韩志广  陈超云  徐　伟(科研所)[摘　要] 抗冲耐磨混凝土早期强度较低，容易产生裂缝，在混凝土中加入聚丙烯纤维来提高其抗裂、抗磨能力，提高混凝土的整体特性，延长水工建筑物的使用寿命。[关键词] 聚丙烯纤维混凝土；抗冲耐磨；试验；西霞院工程。1 概述    西霞院工程位于河南省洛阳市境内黄河干流上。上游距小浪底水利枢纽16km，下游距花园口112km，是小浪底水利枢纽的反调节配套工程。总库容1.62亿m3，以反调节为主，兼顾发电、灌溉、供水等。其泄水排砂建筑物的混凝土过流表面长期在黄河高含砂水流冲刷、磨蚀之下，为提高其抗裂、抗冲磨能力，保证工程安全运行，拟采用C30？W6？F100纤维混凝土。2 原材料及试验2.1 聚丙烯纤维的主要性能指标    根据目前国内生产和使用的情况，初步选择山东泰安同伴工程塑料有限公司生产的聚丙烯纤维网、聚丙烯长单丝和河南省建科院生产的聚丙烯长单丝纤维三种聚丙纤维，生产厂家提供的主要性能指标见表1。表1   聚丙烯纤维的主要性能指标密度(g/cm3)长度(mm)产品形状耐酸碱性抗拉强度(MPa)0.9120束状网强≥560弹性模量(MPa)当量直径(μm)断裂延伸率(%)吸水性溶点(℃)＞3500＜10010不吸水160～1802.2 混凝土配合比    按照《水土混凝土试验规程》(DL/T5150-2001和SD105—82)附录一《混凝土配合比设计方法》并参考小浪底混凝土试验的资料，进行计算和试拌。在拌和物和易性良好，坍落度满足50～70mm的基础上，成型抗压试块，进行7d、10d、28d抗压强度试验，并作灰水比～抗压强度曲线。从曲线上反推出略高于保证强度1～2MPa的水灰比。最终确定C30？W6？F100三级配混凝土的配合水灰比为0.49，砂率为26.2%，塌落度为50～70mm。2.3 原材料选择和试验    混凝土原材料选择如下：    (1)水泥采用工程指定的河南渑池42.5级普通硅酸盐水泥。    (2)粉煤灰用工程指定的洛阳热电厂Ⅰ级干排粉煤灰。    (3)混凝土外加剂经筛选后，采用河南省建材研究院JKR-2型高效缓凝减水剂和JKH-3型低引气型高效减水剂。    (4)混凝土骨料采用西霞院堡子滩料场人工骨料。    (5)拌合用水采用郑州自来水。2.4 聚丙烯纤维掺量选择    按照选定空白混凝土的配合比，分别掺入初选的三种纤维，每种纤维按三个掺量水平进行试验，通过不同品种和掺量的纤维进行对比试验，试验成果见表5、表6。由表5、表6可以看出同等掺量的情况下，山东聚丙烯纤维网在抗压强度、劈拉强度、弹性模量等指标均高于山东丝、郑州丝，因此最后确定山东聚丙烯纤维网掺量0.90kg/m3和1.50kg/m3为最佳掺量。3 聚丙烯纤维对混凝土拌和物性能的影响3.1 纤维对坍落度和坍落度损失的影响    混凝土中掺入聚丙烯纤维后，在其它材料用量不变的情况下，拌和物坍落度明显减小，从表2可以看出，纤维的掺量越大，塌落度减小的越多；不同的纤维品种对塌落度的影响也不同。    由表3看出，加入纤维后，拌合物的塌落度损失比不掺的要快，但与纤维掺量关系不大。表2       不同品种和掺量的纤维对坍落度的影响级配混凝土种类纤维掺量(kg/m3)00.901.502.50坍落度(mm)三级配空白60———加山东网—3520—加山东丝—25——加郑州丝—20——表3   不同掺量的纤维对坍落度损失的影响级配混凝土种类时间(h:mm)0:000:200:401:001:201:402:00三空白65564840302310级0.90kg/m36545352510--配1.50kg/m3644533208--3.2 纤维对混凝土容重、含气量、泌水率、凝结时间的影响    从表4可以看出，掺纤维后混凝土的容重比不掺的混凝土稍有增加，增加量在10kg/m3左右；掺入纤维后对混凝土的含气量、泌水率和凝结时间，均无明显影响。表4            混凝土拌和物性能试验成果表序号纤维拌和物性能品种掺量kg/m3坍落度容重kg/m3含气量(%)泌水率(%)凝结时间(h:min)初凝终凝1—06024303.110.116∶1920∶512山东网0.906124403.210.515∶4221∶2031.505824403.010.815∶4521∶244山东丝1.50572440— ———5郑州丝1.50612440————4 聚丙烯纤维混凝土的特性4.1 抗压强度    从表5可以看出，不同的纤维品种和掺量对混凝土抗压强度的影响：    掺入山东网0.90kg/m3、1.50kg/m3后，抗压强度略增1%～3%；    掺入郑州丝、山东丝1.50 kg/m3和山东网2.50 kg/m3时，抗压强度略减2%～4%；    掺入郑州丝2.50kg/m3、山东丝2.50 kg/m3时，抗压强度减幅较大，减少10%左右。4.2 抗拉强度(劈拉、轴拉)    掺入纤维后，混凝土的抗拉强度，无论是劈拉，还是轴拉、包括极限拉伸值在内，比空白混凝土均有所增加。纤维掺量越大，强度增加也越大。当纤维掺量相同时，不同的纤维品种对强度增长的影响不明显，也就是说无论哪种纤维，都能使混凝土的抗拉强度增长。