水电工程中钢纤维混凝土抗冲磨性能研究

刘瑞林

(江西省水利水电建设有限公司，江西 南昌 330200)

水泥混凝土技术自19世纪发展以来，因为具有原材料丰富、生产工艺简单、成本低廉和力学性能优良等优点，已经成为土木工程界用量最广的建筑工程材料[1]。伴随着混凝土在我国水电工程建设中的大量使用，混凝土冻融、冲刷磨损、气蚀破坏等一系列混凝土病害问题逐渐暴露出来，我国地势呈西高东低，西部山川河流盘绕，可供开发的水资源丰富，因此，在中西部地区建成了大量的水电工程[2]。我国河流水资源呈现典型的含沙量高、水头落差大等特点，含沙量高的水流，尤其是水流较大且携带大量泥沙时，会对水工建筑物表面造成严重的冲刷破坏，严重时会直接影响水工建筑物的正常使用功能，造成极大的经济损失和安全隐患[3]。为提高混凝土抗冲刷、抗磨损能力，高性能混凝土逐渐成为当前研究的前沿问题之一，钢纤维混凝土因为具有能够有效抵抗混凝土收缩裂缝、体改混凝土耐久性等优点，早已成为我国高性能混凝土研究对象之一[4- 8]。

现阶段研究主要集中于高性能混凝土掺合料种类和提高混凝土强度方面[5- 8]，对高性能混凝土中的钢纤维混凝土掺和比例和钢纤维混凝土抗冲磨指标的评定依据研究较少，因此，文章以不同含量的钢纤维混凝土为基础，对其抗冲磨性能进行了详细研究，为钢纤维混凝土的深入研究提供参考。

1 试验原理与方案

本次试验选用风砂试验方法，对钢纤维混凝材料的抗冲刷性能进行分析，冲磨介质选用石英砂，粒径为0.16～2.5mm，以高速水流为载体，对不同含量的钢纤维混凝土进行冲磨试验，试验设备如图1所示，试验技术参数见表1。

图1 冲磨试验装置工作原理

表1 冲磨试验技术参数

2 结果分析

2.1 质量损失特征分析

钢纤维混凝土经过冲磨试验后，其质量会出现不同程度的降低，材料质量的损失在一定程度上反映了材料的抗冲磨能力。分别对每组试件进行试验后的质量损失取平均值进行计算，试验结果见表2，如图2、图3所示。

表2 不同冲磨周期下钢纤维混凝土质量损失

图2 冲磨次数与质量损失之间关系

图3 钢纤维含量与质量损失之间关系

由图2可以得到，在本次冲磨实验中，钢纤维混凝土质量损失随着冲磨次数的增加，呈现逐渐降低的趋势，最终稳定在3.5g左右，说明冲磨试验过程会对钢纤维混凝土造成一定的质量损失，并且对比不同钢纤维含量条件下混凝土质量变化，说明冲磨试验结果可靠。

由图3的每次冲磨试验过程中钢纤维混凝土质量损失具体值可以得出，冲磨试验初期，钢纤维混凝土质量损失量较大，随着冲磨试验的进行，钢纤维混凝土单周期质量损失逐渐趋于稳定。出现这一现象的原因是，冲磨初期，钢纤维混凝土是一块完整的试件，混凝土试件在养护过程中表面与外界环境直接接触，混凝土试件外部在一定深度属于相对薄弱范围。随着冲磨试验的继续进行，钢纤维混凝土质量损失逐渐趋于稳定，这是因为混凝土表明软弱层被磨损后，进入了混凝土内部稳定层。由图3可以发现，当钢纤维含量为0.5%时，单次冲磨试验时，钢纤维混凝土质量损失最大，其质量损失大于未添加钢纤维的混凝土质量，也大于钢纤维含量大于0.5%的混凝土质量。当混凝土中钢纤维含量降低(小于0.5%)时，钢纤维在混凝土内部的存在不仅不能增加混凝土的强度，反而由于钢纤维含量过低而无法组成网状形态，此次钢纤维在混凝土内部仅充当软弱夹层的作用，这导致混凝土抗冲磨能力降低，具体表现为当钢纤维含量较较低时，在单次冲磨试验下，钢纤维混凝土质量损失最大。因此，钢纤维混凝土制备时，必须保证钢纤维含量大于0.5%[9- 10]。

