玄武巖纖維對水工混凝土抗沖蝕性能影響研究*

(山西省水利水電科學研究院，山西 太原 030002)

水工結構受到高速挾沙水流摩擦的影響，導致建筑物表面磨損。尤其隨著高水頭水電站的興建，此類問題更加突出。因此，影響水電工程運行的高速挾沙水流造成的磨損破壞問題受到了眾多關注，對水工建筑物的抗沖磨材料的選擇提出了更高的要求。

研究表明，在水工混凝土中添加硅粉可以提高其抗沖蝕能力，因此被大量應用于國內外水利工程中，但由于硅粉顆粒小且對混凝土用水量的變化較為敏感，硅粉的添加會增加混凝土的用水量，使得開裂現象更明顯。大量實踐證明，在硅粉混凝土中添加纖維可減少混凝土早期硬化而引起的微裂縫，減少后期干縮變形現象發生，如在混凝土中添加聚丙烯纖維，可提高其強度和抗沖磨能力，減少收縮變形。

玄武巖纖維經濟環保，且具有強度高、抗高溫、耐腐蝕等優點，因而得到眾多學者的關注。但玄武巖纖維對水工混凝土抗侵蝕性能的改善效果研究較少，因此，本文將玄武巖纖維和目前應用最為廣泛的聚丙烯纖維進行對比試驗，研究玄武巖纖維的抗沖蝕性能，以做參考。

1 原材料性能

試驗研究采用普通硅酸鹽水泥，強度等級為42.5，密度為3.13g/cm3。硅粉的密度為2.4g/cm3,SiO2含量為97%。人工砂的細度模數為2.72。選用TX減水劑。纖維參數見表1，外觀見圖1，混凝土的硅粉含量為6%，纖維含量為0.8kg/m3。混凝土配合比見表2。

表1 纖維基本參數

圖1 纖維外觀

表2 混凝土配合比

2 試驗過程與成果分析

2.1 混凝土強度受玄武巖纖維的影響

本試驗依據水工混凝土試驗規程進行，分別將兩種纖維混合到混凝土中進行抗拉和抗壓強度試驗，試件尺寸均為150mm×150mm×150mm，將試件放在試驗機下壓板正中間，上下壓板與試件之間加一墊板，開動試驗機，以0.3～0.5MPa/s的速度連續且均勻地加載，當試件接近破壞開始迅速變形時，停止調整油門，直至試件破壞，記錄立方體抗壓強度破壞荷載。

進行抗拉強度試驗時，開動試驗機進行兩次預拉，預拉荷載相當于破壞荷載的15%～20%，預拉完畢后，重新調整測量儀器，進行正式測試，拉伸時的荷載速度控制在0.4MPa/min，每加荷500N或1000N測讀并記錄變形值，直至試件破壞。記錄破壞荷載和斷裂位置。試驗結果見圖2，可知兩種纖維混凝土的抗拉強度差異較小，抗壓強度有明顯差異。摻玄武巖纖維混凝土90天抗壓強度提高了13.8%，180天抗壓強度提高了17.3%。

2.2 混凝土體積穩定性受玄武巖纖維的影響

出現裂縫是混凝土中常見的問題之一,裂縫不僅破壞混凝土結構完整性，還會使混凝土的抗沖蝕能力減弱。因此，提高混凝土的體積穩定性是增強混凝土抗沖蝕性能的有力保證，本文選取干縮及體積變形兩個指標進行評價衡量。混凝土的干縮是指在恒溫及無外荷載條件下由于混凝土干濕條件的變化引起軸向長度的變化。混凝土的自生體積變形是處于絕濕恒溫的環境時，混凝土內部水泥水化引起的體積變形。

