劉瑞林

(江西省水利水電建設(shè)有限公司，江西 南昌 330200)

水泥混凝土技術(shù)自19世紀(jì)發(fā)展以來，因?yàn)榫哂性牧县S富、生產(chǎn)工藝簡單、成本低廉和力學(xué)性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為土木工程界用量最廣的建筑工程材料[1]。伴隨著混凝土在我國水電工程建設(shè)中的大量使用，混凝土凍融、沖刷磨損、氣蝕破壞等一系列混凝土病害問題逐漸暴露出來，我國地勢呈西高東低，西部山川河流盤繞，可供開發(fā)的水資源豐富，因此，在中西部地區(qū)建成了大量的水電工程[2]。我國河流水資源呈現(xiàn)典型的含沙量高、水頭落差大等特點(diǎn)，含沙量高的水流，尤其是水流較大且攜帶大量泥沙時(shí)，會對水工建筑物表面造成嚴(yán)重的沖刷破壞，嚴(yán)重時(shí)會直接影響水工建筑物的正常使用功能，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患[3]。為提高混凝土抗沖刷、抗磨損能力，高性能混凝土逐漸成為當(dāng)前研究的前沿問題之一，鋼纖維混凝土因?yàn)榫哂心軌蛴行У挚够炷潦湛s裂縫、體改混凝土耐久性等優(yōu)點(diǎn)，早已成為我國高性能混凝土研究對象之一[4- 8]。

現(xiàn)階段研究主要集中于高性能混凝土摻合料種類和提高混凝土強(qiáng)度方面[5- 8]，對高性能混凝土中的鋼纖維混凝土摻和比例和鋼纖維混凝土抗沖磨指標(biāo)的評定依據(jù)研究較少，因此，文章以不同含量的鋼纖維混凝土為基礎(chǔ)，對其抗沖磨性能進(jìn)行了詳細(xì)研究，為鋼纖維混凝土的深入研究提供參考。

1 試驗(yàn)原理與方案

本次試驗(yàn)選用風(fēng)砂試驗(yàn)方法，對鋼纖維混凝材料的抗沖刷性能進(jìn)行分析，沖磨介質(zhì)選用石英砂，粒徑為0.16～2.5mm，以高速水流為載體，對不同含量的鋼纖維混凝土進(jìn)行沖磨試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示，試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1 沖磨試驗(yàn)裝置工作原理

表1 沖磨試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)

2 結(jié)果分析

2.1 質(zhì)量損失特征分析

鋼纖維混凝土經(jīng)過沖磨試驗(yàn)后，其質(zhì)量會出現(xiàn)不同程度的降低，材料質(zhì)量的損失在一定程度上反映了材料的抗沖磨能力。分別對每組試件進(jìn)行試驗(yàn)后的質(zhì)量損失取平均值進(jìn)行計(jì)算，試驗(yàn)結(jié)果見表2，如圖2、圖3所示。

表2 不同沖磨周期下鋼纖維混凝土質(zhì)量損失

圖2 沖磨次數(shù)與質(zhì)量損失之間關(guān)系

圖3 鋼纖維含量與質(zhì)量損失之間關(guān)系

由圖2可以得到，在本次沖磨實(shí)驗(yàn)中，鋼纖維混凝土質(zhì)量損失隨著沖磨次數(shù)的增加，呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，最終穩(wěn)定在3.5g左右，說明沖磨試驗(yàn)過程會對鋼纖維混凝土造成一定的質(zhì)量損失，并且對比不同鋼纖維含量條件下混凝土質(zhì)量變化，說明沖磨試驗(yàn)結(jié)果可靠。

由圖3的每次沖磨試驗(yàn)過程中鋼纖維混凝土質(zhì)量損失具體值可以得出，沖磨試驗(yàn)初期，鋼纖維混凝土質(zhì)量損失量較大，隨著沖磨試驗(yàn)的進(jìn)行，鋼纖維混凝土單周期質(zhì)量損失逐漸趨于穩(wěn)定。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是，沖磨初期，鋼纖維混凝土是一塊完整的試件，混凝土試件在養(yǎng)護(hù)過程中表面與外界環(huán)境直接接觸，混凝土試件外部在一定深度屬于相對薄弱范圍。隨著沖磨試驗(yàn)的繼續(xù)進(jìn)行，鋼纖維混凝土質(zhì)量損失逐漸趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)榛炷帘砻鬈浫鯇颖荒p后，進(jìn)入了混凝土內(nèi)部穩(wěn)定層。由圖3可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼纖維含量為0.5%時(shí)，單次沖磨試驗(yàn)時(shí)，鋼纖維混凝土質(zhì)量損失最大，其質(zhì)量損失大于未添加鋼纖維的混凝土質(zhì)量，也大于鋼纖維含量大于0.5%的混凝土質(zhì)量。當(dāng)混凝土中鋼纖維含量降低(小于0.5%)時(shí)，鋼纖維在混凝土內(nèi)部的存在不僅不能增加混凝土的強(qiáng)度，反而由于鋼纖維含量過低而無法組成網(wǎng)狀形態(tài)，此次鋼纖維在混凝土內(nèi)部僅充當(dāng)軟弱夾層的作用，這導(dǎo)致混凝土抗沖磨能力降低，具體表現(xiàn)為當(dāng)鋼纖維含量較較低時(shí)，在單次沖磨試驗(yàn)下，鋼纖維混凝土質(zhì)量損失最大。因此，鋼纖維混凝土制備時(shí)，必須保證鋼纖維含量大于0.5%[9- 10]。

