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简述纤维增强型水工抗冲磨混凝土的实际应用效果

2020-03-18 615 上传者：管理员

摘要：大坝溢流面、泄水口等迎水面处的水工混凝土因长期受高速含砂水流的冲蚀作用，在表面产生了不同程度的磨损，严重影响到了混凝土耐久性、缩短构筑物服役寿命，甚至是影响到了整个工程的安全性，因此必须要加强对水工混凝土抗冲磨性的重视。基于此，本文简述了金属钢纤维、有机合成纤维及无机玄武岩纤维增强水工混凝土的抗冲磨及其相关性能研究现状和作用机制，旨在为纤维材料在水工混凝土中更为广泛的复合化应用提供参考。

关键词：
抗冲击
抗冲磨
水工混凝土
纤维
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1、金属钢纤维增强型水工抗冲磨混凝土

目前，钢纤维是水工工程结构中适用性最强、用途范围最广的一种材料，而且掺量也比较大，一般在40kg/m3~120kg/m3。钢纤维本身具有较高抗弯拉强度和较高的韧性，当钢纤维散乱分布在混凝土中，能够有效增加混凝土强度，同时阻碍混凝土内部微裂缝的扩展。各种异型钢纤维也在许多项目中扮演着重要角色，异形纤维增加了其与基体间的摩擦力和咬合力。图1为试验用不同形状的钢纤维图片。

图1 试验用不同规格的钢纤维图

李光伟试验得到：在同等条件下，掺40kg/m3的钢纤维混凝土的抗冲耐磨特性要优于掺0.90kg/m3的聚丙烯纤维混凝土，分别采用水下钢球法测试，混凝土抗冲磨强度提高了30.90%~40.90%，采用圆环法测试的混凝土抗冲磨强度提高了7.10%~8.80%。王维红设计的钢纤维混凝土(掺量为70kg/m3)较空白混凝土抗冲磨强度提高34.80%，磨损率降低31.50%，与不加纤维高性能混凝土相比，钢纤维混凝土的抗冲磨强度提高9%，磨损率降低14.60%。

浙江省文成县珊溪水库泄洪洞和溢流面处混凝土为高性能钢纤维-硅粉增强型抗冲磨水工混凝土，其中泄洪洞工程全长410.70m，混凝土浇筑3.50万m3，泄洪洞工程消能工段最高流速达到42m/s，其中钢纤维掺量为45~75kg/m3。结果表明，高性能钢纤维-硅粉增强型抗冲磨水工混凝土较空白混凝土抗压强度提高73%~126%，抗冲磨性能提高40%~93%，抗冲磨韧性提高3.50~4.90倍。

钢纤维增强混凝土的机理，可从两个方面阐述，根据复合力学理论，钢纤维混凝土是由钢纤维和混凝土两相复合的材料，其性能为各相性能的叠加，高速含砂水流冲刷下的非匀质性混凝土结构表面及内部产生不规则应力集中，当其极限抗拉强度小于应力集中点的拉应力时，将会造成面层胶材甚至是骨料的磨蚀、剥落。由于钢纤维的抗拉强度远远高于普通混凝土的抗拉强度，因此钢纤维的掺入能够有效降低因强冲刷而导致的混凝土质量损失，改善其抗冲磨性能。

根据纤维间距理论，普通混凝土内部存在不同程度的微裂缝、孔隙和缺陷，在外荷载作用下（如高速含砂水流的冲刷作用），孔、缝部位就产生较大的应力集中，加速裂缝扩展，最终导致结构破坏。掺入钢纤维后，能有效缓和裂缝尖端应力集中，减少裂缝引伸与扩展，提高混凝土的抗冲击韧性，进而增益抗冲磨强度。

2、有机合成纤维增强型抗冲磨混凝土

2.1 PP（聚丙烯）纤维

聚丙烯纤维其直径大小为40~50μm，在混凝土中的分散性较好，而且自身韧性优异。图2为放大的聚丙烯纤维光学显微镜图像，表1为试验用聚丙烯纤维参数。据统计，当掺入量为混凝土体积的0.10%计量，每方混凝土中的纤维单丝数量达3400~5300万根，大量的纤维交织在一起，在混凝土内部形成散乱分布的纤维丝网，增大混凝土骨料之间的吸附力，当受到含砂水流冲刷时，由于聚丙烯纤维网的存在，粗细骨料从建筑物基体剥离也需要消耗更多的能量，同时阻碍骨料的磨蚀，这就提升了混凝土长期抗冲耐磨性能。

图2 试验用聚丙烯纤维光学显微镜图像图

表1 试验用聚丙烯纤维参数表

向超群在糯扎渡水电站项目测试了聚丙烯纤维增强型混凝土的抗冲击韧性、抗冲耐磨强度等指标，发现PP纤维掺量0.90kg/m3时，90d聚丙烯纤维增强混凝土抗冲击韧性较90d同等级空白混凝土提高了3.90倍，抗冲耐磨强度提高44%。湛伟在磨子潭水库工程实践中也认为聚丙烯纤维的掺入可以提高混凝土抗冲磨强度，且一定范围内与掺量成正比，当掺量达0.90kg/m3时，聚丙烯纤维对混凝土抗冲磨强度的增益效果最高（达20%），同时还对聚丙烯纤维的经济适用性进行分析，指出在掺量0.90kg/m3的情况下，单方价格远低于金属钢纤维。

2.2 PVA（聚乙烯醇）纤维

PVA纤维具有较高的抗拉强度和弹性模量，图3为放大的聚乙烯醇纤维光学显微镜图像，表2为试验用聚乙烯醇纤维参数。在碱性环境中也具有较高的稳定性，良好的亲水性使其能均匀分布于混凝土中，与水泥基体的粘结强度高。