圖2 混凝土強度對比

分別在硅粉混凝土中添加兩種纖維，制作尺寸為100mm×100mm×510mm的試件。將試件放在溫度為(20±2)℃、相對濕度為(60±5)%的恒溫干縮室養護，其干縮曲線見圖3，從圖3可知，玄武巖纖維可使混凝土干縮變形變小，干縮至180天時變形約減少25%。同時，水化現象會一直發生于膠凝材料中，引起混凝土體積的不斷變化，混凝土體積變形對比見圖4，從圖4可知，玄武巖纖維的添加使得混凝土整體的體積變形相比摻聚丙烯纖維時有所減小，體積變形至120天時減小了24%。

圖3 混凝土干縮變形對比

圖4 混凝土體積變形對比

這是因為玄武巖纖維的細絲可以與混凝土中的漿體更充分地結合，即使水化也會附有大量的水化產物，使得纖維與混凝土黏結性能提高，裂縫產生及發展變慢，抗變形能力提高。同時玄武巖纖維內部結構決定了部分自由水的存在，逐步釋放使得水泥的水化不斷進行，減緩了混凝土的收縮作用，增強了混凝土的體積穩定性。

2.3 混凝土抗沖蝕性能的改善效果

2.3.1 抗沖擊特性

高速挾沙水流沖擊水工建筑物表面時，粒徑較大的砂石在建筑物表面滾動時會沖擊破壞建筑物，同時，由于建筑物局部的粗糙表面，易出現空蝕現象。

在硅粉混凝土中分別摻入兩種纖維，制作尺寸為100mm×100mm×100mm的試件，采用落錘法試驗，混凝土的抗沖擊韌性試驗方法為重3kg的落錘反復從53cm高處下落沖擊試件，直至出現第一條裂縫時所耗的能量。不同纖維增強混凝土的抗沖擊韌性對比見圖5，從圖5中可知，摻入玄武巖纖維后，其28天及90天抗沖擊韌性分別提高5%和8%。

圖5 混凝土抗沖擊韌性對比

2.3.2 抗沖磨特性

在硅粉混凝土中分別摻入兩種纖維，混凝土側面的抗沖磨性能采用圓環法測定，混凝土表面抗沖磨性能采用水下鋼球法測定。

圓環法是模擬挾沙水流以14.3m/s的流速通過粒徑不一的石英砂(0.5～1.0mm)時對混凝土的影響。水下鋼球法模擬流速為1.8m/s時，混凝土被70個不同粒徑鋼球磨損所受的損壞。其抗沖磨強度對比見表3，從試驗結果可知：摻入玄武巖纖維后，混凝土的抗沖擊強度明顯提高，側面及表面分別提高了18.3%和21.2%。

2.3.3 抗空蝕特性

在混凝中摻入兩種不同纖維，并通過轉盤空蝕儀進行測試,其中電動機功率為50kW，轉速為1480r/min。在旋轉圓盤上放8塊試件同時進行試驗,試件的外圓直徑為45cm，內圓直徑為30cm。混凝土抗空蝕性能通過試件受空蝕破壞后的質量損失率來評價。從表3試驗結果可知：玄武巖纖維使得水工混凝土的抗空蝕性有所提高，其28天及90天的空化損失率分別減少了6.7%和10.2%。

表3 混凝土抗沖磨及抗空蝕結果對比

3 結 論

本文針對水利工程建筑物磨損現象嚴重的問題，在混凝土中分別摻入玄武巖纖維及水利工程抗沖蝕混凝土中應用最廣的聚丙烯纖維進行試驗。試驗結果表明：由于玄武巖纖維可以在混凝土中形成比聚丙烯纖維更小、更致密的網狀結構，使得纖維上的水化物與砂漿更好地結合，可以防止裂縫的產生和發展。因此摻入玄武巖纖維可使混凝土強度增強，減少體積變形，其高彈性模量還提高了混凝土的抗沖擊性和抗沖擊強度。

玄武巖纖維環保且與混凝土可以較好地相容，在水利工程高性能抗沖蝕混凝土配制中，值得推廣應用。