土密度，g/cm3；A为受冲磨面积；ΔG为冲磨试验质量损失，g。

利用上述公式和试验数据，计算出不同PVA掺量下试块的抗冲磨强度，结果如表2所示。由表中的结果可知，当PVA纤维的掺量达到一定水平时，试块的抗磨强度均有所上升，当掺量为1%时，试块的抗磨强度与没有掺PVA试块相比，提高了56.1%。由此可见，在本次试验设定的掺量范围内，随着PVA掺量的增加，混凝土的抗冲性能也显著增加，说明说明PVA纤维掺入可以有效提升混凝土的抗冲磨性能。

表2 不同PVA纤维掺量下试块抗冲磨强度

2.3 试件微观形貌

通过对试件表面的微观形貌进行观察，PVA纤维的掺入对提高试件的抗冲磨性能具有十分显著的作用，并主要表现为试验过程中对实践表面剥蚀作用的约束。但是PVA纤维的掺入量并非越多越好，大量的纤维的掺入或导致拌合物的流动性降低，而气泡等缺陷数量增加并聚集在试块的表层，从而形成一个薄弱层。结合上节的质量损失变化规律，认为试块的早期质量损失主要成因是上述薄弱层在冲磨作用下的剥落。随着高速石英砂冲击和切削作用向下沙口靠近，试块中的PVA纤维逐渐裸露但并未脱落，因此对磨损破坏起到了显著的限制作用，从而降低了集体质量损失占比。

2.4 抗压强度和抗冲磨强度的关系

试验过程中对不同PVA掺量的混凝土试块进行抗压强度测试，并结合抗冲磨强度试验结果，绘制出如图3所示的试件抗压强度和抗冲磨强度关系图。由图可知，当PVA纤维的掺量在0.5%以下时，试件的抗压强度和抗冲磨强度之间没有明显的相关性，当掺量在0.5%～1.0%之间时，两者之间存在正相关关系。整体来看，PVA纤维活性粉末混凝土的抗压强度和抗冲磨强度之间不存在显著的相关性，这也印证了相关学者的研究结论。