图3 试验用聚乙烯醇纤维光学显微镜图像图

表2 试验用聚乙烯醇纤维参数表

PVA纤维在水利工程上的应用已取得了一定的成果，计涛等对PVA纤维抗冲磨混凝土的性能进行了研究，并与聚丙烯纤维混凝土进行了比较，当PVA纤维掺量为0.90kg/m3时，90d龄期的PVA纤维混凝土抗冲磨强度比基准混凝土提高了6.40%，比聚丙烯纤维混凝土的抗冲磨强度提高了4.60%；180d龄期的PVA纤维混凝土抗冲磨强度较基准混凝土提高了13.50%，较聚丙烯纤维混凝土的抗冲磨强度提高了10.30%。杨富亮针对掺改性PVA纤维混凝土进行研究，结果表明，掺改性PVA纤维较基准混凝土28d劈拉强度提高了8.30%，极限拉伸值提高了10.30%，相同龄期混凝土自身体积变形收缩减少1.50×10-5，有效地提高了大坝混凝土的抗裂性。

PVA纤维与水泥具有良好的亲和性，提高混凝土和易性的同时减少泌水通道的形成，增加结构密实度，提高混凝土抗渗能力；也可以抑制裂缝的形成和发展，进而提高混凝土的极限拉伸性能、抗冲击性能和抗冲磨性能。

3、无机玄武岩纤维增强型抗冲磨混凝土

玄武岩纤维是将纯天然玄武岩矿石原料经过熔融，然后通过喷丝板拉伸而形成的一种无机纤维。玄武岩纤维增强型混凝土的优势在于其具备较为广泛的工作范围，耐热性显著优于有机合成纤维，可用于夏季施工的水工大体积混凝土。另外玄武岩连续纤维的制造过程不产生工业垃圾，被认为是21世纪初的环保纤维，图4为放大的玄武岩纤维光学显微镜图像，表3为试验用玄武岩纤维参数表。

图4 试验用玄武岩纤维光学显微镜图像图

表3 试验用玄武岩纤维参数表

王强等对玄武岩纤维增强混凝土的抗冲磨强度进行了研究，发现同掺量(1kg/m3)下，玄武岩纤维混凝土抗冲磨强度提高率较聚丙烯腈纤维混凝土提高8.60%，且与硅粉复掺后，抗冲磨强度比空白混凝土提高117.60%。赵庆新等研究了玄武岩纤维掺量为0%~0.60wt%时混凝土的抗冲击韧性，发现当掺量为0.36wt%时，抗冲击韧性值提高了2.20倍；苏家河口水电站溢洪道采用玄武岩纤维-硅粉增强型抗冲磨混凝土，纤维掺量为0.90kg/m3，根据工程实况，裂纹较少且力学强度高，构筑物抗冲耐磨强度远高于基准混凝土且满足设计要求。

4、纤维增强型抗冲磨混凝土试验结果

试验室实测单掺不同种类纤维对C40混凝土抗冲磨强度的影响，结果见表4。可以看出推荐掺量下的纤维对抗冲磨强度均有不同程度的提高效果，其中波浪型钢纤维及玄武岩纤维短切砂的效果最为明显，较空白样均提高30%以上。但玄武岩纤维短切砂的掺量更少，在拌和物中分散更好，不存在锈蚀引起的安定性风险，同时玄武岩纤维在生产过程中环保无污染，符合绿色建材的行业发展方向。

表4 单掺不同种类纤维的C40混凝土抗冲磨强度表

5、其它纤维在抗冲磨混凝土中的应用前景

近年来，纤维增强水工抗冲磨混凝土的相关研究日益受到重视，越来越多性能优异、价格低廉、绿色环保可再生的新型纤维出现在人们的视野中，例如李光伟对纤维素纤维水工抗冲磨混凝土的研究结果表明，纤维素纤维可有效提高混凝土的体积稳定性，抑制早期温缩裂缝的发生，从整体结构层面提高水工混凝土抵御高速水流、砂石冲刷的能力。

王艳琼研究表明，玻璃纤维能够降低混凝土碳化深度，使其具有良好的抗氯离子侵蚀能力，同时玻纤混凝土的抗冲磨磨损率较空白混凝土降低了36%。此外，水工混凝土中掺入高模量纤维和高延性纤维，使两种甚至多种纤维在不同的受荷阶段和不同的结构层次发挥增强、增韧作用，将材料进一步复合化，可获得具有优异综合力学性能的混杂纤维混凝土，可以预见对水工混凝土抗冲磨强度必将具有更为显著的增益效果。

6、结论

高速含砂水流对水工混凝土冲蚀造成的破坏并非单一因素导致，而是磨损、切削、冲击、撞击、空蚀等多方面因素共同引起的复杂破坏形式，加之自然水流冲蚀破坏具有的偶发性、连续性、长期性等特点，抗冲磨水工混凝土的材料复合化之路是大势所趋。混凝土用纤维增强材料互相搭接、桥联所形成的“微筋”系统，降低了胶材、骨料等原生材料从混凝土基体中的脱离的风险，分担了大量来自高速含砂水流的破坏作用力，同时阻碍冲击引发的裂缝扩张，能够从多角度提高水工混凝土的抗冲磨强度。在实际工程应用中，纤维增强型水工混凝土也取得了明显的抗冲磨性能提高效果，为日后纤维材料在水工抗冲磨混凝土领域中更为广泛的应用提供了支撑。

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