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硅灰和PVA纤维对混凝土耐磨性和体积稳定性的影响
L. Wang a, S.H. Zhou a, Y. Shi a, S.W. Tang b, *, E. Chen c, **
摘要：本实验研究了硅灰、PVA纤维以及它们共同对水泥浆体和粉煤灰混凝土的力学性能、微观结构、耐磨性能和体积稳定性的影响。研究结果表明，含硅灰和PVA纤维的混凝土的抗压强度与抗拉强度与对照组相比有明显的提高。PVA纤维的加入显著地降低了混凝土的干燥收缩，并且能改善水泥浆体和混凝土的抗裂性能以及混凝土的耐磨性能，其改善程度随硅灰和PVA纤维用量的增加而增加。这些发现已经成功地应用于中国西南地区水工建筑物的设计与施工。
关键词：混凝土；硅灰；PVA纤维；耐磨性。
1．引言
在中国“十二五”期间能源发展计划的推动下，近几年来，在中国西南部，特别是长江中下游地区以及雅砻江和大渡河两个长江支流地区，新建了容量近2亿千瓦的水力发电站[1,2]。这些水电站的共同特点是有着200-300米高的水头和巨大的排放量，于是在排水期间，无法避免地会对混凝土材料造成严重的侵蚀和磨损。一些水电站在运营中每年需要大量的开销来维修磨损的混凝土。大型水利工程的使用寿命和这些水电站的可靠性明显受混凝土的耐磨性影响，因此，如何提高混凝土的耐磨性和耐久性已经成为中国水力发电行业的重点问题。
一般来说，有以下几个方法来改进的混凝土的耐磨性，如表面的优化处理，提高粗集料性能，在混凝土中添加补充胶凝材料（SCMs）和纤维[3-9]。一方面，硅灰（SF）被广泛用于提高混凝土的抗压强度、耐磨性和耐久性[10-16]。因为与粉煤灰相比，硅灰有着更大的表面积和更高的SiO₂含量，已被证明具有很强的反应活性[17-21]。尽管如此，SF的加入可能会大大增加混凝土的干燥收缩，如果含硅灰的混凝土养护条件不合适，则会容易开裂。另一方面，钢纤维、聚丙烯纤维和纤维素纤维的加入可抑制混凝土中微裂纹的生长，并可改善混凝土的抗折强度，所以纤维能够减少水泥基材料的塑性收缩和收缩裂缝[22-23]。
以前的一些研究表明混凝土的耐磨性主要取决于混凝土的抗压强度[9,17]。然而，高强混凝土有时不具有很大的耐磨性[9]。高强混凝土的主要特点是有较高的水灰比和水泥用量，这通常导致相当大的干燥收缩和高温升高，特别是在中国西部风大而干燥的气候条件下。一旦高强混凝土在施工的过程中没有被较好地成型和养护，便容易产生干缩和温升引起的裂缝，将危害混凝土的结构完整性。因此，在建造混凝土坝时，常采用抗裂性能好、水泥含量低、温升小的混凝土[5,17]。粉煤灰可以减少高强混凝土早期自发的收缩和温升，这是被广泛接受的，所以粉煤灰在我国水工混凝土中得到了广泛的应用[17,24]。
本实验通过劈裂抗拉和抗压强度测试，傅里叶变换变换红外光谱，29Si魔角旋转核磁共振，干燥收缩和耐磨蚀侵蚀试验，研究了含有SF和/或PVA纤维的水泥浆体、粉煤灰混凝土的力学性能、微观结构、抗磨性能和体积稳定性。此外，还研究了耐磨强度和抗压强度的关系。
2.材料与分析方法
2.1．原材料
本实验使用波特兰水泥P.O42.5，其28d抗压强度为45.5 MPa。试验中所用的水泥（来自中国华新水泥厂）、F级粉煤灰（来自贾化电站）和SF（来自中国贵州海天铁合金磨料公司）的化学成分和物理性能都在表1中给出。
表1 水泥、粉煤灰和硅灰的性能
|
氧化物（%） |
水泥 |
粉煤灰 |
硅灰 |
|
CaO SiO2 |
60.12 20.15 |
2.94 54.54 |
1.4 94.4 |
|
Fe2O3 |
4.24 |
10.18 |
1.2 |
|
Al2O3 |
4.7 |
24.78 |
0.8 |
|
MgO |
3.5 |
2.94 |
0.6 |
|
