纖維對水工高性能混凝土抗沖耐磨特性的影響

李光偉，馬巧玲

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都 610071)

1 前 言

隨著西部大開發和西電東送發展戰略的實施，我國要興建一批以溪洛渡水電站和錦屏一級水電站為代表的大型高水頭電站，其泄流最大流速可達40～50m/s，因而對水工泄水建筑物抗沖磨混凝土材料的綜合性能提出較高的要求［1－2］。它既要求混凝土材料具有優良的抗沖耐磨能力，同時要求混凝土材料具有較高的抗裂能力。

目前水電工程一般通過采用選擇低水膠比，提高混凝土的強度等級的方法來提高混凝土的抗沖磨能力。但隨著混凝土水膠比的降低，混凝土膠凝材料的水化產物在水化早期便會堵塞毛細孔通道，阻礙外部養護水向混凝土內部的遷移，造成內部失水自干燥而收縮，混凝土材料早齡期的收縮應變隨之增加。當這種收縮應變受到限制時，出現裂縫的可能性也隨之增加。近年來在水電工程實際中通常采用在抗沖耐磨混凝土中復摻部分纖維，以達到減少混凝土收縮變形，提高混凝土抗裂能力的目的［3－5］。

目前在水電工程中比較常用的纖維種類有合成纖維、金屬纖維、無機非金屬纖維和天然有機纖維等，復摻纖維在提高水工高性能混凝土抗裂能力的同時，對混凝土抗沖耐磨特性的影響則是水電工程界十分關注的問題。為此結合水電工程的實際，采用目前在水電工程中常用纖維進行纖維混凝土抗沖耐磨性能試驗研究，探討和分析不同纖維對水工高性能混凝土抗沖耐磨特性的影響。

2 混凝土抗沖耐磨特性的試驗方法

2.1 混凝土抗沖耐磨的試驗方法

為了客觀的評價摻纖維對水工混凝土抗沖耐磨特性的影響，本次試驗采用“混凝土抗含砂水流沖刷試驗(圓環法)”和“混凝土抗沖磨試驗(水下鋼球法)”［6］兩種方法進行纖維混凝土抗沖耐磨性能試驗研究。混凝土抗沖耐磨性能的評定指標是以每平方米混凝土表面剝蝕1kg混凝土所需的時間表示，稱為混凝土抗沖磨強度。

混凝土抗含砂水流沖刷試驗方法(圓環法)是用來測定各種混凝土在含砂水流沖刷作用下的抗沖磨性能。試驗主要設備為混凝土變速沖磨儀，設備模擬流速為14.0m/s，磨損介質為石英砂(粒徑0.5～0.85mm)和水的混合物。混凝土試件為環形，由金屬葉輪轉動造成流速，磨損混凝土環形試件的內側面，累計沖磨90min。

混凝土抗沖磨試驗(水下鋼球法)方法是用來測定各種混凝土抗推移質和懸移質沖擊磨損性能。試驗設備由轉動裝置，鋼容器及攪拌槳組成，模擬介質由70個不同粒徑的鋼球和水組成。試驗時將混凝土試件放入容器內，并使被測試面朝上。放入鋼球并加水至水面高出試件表面165mm，開動機器，使攪拌槳保持轉速為1 200r/min。試件表面上的水流速度約為1.5～1.8m/s，鋼球的跳躍最大高度80mm，累計沖磨72h。

2.2 混凝土抗沖擊的試驗方法

混凝土的抗沖擊性能是指在反復沖擊荷載作用下，混凝土吸收動能的能力，目前國際上比較通用的抗沖擊試驗方法主要有爆炸試驗、彈射試驗、擺錘沖擊試驗和落錘沖擊試驗。由于落錘沖擊試驗的簡便性，受到了美國ACI544委員會的推薦［7］。

