关于掺粉煤灰\HF抗冲磨剂和聚丙烯纤维混凝土的研究实验

摘要：本文针对掺粉煤灰、HF抗冲磨剂和聚丙烯纤维的水工抗冲磨高性能混凝土各项性能进行试验研究和机理分析，结果表明，此类混凝土相比于基准混凝土，抗拉强度、极限拉伸值以及抗冲磨强度等性能都得到了提高，是水工抗冲磨高性能混凝土的理想搭配。

关键词：HF抗冲磨剂高性能混凝土试验研究

一、冲磨破坏方式及抗冲磨措施

对于水利水电工程，过水建筑物的磨损是不可忽视的重要问题。因为高速含沙水流会对混凝土产生冲刷磨蚀，从而损坏混凝土。一般破坏的主要方式有：

1、推移质、类推移质对水工建筑物的冲击磨损破坏；

2、悬移质泥沙对水工建筑物的磨损破坏；

3、高速水流对水工建筑物的气蚀、冲磨破坏。

为了最大限度降低对过水建筑物的磨损，首要条件就是必须提高和改善混凝土抗冲磨能力。笔者对某水电站工程进行了抗冲耐磨高性能混凝土试验，说明了掺粉煤灰+HF抗冲磨剂+聚丙烯纤维是理想的高价值比混凝土。

二、抗冲磨混凝土的试验研究及机理分析

1、试配混凝土的性能要求

（1）设计要求：根据此水电站的实际情况，混凝土90d的设计强度等级为C45，强度保证率P=90％，强度均方差5．0 MPa，抗冻标号F100，抗渗标号W10，坍落度50mm一70mm，含气量3％一4％，骨料级配为二级配；

（2）试验配合比：根据设计提出的抗冲耐磨混凝土要求，对掺HF抗冲磨剂+聚丙烯纤维混凝土进行试验研究。

W／B β（%） WCFASGPPJ（%） AA（%）

0.3836 126 281.8 49.770112560.90.4 1.8

注：W／B一水胶比，β一砂率，W一水，C一水泥，FA一粉煤灰，S一砂子，G一石子．PP一聚丙烯纤维，J一减水剂，AA一增强抗冲磨组分（其中，W、C、FA、S、G、PP的单位为：材料用量/kg/m³）

2、试验结果分析

（1）混凝土的抗冲耐磨性能

混凝土的抗冲耐磨试验是通过测定混凝土表面受水下高速流动介质磨损的相对抗力，来评价混凝土表面的相对抗冲磨性能。这里混凝土抗冲磨试验采用水下钢球法，所用仪器为钢球冲磨仪，试模为内径300ram±2mm，高100mm±1mm金属圆模。混凝土抗冲磨指标(水下钢球法)以抗冲磨强度或磨损率表示，抗冲磨强度与磨损率按下式计算：

f=TA／AML=(M―Mo)／Mo

式中：f一抗冲磨强度，即单位面积上被磨损单位重量所需的时间，h•(kg／)-1；

L一磨损率，％；AM一经T时段冲磨后，试件损失的累计重量，kg；

T一试件累计的持续时间，h； A一试件受冲磨面积，；

M。、M一试验前、后试件质量，kg。

试验结果：在90d抗冲磨性能实验中，基准混凝土的磨损率3.41%、抗冲磨强度8.1 h•(kg／)-1 而这种混凝土的磨损率为1.45%、抗冲磨强度为19.8 h•(kg／)-1 。所以，这种混凝土的抗冲磨强度相比一般基准混凝土高很多。

（2）抗冲磨混凝土的抗渗性

混凝土的抗渗性，是指混凝土抵抗压力水渗透的能力，抗渗试验按照《水工混凝土试验规程》DL／T5150-2001的规定用逐级加压法进行试验，试验达到预定水压力后稳压8h，以每组6个试件中至少4个未出现表面渗水现象为达到设计要求，最后卸下抗渗试件，劈开测量渗水高度。

试验表明：这种混凝土能够满足W10的抗渗等级。

（3）抗冲磨混凝土的抗冻性

混凝土的抗冻试验，是测定混凝土在水和负温共同反复作用下抵抗冻融破坏的能力，以确定混凝土的抗冻标号混凝土抗冻性试验以动弹性模数、重量损失作为评定指标，按照《水工混凝土试验规程》DL／T5150-2001中的规定，采用快冻法进行试验，当混凝土的相对动弹模量降至60％或重量损失达到5％时，认为混凝土已经冻融破坏，结束试验。