从表5可以看出，当纤维掺量为0.90 kg/m3时，劈拉强度和轴拉强度分别增加12%左右和5%左右；当纤维掺量为1.50 kg/m3，分别增加15%左右和10%左右；当掺量为2.50 kg/m3时，均增加20%左右。4.3 抗折强度    表5表明，掺入纤维后，混凝土的抗折强度和空白混凝土相比均有所增加，抗折强度的增加，随掺量的增大而增大。增长率随龄期的增长而减小，和纤维品种的关系不明显。    掺量为0.9kg/m3时抗折强度增加1%～5%；掺量为1.5kg/m3时抗折强度增加3%～8%；掺量为2.5kg/m3时抗折强度增加5%～10%。    抗折强度的增加，有助于提高混凝土的抗裂性能。表5    劈拉抗折轴拉试验成果表纤 维劈拉强度(MPa) 抗压强度(MPa) 抗折强度(10-4) 极限拉伸值(MPa)轴拉强度(MPa)品种掺量kg/m3 5d10d28d 5d10d28d 5d10d28d 5d10d28d 5d10d28d—01.391.591.8822.526.736.12.142.873.980.780.820.891.622.002.26山东网0.901.502.501.601.621.601.751.821.952.142.192.2523.022.521.027.527.727.137.236.735.22.252.312.352.963.003.104.024.114.200.790.870.910.951.001.151.031.151.301.701.791.972.092.212.422.332.502.78山东丝0.901.502.501.601.621.601.731.841.912.022.122.2021.821.620.325.325.023.635.934.632.82.332.332.382.983.003.074.054.114.180.790.870.970.970.961.091.061.091.191.671.771.942.042.222.312.302.412.72郑州丝0.901.502.501.621.591.601.841.851.902.122.122.1722.021.021.225.324.723.634.834.633.52.272.332.392.953.003.044.044.134.200.800.860.940.931.011.101.001.111.221.641.751.952.002.152.292.002.472.734.4 弹性模量    由表6可以看出，掺入纤维后，无论是那一品种和那种掺量的混凝土和空白混凝土相比，弹性模模均有所降低，前期(5d、10d)的降幅在2%～12%之间，后期(28d)和空白混凝土基本相同。纤维掺量越大，弹模下降幅度也越大。弹模降低，特别是前期弹模降低，说明混凝土的柔性增大，这在混凝土硬化的前期，对防止开裂是有利的。表6  纤维混凝土试验成果表4.5 抗渗性    掺入纤维后，对混凝土抗渗性无明显影响，试验成果见表6。4.6 抗冲磨性能    抗冲磨试验混凝土采用圆环法进行，电机转速1430 r/min，叶轮圆周转速14.3m/s，磨损剂为150g，标准砂加1000mL水。从表6可以看出，掺入纤维后，抗冲磨强度有明显提高，除个别情况外，增幅在8%～25%之间，纤维掺量越大，增幅也越大。从品种上看郑州丝、山东网较好，山东丝次之。4.7 抗冻性    由表6可以看出，掺入纤维后，对混凝土抗冻性无明显影响，抗冻标号均能达到F100。4.8 干缩    从表6可以看出，纤维混凝土干缩率随龄期的增加而增加；掺入纤维后混凝土干缩率均大于空白混凝土；同一品种纤维掺量越大，干缩率越大；不同品种纤维，当掺量均为1.50 kg/m3时，山东丝的干缩率最大；干缩率的大小和混凝土的用水量有着一定的关系，在相同水灰比和坍落度情况下，用水量越大干缩率相应也大。4.9 日照下的耐久性    从表7可以看出，在标准养护条件下，掺纤维混凝土的抗压、抗折强度比空白混凝土低5%左右；在80℃热水中养护条件下，也同样低5%左右。两种养护条件强度值不一样，但下降的比例是一样的，这就说明掺入纤维后，不影响混凝土的耐久性。4.10 投料拌和顺序对纤维混凝土性能的影响    将山东网按照0.09kg/m3和1.50kg/m3的掺量进行28d龄期投料顺序对比试验，其中大石→中石→小石→砂→纤维→水泥+粉煤灰+外加剂→干拌2min→水→湿拌3 min为基本顺序；水→纤维→砂→小石→中石→大石→湿拌2 min→水泥+粉煤灰+外加剂→又湿拌3 min为对比顺序。试验成果见表8。比较二种顺序的12项指标，显见对比顺序比基本顺序要好。需要说明的是此结果是在试验室用60升自落式搅拌机拌和的。施工时采用大型机械拌和，究竟那一种顺序好，还需作进一步论证。5 结束语    普通抗冲耐磨混凝土早期强度较低，容易产生裂缝。为提高其抗裂、抗磨能力，保证混凝土的质量，需在抗冲耐磨混凝土中加入聚丙烯纤维。试验证明掺入聚丙烯纤维后，可以提高混凝土的抗裂和抗冲耐磨能力，对混凝土早期的抗压、抗拉、抗折性能均有所提高。通过对三种聚丙烯纤维的对比试验，山东聚丙烯纤维网的各项性能指标要好于另外两种纤维。