本次試驗采用落錘法測定纖維混凝土的抗沖擊能力。混凝土試件為10mm×10mm×10mm立方體，沖擊錘重3kg，錘的下端為球面，下落高度為53mm，沖擊錘中線與試件中心線對齊，測試時，沖擊錘自由落下沖擊混凝土表面。混凝土的沖擊韌性以試件在落錘的反復沖擊作用下，表面出現第一條肉眼可見裂縫時單位體積所耗的能來表示。

3 纖維對水工高性能混凝土抗沖耐磨特性的影響

3.1 摻合成纖維對水工高性能混凝土抗沖耐磨特性的影響

合成纖維是一種耐久性優良、很有發展前景的高性能水泥基復合材料。隨著合成工業的發展，生產出了許多如改性晴綸纖維、聚丙烯纖維、聚酯纖維和聚乙烯纖維等性能良好的合成纖維，各種性能優良的合成纖維為發展高性能混凝土提供了物質保障［8］。采用目前在水電工程中比較常用的幾種合成纖維:聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維以及聚乙烯醇纖維，進行摻合成纖維混凝土抗沖耐磨性能的試驗研究。本次試驗所采用的各種合成纖維的性能指標見表1，合成纖維的摻量均為0.9kg/m3。摻各種合成纖維混凝土的抗沖磨強度試驗結果見圖1，摻各種合成纖維混凝土的沖擊韌性試驗結果見圖2，試驗齡期分別為28d和90d。

圖1 摻合成纖維對混凝土抗沖磨強度的影響

表1 合成纖維的技術指標

圖2 摻合成纖維對混凝土沖擊韌性的影響

由摻合成纖維混凝土的抗沖耐磨性能試驗結果可以看出:在混凝土中摻入0.9kg/m3的合成纖維可以有效地提高水工混凝土的抗沖耐磨特性。其中摻聚丙烯纖維的抗沖磨強度提高了10%左右，沖擊韌性提高了34.0% ～38.1%。摻聚丙烯腈纖維的抗沖磨強度提高了15%左右。摻聚乙烯醇纖維的抗沖磨強度提高了18%左右，沖擊韌性提高了48.8%～55.7%。相比而言，摻聚乙烯醇纖維混凝土的抗沖耐磨特性要優于摻聚丙烯腈纖維和摻聚丙烯纖維混凝土。

3.2 摻金屬纖維對水工高性能混凝土抗沖耐磨特性的影響

鋼纖維混凝土是目前作為工程結構材料用途最廣，用量較大的一種纖維混凝土。鋼纖維因生產方法的不同而分為四大類:高強鋼絲切斷型鋼纖維;剪切型鋼纖維;銑削型鋼纖維和熔抽型鋼纖維［9］。本次試驗采用銑削型鋼纖維，其平均長度為32.01mm，等效直徑為0.94mm，長徑比34，抗拉強度700MPa，鋼纖維的摻量為40kg/m3。摻鋼纖維混凝土與摻聚丙烯纖維混凝土抗沖磨強度性能比較的試驗結果(水下鋼球法)見圖3，沖擊韌性的比較試驗結果見圖4，試驗齡期分別為28d和90d。

圖3 摻鋼纖維與聚丙烯纖維對混凝土抗沖磨強度影響的比較

圖4 摻鋼纖維與聚丙烯纖維對混凝土沖擊韌性影響的比較

由試驗結果可以看出:在同等條件下，摻40kg/m3的鋼纖維混凝土抗沖耐磨特性要優于摻0.9kg/m3的聚丙烯纖維混凝土。其中采用水下鋼球法測試的混凝土表面抗沖磨強度提高了30.9%～40.9%，采用圓環法測試的混凝土側面抗沖磨強度提高了7.1%～8.8%。與摻0.9kg/m3的聚丙烯纖維相比，摻40kg/m3的鋼纖維混凝土可以提高纖維混凝土的沖擊韌性26.0%～26.8%。

