(山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002)

水工結(jié)構(gòu)受到高速挾沙水流摩擦的影響，導(dǎo)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(yùn)行的高速挾沙水流造成的磨損破壞問題受到了眾多關(guān)注，對(duì)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(yīng)用于國(guó)內(nèi)外水利工程中，但由于硅粉顆粒小且對(duì)混凝土用水量的變化較為敏感，硅粉的添加會(huì)增加混凝土的用水量，使得開裂現(xiàn)象更明顯。大量實(shí)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(xiàn)象發(fā)生，如在混凝土中添加聚丙烯纖維，可提高其強(qiáng)度和抗沖磨能力，減少收縮變形。

玄武巖纖維經(jīng)濟(jì)環(huán)保，且具有強(qiáng)度高、抗高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，因而得到眾多學(xué)者的關(guān)注。但玄武巖纖維對(duì)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(yīng)用最為廣泛的聚丙烯纖維進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，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(yàn)研究采用普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)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(xì)度模數(shù)為2.72。選用TX減水劑。纖維參數(shù)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(shù)

圖1 纖維外觀

表2 混凝土配合比

2 試驗(yàn)過(guò)程與成果分析

2.1 混凝土強(qiáng)度受玄武巖纖維的影響

本試驗(yàn)依據(jù)水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行，分別將兩種纖維混合到混凝土中進(jìn)行抗拉和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試件尺寸均為150mm×150mm×150mm，將試件放在試驗(yàn)機(jī)下壓板正中間，上下壓板與試件之間加一墊板，開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，以0.3～0.5MPa/s的速度連續(xù)且均勻地加載，當(dāng)試件接近破壞開始迅速變形時(shí)，停止調(diào)整油門，直至試件破壞，記錄立方體抗壓強(qiáng)度破壞荷載。

進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行兩次預(yù)拉，預(yù)拉荷載相當(dāng)于破壞荷載的15%～20%，預(yù)拉完畢后，重新調(diào)整測(cè)量?jī)x器，進(jìn)行正式測(cè)試，拉伸時(shí)的荷載速度控制在0.4MPa/min，每加荷500N或1000N測(cè)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(yàn)結(jié)果見圖2，可知兩種纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度差異較小，抗壓強(qiáng)度有明顯差異。摻玄武巖纖維混凝土90天抗壓強(qiáng)度提高了13.8%，180天抗壓強(qiáng)度提高了17.3%。

2.2 混凝土體積穩(wěn)定性受玄武巖纖維的影響

出現(xiàn)裂縫是混凝土中常見的問題之一,裂縫不僅破壞混凝土結(jié)構(gòu)完整性，還會(huì)使混凝土的抗沖蝕能力減弱。因此，提高混凝土的體積穩(wěn)定性是增強(qiáng)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(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)衡量?；炷恋母煽s是指在恒溫及無(wú)外荷載條件下由于混凝土干濕條件的變化引起軸向長(zhǎng)度的變化?；炷恋淖陨w積變形是處于絕濕恒溫的環(huán)境時(shí)，混凝土內(nèi)部水泥水化引起的體積變形。

圖2 混凝土強(qiáng)度對(duì)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(duì)濕度為(60±5)%的恒溫干縮室養(yǎng)護(hù)，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(shí)變形約減少25%。同時(shí)，水化現(xiàn)象會(huì)一直發(fā)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(duì)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(shí)有所減小，體積變形至120天時(shí)減小了24%。

圖3 混凝土干縮變形對(duì)比

圖4 混凝土體積變形對(duì)比

這是因?yàn)樾鋷r纖維的細(xì)絲可以與混凝土中的漿體更充分地結(jié)合，即使水化也會(huì)附有大量的水化產(chǎn)物，使得纖維與混凝土黏結(jié)性能提高，裂縫產(chǎn)生及發(fā)展變慢，抗變形能力提高。同時(shí)玄武巖纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jìn)行，減緩了混凝土的收縮作用，增強(qiáng)了混凝土的體積穩(wěn)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(shí)，粒徑較大的砂石在建筑物表面滾動(dòng)時(shí)會(huì)沖擊破壞建筑物，同時(shí)，由于建筑物局部的粗糙表面，易出現(xiàn)空蝕現(xiàn)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(yàn)，混凝土的抗沖擊韌性試驗(yàn)方法為重3kg的落錘反復(fù)從53cm高處下落沖擊試件，直至出現(xiàn)第一條裂縫時(shí)所耗的能量。不同纖維增強(qiáng)混凝土的抗沖擊韌性對(duì)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(duì)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(cè)面的抗沖磨性能采用圓環(huán)法測(cè)定，混凝土表面抗沖磨性能采用水下鋼球法測(cè)定。

圓環(huán)法是模擬挾沙水流以14.3m/s的流速通過(guò)粒徑不一的石英砂(0.5～1.0mm)時(shí)對(duì)混凝土的影響。水下鋼球法模擬流速為1.8m/s時(shí)，混凝土被70個(gè)不同粒徑鋼球磨損所受的損壞。其抗沖磨強(qiáng)度對(duì)比見表3，從試驗(yàn)結(jié)果可知：摻入玄武巖纖維后，混凝土的抗沖擊強(qiáng)度明顯提高，側(cè)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(guò)轉(zhuǎn)盤空蝕儀進(jìn)行測(cè)試,其中電動(dòng)機(jī)功率為50kW，轉(zhuǎn)速為1480r/min。在旋轉(zhuǎn)圓盤上放8塊試件同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn),試件的外圓直徑為45cm，內(nèi)圓直徑為30cm。混凝土抗空蝕性能通過(guò)試件受空蝕破壞后的質(zhì)量損失率來(lái)評(píng)價(jià)。從表3試驗(yàn)結(jié)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(jié)果對(duì)比

3 結(jié) 論

本文針對(duì)水利工程建筑物磨損現(xiàn)象嚴(yán)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(yīng)用最廣的聚丙烯纖維進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得纖維上的水化物與砂漿更好地結(jié)合，可以防止裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。因此摻入玄武巖纖維可使混凝土強(qiáng)度增強(qiáng)，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(qiáng)度。

玄武巖纖維環(huán)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(yīng)用。