2.2 抗冲磨强度

根据混凝土冲磨实验中，钢纤维混凝土抗冲磨强度的计算公式，可以分别计算不同钢纤维含量下混凝土抗冲磨强度，以此对钢纤维混凝抗冲磨特征进行分析。

(1)

式中，fa—混凝土抗冲磨强度，指混凝土磨损1cm深所需要的时间，h/cm；T—多个试件冲磨历时的平均值；ρc—混凝土材料的密度，g/cm3；A—混凝土试件的抗冲磨面积，本次试验中选定为100cm2；ΔG—混凝土试件冲磨质量损失，g。

依据前文中钢纤维混凝土质量损失关系，分别带入式(1)，计算得到不同钢纤维含量下混凝土抗冲磨强度的计算值及其比值，详细计算结果见表3。

表3 不同钢纤维含量下混凝土材料的抗冲磨强度

由图4可以发现，钢纤维混凝土抗冲磨强度随着钢纤维含量的增加呈现先降低后增加的趋势，其中当钢纤维含量为0.5%时，钢纤维混凝土抗冲磨强度较普通混凝土强度下降21.4%；当钢纤维含量为3%时，钢纤维混凝土强度较普通混凝强度增加29.8%，非常明显地提升了混凝土的抗冲磨性质。钢纤维混凝土抗冲磨性能随着钢纤维含量变化而变化的原因，与前文中混凝土质量损失随钢纤维含量的变化特征一致，这一点进一步说明了钢纤维混凝土的含量太低了，钢纤维混凝土内部存在钢纤维软弱结构面，该缺陷的存在直接降低混凝土的抗冲磨强度。

图4 钢纤维混凝土冲磨强度

分别依据钢纤维含量不同的混凝土材料的立方体抗压强度和抗冲磨强度随钢纤维含量的变化关系，得到强度演变关系，如图5所示。

图5 钢纤维混凝土抗冲磨强度和抗压强度与钢纤维含量的关系

由图5可知，立方体抗压强度与抗冲磨强度随钢纤维含量之间的变化关系一致，均随着钢纤维含量的增加表现为先降低后增加。这一现象说明，混凝土材料的抗压强度与抗冲磨强度都是力学强度的体现，在类似工程中若无法直接获得钢纤维混凝土的抗冲磨强度，可以利用立方体抗压强度来反映材料的抗冲磨强度。钢纤维混凝土强度随钢纤维含量变化的原因为，当钢纤维含量较高时，其在混凝土内部能够相互搭接成为网状，能够消除混凝土在制备与养护过程中的缺陷，并且加强混凝土原材料之间的粘结能力，提升混凝土的力学性能，具体表现为当钢纤维含量较高时，钢纤维混凝土的立方体抗压强度和抗冲磨强度较普通混凝土均有明显提升。钢纤维混凝土的立方体抗压强度的变化特征，进一步解释了钢纤维含量降低时抗磨强度表现为弱化的原因。因此，在钢纤维制备高性能混凝土时需要控制钢纤维含量不能太低，研究表明，钢纤维的添加量不得低于1%，否则达不到外加钢纤维来提升混凝土力学性能的目的，钢纤维掺加量临界值的提出为高性能混凝土制备提供参考[11- 13]。

3 结论

(1)混凝土质量损失随着冲磨次数的增加，呈现先降低后趋于稳定的状态；在抗冲磨试验中，钢纤维混凝土质量损失随着钢纤维含量增加呈现先增加后降低的趋势，钢纤维含量临界值为0.5%。

(2)钢纤维混凝土中钢纤维含量小于0.5%时，钢纤维在混凝土内部充当软弱夹层的作用，降低了混凝土力学性能；当钢纤维含量大于1%时，混凝土内部钢纤维能有效连接在一起，增加混凝土力学性能。

(3)钢纤维混凝土立方体抗压强度与抗磨强度随钢纤维含量变化趋势一致，可以采用立方体抗压强度评价钢纤维混凝土抗冲磨性能；利用钢纤维制备高性能混凝土时需要控制钢纤维含量不得低于1%。