3.3 摻無機非金屬纖維對水工高性能混凝土抗沖耐磨特性的影響

玄武巖纖維是以天然的火山噴出巖作為原料，將其破碎后加入熔窯中，在1 450～1 500℃熔融后，通過鉑銠合金拉絲漏板制成的連續纖維。在玄武巖纖維的各項性能中有兩點特別突出:熱穩定性好和耐化學性能好。玄武巖纖維是一種無機非金屬纖維，性價比高，發展前景樂觀，被國家列為中長期要重點發展的四大高新技術纖維［10］。本次試驗采用的玄武巖纖維性能指標見表2，玄武巖纖維的摻量為0.8kg/m3。摻玄武巖纖維與摻聚丙烯纖維混凝土抗沖磨強度性能比較的試驗結果(水下鋼球法)見圖5，沖擊韌性比較的試驗結果見圖6，其中抗沖磨強度試驗齡期為90d，沖擊韌性的試驗齡期為28d和90d。

表2 玄武巖纖維性能指標

由試驗結果可以看出:在同等條件下，摻0.8kg/m3的玄武巖纖維混凝土抗沖耐磨特性要優于摻0.9kg/m3的聚丙烯纖維混凝土。其抗沖磨強度提高了5.9% ～9.0%，沖擊韌性則提高了5.7%～7.1%。

3.4 摻天然有機纖維對水工高性能混凝土抗沖耐磨特性的影響

纖維素纖維是一種超細生態纖維，屬于天然有機纖維。它的基體是取自一種經基因改良的特殊硬木樹種，通過專業的生物技術、提純工藝制成的。本次試驗采用的纖維素纖維的性能指標見表3，纖維素纖維的摻量為0.9kg/m3。摻纖維素纖維與摻聚丙烯纖維混凝土抗沖磨強度性能比較的試驗結果(水下鋼球法)見圖7，沖擊韌性比較的試驗結果見圖8，試驗齡期為90d。

對摻纖維素纖維混凝土和摻聚丙烯纖維混凝土

圖5 摻玄武巖纖維與聚丙烯纖維對混凝土抗沖磨強度影響的比較

圖6 摻玄武巖纖維與聚丙烯纖維對混凝土沖擊韌性影響的比較

圖7 摻纖維素纖維與聚丙烯纖維對混凝土抗沖磨強度影響的比較

圖8 摻纖維素纖維與聚丙烯纖維對混凝土沖擊韌性影響的比較

的抗沖耐磨特性進行比較可以看出:摻纖維素纖維混凝土的抗沖磨強度略高于摻聚丙烯纖維混凝土的抗沖磨強度，兩者的沖擊韌性相當。

表3 纖維素纖維的基本性能

4 摻纖維對水工抗沖耐磨高性能混凝土性能影響的分析與討論

4.1 提高混凝土的早期抗裂能力

在低水膠比水工混凝土中復摻部分纖維能夠有效地減少混凝土的塑性收縮及干燥收縮，提高混凝土的抗裂能力。這是由于纖維直徑細，比表面積大，在體積率0.1%的情況下，每立方米混凝土中即有幾百萬甚至上千萬根纖維，這樣在混凝土基體的水泥砂漿中布滿了橫豎交叉的立體纖維網，對混凝土初期硬化基體的干縮和塑性收縮能起到較強的約束作用。與早齡期的混凝土相比，纖維的彈性模量要高，所以從復合材料增強理論講，在低水膠比水工混凝土中復摻部分纖維，對混凝土早期的膠凝體會起到明顯的增強作用，從而抑制膠凝體裂縫的發生。另外，由于眾多亂向分布的纖維，在混凝土中可形成三維支撐體系，阻止骨料的下沉，提高混凝土的勻質性，降低混凝土的泌水，減少混凝土的水分散發，從而阻礙了沉降裂紋的形成，提高混凝土的抗裂能力。

