水電工程中鋼纖維混凝土抗沖磨性能研究

劉瑞林

(江西省水利水電建設有限公司，江西 南昌 330200)

水泥混凝土技術自19世紀發展以來，因為具有原材料豐富、生產工藝簡單、成本低廉和力學性能優良等優點，已經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，可供開發的水資源豐富，因此，在中西部地區建成了大量的水電工程[2]。我國河流水資源呈現典型的含沙量高、水頭落差大等特點，含沙量高的水流，尤其是水流較大且攜帶大量泥沙時，會對水工建筑物表面造成嚴重的沖刷破壞，嚴重時會直接影響水工建筑物的正常使用功能，造成極大的經濟損失和安全隱患[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前研究的前沿問題之一，鋼纖維混凝土因為具有能夠有效抵抗混凝土收縮裂縫、體改混凝土耐久性等優點，早已成為我國高性能混凝土研究對象之一[4- 8]。

現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的評定依據研究較少，因此，文章以不同含量的鋼纖維混凝土為基礎，對其抗沖磨性能進行了詳細研究，為鋼纖維混凝土的深入研究提供參考。

1 試驗原理與方案

本次試驗選用風砂試驗方法，對鋼纖維混凝材料的抗沖刷性能進行分析，沖磨介質選用石英砂，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行沖磨試驗，試驗設備如圖1所示，試驗技術參數見表1。

圖1 沖磨試驗裝置工作原理

表1 沖磨試驗技術參數

2 結果分析

2.1 質量損失特征分析

鋼纖維混凝土經過沖磨試驗后，其質量會出現不同程度的降低，材料質量的損失在一定程度上反映了材料的抗沖磨能力。分別對每組試件進行試驗后的質量損失取平均值進行計算，試驗結果見表2，如圖2、圖3所示。

表2 不同沖磨周期下鋼纖維混凝土質量損失

圖2 沖磨次數與質量損失之間關系

圖3 鋼纖維含量與質量損失之間關系

由圖2可以得到，在本次沖磨實驗中，鋼纖維混凝土質量損失隨著沖磨次數的增加，呈現逐漸降低的趨勢，最終穩定在3.5g左右，說明沖磨試驗過程會對鋼纖維混凝土造成一定的質量損失，并且對比不同鋼纖維含量條件下混凝土質量變化，說明沖磨試驗結果可靠。

由圖3的每次沖磨試驗過程中鋼纖維混凝土質量損失具體值可以得出，沖磨試驗初期，鋼纖維混凝土質量損失量較大，隨著沖磨試驗的進行，鋼纖維混凝土單周期質量損失逐漸趨于穩定。出現這一現象的原因是，沖磨初期，鋼纖維混凝土是一塊完整的試件，混凝土試件在養護過程中表面與外界環境直接接觸，混凝土試件外部在一定深度屬于相對薄弱范圍。隨著沖磨試驗的繼續進行，鋼纖維混凝土質量損失逐漸趨于穩定，這是因為混凝土表明軟弱層被磨損后，進入了混凝土內部穩定層。由圖3可以發現，當鋼纖維含量為0.5%時，單次沖磨試驗時，鋼纖維混凝土質量損失最大，其質量損失大于未添加鋼纖維的混凝土質量，也大于鋼纖維含量大于0.5%的混凝土質量。當混凝土中鋼纖維含量降低(小于0.5%)時，鋼纖維在混凝土內部的存在不僅不能增加混凝土的強度，反而由于鋼纖維含量過低而無法組成網狀形態，此次鋼纖維在混凝土內部僅充當軟弱夾層的作用，這導致混凝土抗沖磨能力降低，具體表現為當鋼纖維含量較較低時，在單次沖磨試驗下，鋼纖維混凝土質量損失最大。因此，鋼纖維混凝土制備時，必須保證鋼纖維含量大于0.5%[9- 10]。

2.2 抗沖磨強度

根據混凝土沖磨實驗中，鋼纖維混凝土抗沖磨強度的計算公式，可以分別計算不同鋼纖維含量下混凝土抗沖磨強度，以此對鋼纖維混凝抗沖磨特征進行分析。

(1)

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

依據前文中鋼纖維混凝土質量損失關系，分別帶入式(1)，計算得到不同鋼纖維含量下混凝土抗沖磨強度的計算值及其比值，詳細計算結果見表3。

表3 不同鋼纖維含量下混凝土材料的抗沖磨強度

由圖4可以發現，鋼纖維混凝土抗沖磨強度隨著鋼纖維含量的增加呈現先降低后增加的趨勢，其中當鋼纖維含量為0.5%時，鋼纖維混凝土抗沖磨強度較普通混凝土強度下降21.4%；當鋼纖維含量為3%時，鋼纖維混凝土強度較普通混凝強度增加29.8%，非常明顯地提升了混凝土的抗沖磨性質。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，與前文中混凝土質量損失隨鋼纖維含量的變化特征一致，這一點進一步說明了鋼纖維混凝土的含量太低了，鋼纖維混凝土內部存在鋼纖維軟弱結構面，該缺陷的存在直接降低混凝土的抗沖磨強度。

圖4 鋼纖維混凝土沖磨強度

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

圖5 鋼纖維混凝土抗沖磨強度和抗壓強度與鋼纖維含量的關系

由圖5可知，立方體抗壓強度與抗沖磨強度隨鋼纖維含量之間的變化關系一致，均隨著鋼纖維含量的增加表現為先降低后增加。這一現象說明，混凝土材料的抗壓強度與抗沖磨強度都是力學強度的體現，在類似工程中若無法直接獲得鋼纖維混凝土的抗沖磨強度，可以利用立方體抗壓強度來反映材料的抗沖磨強度。鋼纖維混凝土強度隨鋼纖維含量變化的原因為，當鋼纖維含量較高時，其在混凝土內部能夠相互搭接成為網狀，能夠消除混凝土在制備與養護過程中的缺陷，并且加強混凝土原材料之間的粘結能力，提升混凝土的力學性能，具體表現為當鋼纖維含量較高時，鋼纖維混凝土的立方體抗壓強度和抗沖磨強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度的變化特征，進一步解釋了鋼纖維含量降低時抗磨強度表現為弱化的原因。因此，在鋼纖維制備高性能混凝土時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%，否則達不到外加鋼纖維來提升混凝土力學性能的目的，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 結論

(1)混凝土質量損失隨著沖磨次數的增加，呈現先降低后趨于穩定的狀態；在抗沖磨試驗中，鋼纖維混凝土質量損失隨著鋼纖維含量增加呈現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，鋼纖維在混凝土內部充當軟弱夾層的作用，降低了混凝土力學性能；當鋼纖維含量大于1%時，混凝土內部鋼纖維能有效連接在一起，增加混凝土力學性能。

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