试验表明：这种混凝土能满足F100以上的抗冻等级。

（4）抗冲磨混凝土的力学性能

在90d的抗冲磨强度下，基准混凝土的抗压强度53.5MPa、轴拉强度3.8MPa、抗压弹模44.8GPa；而这种混凝土的抗压强度52.5MPa、轴拉强度4.16MPa、抗压弹模41.0GPa。所以，这种混凝土比一般的基准混凝土的和易性要好、抗裂性高。

（5）抗冲磨混凝土的干缩性能

混凝土的干缩变形是测定混凝土在无外荷载和恒温条件下由于干缩引起的轴向长度变形。混凝土干缩试验采用规格为l00mm×l00mm X515mm的棱状体金属试模，两端埋设不锈金属测头，试模放置在室内温度控制在（20±2）℃、相对湿度60%±5%的恒温干缩室内，采用测量精度为0.01mm的弓形螺旋测微计进行测量，测定基准长度后，试件的干缩龄期以测定基准长度后算起，干缩龄期为1d、3d、7d、17d、28d、60d、90d、180d或指定的干缩龄期，每个龄期测长一次。

实验表明：这种混凝土的干缩值比一般基准混凝土小得多。

（6）抗冲磨混凝土的自生体积变形

自生体积变形主要是测定混凝土自身的体积膨胀（或收缩）变形，是检测混凝土抗裂性的重要指标。混凝土的自生体积变形对大坝混凝土的抗裂性影响较大。

实验表明：一般基准混凝土自生体积变形为微收缩型，而这种混凝土的自生体积变形却呈微膨胀型，有利于提高混凝土的抗裂性。

3、机理分析

(1)由于粉煤灰微集料填充作用和火山灰作用，改善了混凝土的微观结构，使混凝土密实性显著增加，混凝土掺入粉煤灰后，具有火山灰活性的粉煤灰可与Ca(OH)：反应，使胶凝物中的Ca(OH)：减少。同时，粉煤灰还能够改善混凝土拌合物的工作性，这与其球形玻璃体的光滑表面形状有关，因而能够减少混凝土拌合料的用水量，减少泌水和离析现象。

(2)在粉煤灰混凝土中掺入HF外加剂，可显著减少混凝土的用水量，提高混凝土强度；可激发粉煤灰活性，使掺粉煤灰混凝土的水化速度加快，并使水化产物致密坚硬，抗冲耐磨性能提高。掺入硅粉抗磨蚀剂后，由于硅粉的微集料填充作用和火山灰作用，改善了混凝土的微观结构，使混凝土密实性显著增加。此外，硅粉抗磨蚀剂的掺入改善了水泥浆体与聚丙烯纤维与砂、石界面的疏松结构，提高了相互之间的粘结力，使聚丙烯纤维能更好地发挥其优越性，共同提高混凝土抗冲耐磨能力。纤维的掺入又改善了硅粉混凝土早期塑性收缩偏大易产生塑性收缩裂缝的缺点，故聚丙烯纤维和硅粉抗磨蚀剂共掺是抗冲磨混凝土最理想的搭配。

(3)高速含沙水流对泄水建筑物的破坏是冲击、摩擦和切削。当聚丙烯纤维以每方数千万根的数量掺人到混凝土中时，其互相搭接、牵连，在混凝土内形成一个乱向支撑体系，阻碍由于冲击或磨损发生的裂缝的发展，纤维也牵制了混凝土碎块从基体中剥落，使得混凝土碎块从基体上剥离需要消耗更多的能量，从而提高了混凝土的耐磨能力。

由以上实验可知，掺粉煤灰、HF抗冲磨剂和聚丙烯纤维的水工抗冲磨混凝土各种性能都比一般的基准混凝土高，能够满足许多水利工程的要求，是水工理想的抗冲磨高性能混凝土。

三、结束语

随着社会经济的飞速发展，水利水电工程也在不断增多，过水建筑物的磨损直接影响着工程的安全运行，而且维修费用大。只有因地制宜，研发应用高性能的抗冲磨混凝土，才能最大限度地降低工程经济损失，提高水工建筑物的抗冲磨能力。所以，混凝土的研发是水利工程的基础，是工程安全运行的重要前提。