4.2 提高混凝土的抗沖耐磨能力

高速含砂水流對水工泄水建筑物的破壞是沖擊、摩擦和切削，當在低水膠比水工抗沖磨混凝土中摻部分纖維時，纖維以每方數千萬根的數量摻入混凝土中，其互相搭接、牽連，在混凝土內部形成一個亂向支撐系統，阻礙由于沖擊或磨損發生的裂縫的發展，纖維也牽制了混凝土碎塊從基體中剝落，使得混凝土碎塊從基體上剝落需要消耗更多的能量，從而提高了混凝土的耐磨能力。另外，纖維能把混凝土的收縮能量分散到高抗拉強度的纖維上，阻止混凝土原有缺陷的擴展并延緩新裂縫的出現，增強混凝土材料內部的連續性，減少了沖擊波被阻斷引起的局部應力集中程度，所以對低水膠比水工抗沖耐磨混凝土的脆性有著很大的改善。由試驗結果可以看出:纖維依彈性模量是否高于基體混凝土的彈性模量可分為低彈模和高彈模兩類。摻用高彈模纖維混凝土的抗沖耐磨特性要優于摻低彈模纖維混凝土，這是由于當纖維混凝土受到沖磨破壞，混凝土的基體發生裂縫時，纖維會橋架裂縫，纖維這種橋架作用一方面能阻礙裂縫的繼續發展，另一方面纖維也能承受部分載荷，從而緩解混凝土材料的破壞程度。纖維的這種橋架作用和對磨損的抵抗作用的大小，與纖維自身的抗拉強度以及彈性模量有關，纖維自身的抗拉強度和彈性模量越大，改善硬化水泥漿和混凝土的強度和韌性的作用越明顯。

5 結 語

在低水膠比水工高性能混凝土中摻部分纖維，不僅可以有效地抑制混凝土的收縮裂縫，而且對混凝土的抗沖耐磨特性也有著很好的改善作用。摻不同種類纖維對水工混凝土的抗沖耐磨性能的影響依照纖維自身彈性模量的大小而有所不同。對于水工抗沖耐磨高性能混凝土而言，摻高彈性模量纖維對混凝土的抗沖耐磨性能的提高幅度要大于摻低彈性模量纖維。

［1］溪洛渡水電站抗沖耐磨混凝土試驗研究［R］.成都:中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，2009.

［2］錦屏一級水電站抗沖耐磨混凝土性能試驗研究報告［R］.成都:中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，2009.

［3］馬曉華，丁一寧.不同纖維對高性能混凝土自由收縮和非自由收縮影響的試驗研究［M］.纖維混凝土的技術進展與工程應用.大連:大連理工大學出版社，2006.

［4］李光偉.玄武巖纖維在水工抗沖蝕高性能混凝土中的應用［J］. 混凝土，2008(11).

［5］盧安琪，李克亮，祝燁然.聚丙烯纖維混凝土抗沖耐磨試驗研究［J］.水利水電技術，2002(4).

［6］漫玉見，余文勝，霍海平.濕噴鋼纖維混凝土在公伯峽水電站導流洞工程中的應用［J］.水力發電，2002(8).

［7］中華人民共和國國家經濟貿易委員會．水工混凝土試驗規程(DL/T5150－2001)［S］.北京:中國電力出版社，2002.

［8］王伯昕，黃承逵.粗合成纖維混凝土抗裂與抗沖擊性能試驗研究［M］.纖維混凝土的技術進展與工程應用.大連:大連理工大學出版社，2006.

［9］鄧宗才.高性能合成纖維混凝土［M］.北京:科學出版社，2003.

［10］黃承逵.纖維混凝土結構［M］.北京:機械工業出版社，2004.

［11］吳剛，胡顯奇.玄武巖纖維及其增強混凝土力學性能研究與應用［M］∥.纖維混凝土的技術進展與工程應用.大連:大連理工大學出版社，2006.