2.2 抗沖磨強(qiáng)度

根據(jù)混凝土沖磨實(shí)驗(yàn)中，鋼纖維混凝土抗沖磨強(qiáng)度的計(jì)算公式，可以分別計(jì)算不同鋼纖維含量下混凝土抗沖磨強(qiáng)度，以此對鋼纖維混凝抗沖磨特征進(jìn)行分析。

(1)

式中，fa—混凝土抗沖磨強(qiáng)度，指混凝土磨損1cm深所需要的時(shí)間，h/cm；T—多個試件沖磨歷時(shí)的平均值；ρc—混凝土材料的密度，g/cm3；A—混凝土試件的抗沖磨面積，本次試驗(yàn)中選定為100cm2；ΔG—混凝土試件沖磨質(zhì)量損失，g。

依據(jù)前文中鋼纖維混凝土質(zhì)量損失關(guān)系，分別帶入式(1)，計(jì)算得到不同鋼纖維含量下混凝土抗沖磨強(qiáng)度的計(jì)算值及其比值，詳細(xì)計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 不同鋼纖維含量下混凝土材料的抗沖磨強(qiáng)度

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，鋼纖維混凝土抗沖磨強(qiáng)度隨著鋼纖維含量的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，其中當(dāng)鋼纖維含量為0.5%時(shí)，鋼纖維混凝土抗沖磨強(qiáng)度較普通混凝土強(qiáng)度下降21.4%；當(dāng)鋼纖維含量為3%時(shí)，鋼纖維混凝土強(qiáng)度較普通混凝強(qiáng)度增加29.8%，非常明顯地提升了混凝土的抗沖磨性質(zhì)。鋼纖維混凝土抗沖磨性能隨著鋼纖維含量變化而變化的原因，與前文中混凝土質(zhì)量損失隨鋼纖維含量的變化特征一致，這一點(diǎn)進(jìn)一步說明了鋼纖維混凝土的含量太低了，鋼纖維混凝土內(nèi)部存在鋼纖維軟弱結(jié)構(gòu)面，該缺陷的存在直接降低混凝土的抗沖磨強(qiáng)度。

圖4 鋼纖維混凝土沖磨強(qiáng)度

分別依據(jù)鋼纖維含量不同的混凝土材料的立方體抗壓強(qiáng)度和抗沖磨強(qiáng)度隨鋼纖維含量的變化關(guān)系，得到強(qiáng)度演變關(guān)系，如圖5所示。

圖5 鋼纖維混凝土抗沖磨強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度與鋼纖維含量的關(guān)系

由圖5可知，立方體抗壓強(qiáng)度與抗沖磨強(qiáng)度隨鋼纖維含量之間的變化關(guān)系一致，均隨著鋼纖維含量的增加表現(xiàn)為先降低后增加。這一現(xiàn)象說明，混凝土材料的抗壓強(qiáng)度與抗沖磨強(qiáng)度都是力學(xué)強(qiáng)度的體現(xiàn)，在類似工程中若無法直接獲得鋼纖維混凝土的抗沖磨強(qiáng)度，可以利用立方體抗壓強(qiáng)度來反映材料的抗沖磨強(qiáng)度。鋼纖維混凝土強(qiáng)度隨鋼纖維含量變化的原因?yàn)?，?dāng)鋼纖維含量較高時(shí)，其在混凝土內(nèi)部能夠相互搭接成為網(wǎng)狀，能夠消除混凝土在制備與養(yǎng)護(hù)過程中的缺陷，并且加強(qiáng)混凝土原材料之間的粘結(jié)能力，提升混凝土的力學(xué)性能，具體表現(xiàn)為當(dāng)鋼纖維含量較高時(shí)，鋼纖維混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度和抗沖磨強(qiáng)度較普通混凝土均有明顯提升。鋼纖維混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度的變化特征，進(jìn)一步解釋了鋼纖維含量降低時(shí)抗磨強(qiáng)度表現(xiàn)為弱化的原因。因此，在鋼纖維制備高性能混凝土?xí)r需要控制鋼纖維含量不能太低，研究表明，鋼纖維的添加量不得低于1%，否則達(dá)不到外加鋼纖維來提升混凝土力學(xué)性能的目的，鋼纖維摻加量臨界值的提出為高性能混凝土制備提供參考[11- 13]。

3 結(jié)論

(1)混凝土質(zhì)量損失隨著沖磨次數(shù)的增加，呈現(xiàn)先降低后趨于穩(wěn)定的狀態(tài)；在抗沖磨試驗(yàn)中，鋼纖維混凝土質(zhì)量損失隨著鋼纖維含量增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，鋼纖維含量臨界值為0.5%。

(2)鋼纖維混凝土中鋼纖維含量小于0.5%時(shí)，鋼纖維在混凝土內(nèi)部充當(dāng)軟弱夾層的作用，降低了混凝土力學(xué)性能；當(dāng)鋼纖維含量大于1%時(shí)，混凝土內(nèi)部鋼纖維能有效連接在一起，增加混凝土力學(xué)性能。

(3)鋼纖維混凝土立方體抗壓強(qiáng)度與抗磨強(qiáng)度隨鋼纖維含量變化趨勢一致，可以采用立方體抗壓強(qiáng)度評價(jià)鋼纖維混凝土抗沖磨性能；利用鋼纖維制備高性能混凝土?xí)r需要控制鋼纖維含量不得低于1%。