SO3 |
2.34 |
0.37 |
－ |
|
R2O |
0.49 |
1.04 |
0.5 |
|
Loss on ignition (%) |
1.28 |
2.18 |
0.75 |
|
Specific gravity |
3.17 |
2.32 |
－ |
|
Specific surface (m2/kg) |
324 |
386 |
19400 |
|
Fineness (% retain in 45 mu;m) |
－ |
6.8 |
－ |
注：R2O=Na2O 0.658K2O
表2 PVA纤维性能
|
Elongation (%) |
Diameter (mm) |
Length (mm) |
Breaking strength (GPa) |
Elasticity modulus (GPa) |
|
7.2plusmn;2 |
80－90 |
12plusmn;1 |
1.66 |
38.5 |
从能力纤维公司（中国江苏）获得的PVA纤维性能如表2所示。聚羧酸高效减水剂，被用于实现SF在材料中的分散和提高材料的工作性能。细集料用的是粉碎的花岗岩，细度模数为2.8；使用的粗集料也是粉碎的花岗岩，粒径为5-40 mm[25]。
本实验的配合比设计基于混凝土的工作性能。一般来说，粉煤灰混凝土的耗水量为115-118 kg/msup3;，添加SF或PVA纤维会增加混凝土用水量大约5 kg/msup3;，因为SF的集聚作用增加了混凝土的耗水量[26]，并且在混凝土搅拌的过程中纤维也会在一定程度上吸收一定量的水[27]。因此，掺了SF和/或PVA纤维的粉煤灰混凝土要达到相同的工作性（3-5 cm的坍落度）要通过改变减水剂的用量来获得所期待的工作性。如表3所示，混凝土拌合物由四种不同的水胶比制备，分别为0.45、0.40、0.35和0.30，内掺粉煤灰20%。这里，“FC”表示作为对照组的粉煤灰混凝土，“SFC”表示含质量分数为5%的SF的混凝土，“PFC”表示PVA掺量为1.2 kg/msup3;的混凝土，“PSFC”表示含有质量分数为5%的SF且PVA纤维掺量为1.2 kg/msup3;的混凝土。
表3 各组试件配合比（kg/m3）
|
试件 |
水灰比 |
水 |
水泥 |
粉煤灰 |
硅灰 |
砂 |
粗集料 |
PVA纤维 |
减水剂 |
|
FC1 |
0.45 |
118 |
210 |
52 |
0 |
738 |
1327 |
0 |
1.6 |
|
FC2 |
0.4 |
117 |
234 |
59 |
0 |
709 |
1331 |
0 |
1.8 |
|
FC3 |
0.35 |
116 |
265 |
66 |
0 |
698 |
1310 |
0 |
2 |
|
FC4 |
0.3 |
115 |
307 |
77 |
0 |
682 |
1280 |
0 |
2.3 |
|
SFC1 |
0.45 |
123 |
205 |
55 |
14 |
728 |
1308 |
0 |
2.2 |
|
SFC2 |
0.4 |
122 |
229 |
61 |
15 |
718 |
1291 |
0 |
2.4 |
|
SFC3 |
0.35 |
121 |
259 |
69 |
17 |
686 |
1287 |
0 |
2.8 |
|
SFC4 |
0.3 |
120 |
300 |
80 |
20 |
650 |
1275 |
0 |
3.2 |
|
PFC1 |
0.45 |
122 |
203 |
54 |
14 |
736 |
1322 |
1.2 |
2.2 |
|
PFC2 |
0.4 |
121 |
227 |
61 |
15 |
707 |
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