基于不同纤维的水工混凝土抗冲蚀性能分析_刘红丽.pdf

21 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）基于不同纤维的水工混凝土抗冲蚀性能分析刘红丽（新民市水利工程质量监督站，辽宁 新民 110300）摘 要：文章将聚丙烯和玄武岩两种纤维分别掺入水工混凝土，采用室内试验分析了抗空蚀性、抗冲击性、体积稳定性和力学性能变化规律。结果表明：将适量玄武岩纤维掺入混凝土中有利于增强其体积稳定性和强度，改善混凝土冲击韧性和抗侵蚀性，可为解决水工构筑物普遍面临的挟沙高速水流磨损问题提供一定参考。关键词：水工混凝土；抗冲蚀性；纤维作用；试验分析中图分类号：TV33文件标识码：B实践表明，挟沙高速水流摩擦极易造成水工构筑物表面磨损，特别是高水头水电站面临着更加突出的冲蚀磨损问题1-2。因此，广大学者越来越关注挟沙高速水流造成的水电工程磨损破坏问题，对于水工混凝土抗冲磨性能水电工程建设提出了更高的要求。研究认为，将矿粉掺入水工混凝土中能够增强其抗冲蚀性，现已被广泛应用于水利工程领域，但矿粉具有较高的水敏感性，硅粉颗粒较小会优先吸附拌合水，从而使得混凝土用水量增加，引起更加明显的开裂3-6。因此，为减少混凝土早期硬化所造成的微裂缝和后期干缩变形现象的出现，可以将适量纤维掺入硅粉混凝土中，例如掺入聚丙烯纤维能够减少收缩变形，改善混凝土抗冲磨性和强度。玄武岩纤维因具有耐腐蚀、抗高温、强度高、环保经济等优点逐渐得到众多学者的关注，而研究分析玄武岩纤维改善水工混凝土抗冲磨性能的还较少。鉴于此，本文选用聚丙烯和玄武岩两种纤维进行研究，并进一步探讨了掺玄武岩纤维的水工混凝土性能，旨在为解决水工构筑物普遍面临的挟沙高速水流磨损问题提供一定参考。1 配合比设计试验选用铁新PO42.5级通用硅酸盐水泥，初、终凝时间为 165min 和 230min，3d、28d 抗压强度 28.0MPa 和 47.2MPa；矿粉选用诚远 S95 级矿渣粉，需水量比 98%，密度 2.80g/cm3；细骨料选用河砂，表观密度 2650kg/m3，细度模数 2.6，粗骨料选用 520mm 人工碎石，压碎指标 4.2%；试验选用科诺 QW-4 聚羧酸高效减水剂，减水率30%，拌合水用当地自来水。玄武岩纤维和聚丙烯纤维基本参数如表 1 所示，纤维掺量 0.6kg/m3，硅粉掺量 5%，配合比设计如表 2 所示。表 1 纤维的性能参数纤维类型玄武岩纤维聚丙烯纤维抗拉强度/MPa762510断裂伸长率/%3.116密度/g(cm3)-12.80.88表 2 水工混凝土配合比 kg/m3原材料用量水水泥水灰比天然河砂人工碎石参数值1604000.4057512652 试验结果与分析2.1 对力学性能的影响将两种不同纤维按设计配合比掺入水工混凝土中制成 150mm150mm150mm 的标准试件，依收稿日期2022-12-16作者简介刘红丽（1978-），女，辽宁新民人，助理工程师，研究方向为水利工程质量监督、水利工程施工、农村安全饮水等。文章编号:1007-7596（2023）01-0021-03DOI:10.14122/ki.hskj.2023.01.004 22 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）据水工混凝土耐久性技术规范、水工混凝土试验规程相关流程测定试件抗压和抗拉强度。试验过程中，将试样放入试验机的压板正中间，试件与上、下压板间安装垫板，启动试验机设定加载速率 0.30.6MPa/s，均匀连续地加载直至试件出现快速变形发生破坏，并记录试件破坏时的的荷载。测试抗拉强度时，先启动试验机以 15%20%的破坏荷载进行两次预拉，预拉完成后再重新调整仪器，控制拉伸荷载加载速率 0.5MPa/min，每加载1000N 或 500N 测读一次变形值直至破坏，破坏后记录断裂位置和破坏荷载，如图 1 所示。0123456020406080100120140160180200龄期/d聚丙烯纤维混凝土玄武岩纤维混凝土抗拉强度/MPa(a)抗拉强度020406080020406080100120140160180200龄期/d聚丙烯纤维混凝土玄武岩纤维混凝土抗压强度/MPa(b)抗压强度图 1 水工混凝土力学性能从图 1 可以看出，掺玄武岩纤维和聚丙烯纤维水工混凝土的抗压强度有明显差异，但是抗拉强度相差不大。水工混凝土掺玄武岩纤维相较于掺聚丙烯纤维 90d、180d 抗压强度提高了 10.6%、17.8%。2.2 对体积稳定性的影响受设计标准、施工方案、原材料品质和管护措施落实等因素影响，水工混凝土结构或多或少都存在一定的裂缝问题。裂缝与库水贯通后形成渗流或射流，对坝体内部廊道造成污染，破坏结构的应力条件，降低混凝土抗冲蚀能力，影响工程结构的安全稳定性和结构美观性。因此，为增强抗冲蚀性能必须保证混凝土的体积稳定性，一般选用自生体积及干缩变形指标进行评价。其中，自生体积变形是混凝土处于恒温绝湿条件下水泥水化所引起的变形，干缩变形是指在无外荷载及恒温情况下，因干湿条件变化而引起的混凝土轴向长度的改变。将两种不同纤维按设计配合比分别掺入水工混凝土中制成 510mm150mm150mm 的试件，脱模后把试件放入(905)%相对湿度、(202)恒温环境中养护，其干缩变化曲线如图 2 所示。-600-400-2000020406080100120140160180200龄期/d聚丙烯纤维混凝土玄武岩纤维混凝土干缩变形/10-6图 2 水工混凝土干缩变形从图 2 可以看出，掺玄武岩纤维有利于减小水工混凝土干缩变形，干缩 180d 时掺玄武岩纤维水工混凝土变形较掺聚丙烯纤维试件减少 26.1%。此外，胶凝材料发生水化反应使得混凝土体积不断发生改变，体积变形如图 3 所示。-30-20-10010037142835426090120龄期/d聚丙烯纤维混凝土玄武岩纤维混凝土自生体积变形/10-6图 3 水工混凝土体积变形从图 3 可以看出，掺玄武岩纤维的水工混凝土体积变形小于掺聚丙烯纤维组，180d 时的体积变形减少 25.7%这是由于混凝土中的砂浆与玄武岩纤维的细丝能够充分结合，水化产生的 C-S-H 凝胶改善了混凝土与纤维的黏结性能，降低了裂缝的形成与发展 23 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）速度，提高了整体抗变形能力。此外，玄武岩纤维的结构特征使得混凝土内部存在一定的自由水，自由水逐步释放使得水泥水化更加充分，有利于减缓混凝土收缩变形，增强其体积稳定性。2.3 对抗冲蚀性能的影响2.3.1 抗冲击性水工构筑物表面受挟沙高速水流冲击时，粒径较大的砂石会造成一定的滚动冲击破坏，并且因构筑物表面粗糙极易形成空蚀现象。将两种不同纤维按设计配合比分别掺入水工混凝土中制成100mm100mm100mm 的标准试件，利用落锤法测试各组试件的抗冲击性能。试验过程中，从53cm 高处下反复落下重 3kg 的重锤冲击试件直至出现第一条裂缝，测试结果如图 4 所示。01020302890龄期/d聚丙烯纤维混凝土玄武岩纤维混凝土自生体积变形/10-6图 4 水工混凝土抗冲击韧性从图 4 可以看出，水工混凝土中掺玄武岩纤维的 28d、90d 抗冲击韧性较掺聚丙烯纤维试件可提高 6.6%、10.2%。2.3.2 抗冲磨性将两种不同纤维按设计配合比分别掺入水工混凝土中制成标准试件，采用圆环法和水下钢球法测定混凝土侧面、表面的抗冲磨性能，结果见表 3。其中，圆环法主要是模拟通过 0.41.0mm 粒径石英砂时挟沙水流对混凝土的影响，水下钢球法主要是模拟 70 个不同粒径钢球对 1.8m/s 流速下混凝土的损坏程度。表 3 水工混凝土空化损失率与抗冲磨强度纤维类型玄武岩纤维聚丙烯纤维抗冲磨强度/h/(kg/m2)侧面冲磨2.602.21表面冲磨9.788.02空化损失率/%28d0.680.7490d0.540.60由表 3 可知，水工混凝土中掺玄武岩纤维可以明显增强其抗冲击性能，相较于掺聚丙烯纤维试件可以侧面、表面抗冲磨性提高了 17.6%和 21.9%。2.3.3 抗空蚀性将两种不同纤维按设计配合比分别掺入水工混凝土中制成标准试件，采用转盘空蚀仪测试其抗空蚀性能，试验时设定转速 1500r/min，功率 50kW。同时将 8 个试样放置旋转圆盘上，试件内、外径30cm 和 45cm，采用空蚀破坏后混凝土试件的质量损失率反映其抗空蚀性能，如表 3 所示。结果显示，掺玄武岩纤维能够有效增强混凝土抗空蚀性能，掺玄武岩纤维的 28d、90d 空化损失率较掺聚丙烯纤维试样减少 8.11%、10.0%。3 结 论为解决水工混凝土结构存在的水流冲蚀磨损问题，将玄武岩和聚丙烯两种纤维掺入混凝土中并试验探讨其性能。试验表明，水工混凝土中的玄武岩纤维能够形成致密、细小的网状结构，砂浆能够与纤维上的水化物紧密结合，有效防止混凝土裂缝的形成与发展。因此，掺玄武岩纤维有利于减少体积变形，增强混凝土强度、抗冲击强度和弹性模量。此外，水工混凝土能够与玄武岩纤维更好地相容，对于配制高抗冲蚀性水工混凝土具有一定实用可靠性。参考文献：1 苏骏，郑辉，郭旺，等PVA 纤维与织物复合增强水泥基材料弯曲韧性研究 J混凝土与水泥制品，2019(05)：48-532 陈仁宏，乔丕忠基于纳米压痕试验的混凝土微观耐久性表征 J力学季刊，2015，36(01)：88-943 吴文伟，董雪花，姜旻骁，等钢聚丙烯腈纤维混凝土低温性能研究 J低温建筑技术，2011(09)：6-74 卢安琪，李克亮，祝烨然，等聚丙烯纤维混凝土抗冲耐磨试验研究 J水利水电技术，2002(04)：37-395 李斌，蔡汉超，缠宏宇聚丙烯腈纤维对混凝土强度及耐磨性的影响 J混凝土与水泥制品，2015(04)：49-536 李林香，谭盐宾，李康，等玄武岩纤维，聚丙烯腈纤维和聚乙烯醇纤维对混凝土性能影响的对比研究 J铁道建筑，2019(11)：130-1347 支栓喜，陈尧龙，季日臣由硅粉混凝土应用中存在的问题论高速水流护面材料选择的原则与要求 J水力发电学报，2005(06)：45-48，128