纖維在面板堆石壩面板混凝土中應(yīng)用的試驗(yàn)研究

趙 正，石建軍，施慧聰，劉國(guó)平，李 孜

(1.上海羅洋新材料科技有限公司，上海200092;2.柏葉口水庫(kù)建設(shè)管理局，山西 呂梁032299)

面板堆石壩的混凝土面板層屬于大面積薄壁混凝土結(jié)構(gòu)，在高溫干燥天氣施工時(shí)容易因失水過(guò)快和內(nèi)外部的約束產(chǎn)生塑性收縮裂縫;在混凝土硬化后若養(yǎng)護(hù)不及時(shí)、不到位或者養(yǎng)護(hù)期已過(guò)，混凝土繼續(xù)失水，在凝膠分子表面張力、毛細(xì)管張力等因素作用下以及在內(nèi)外部的約束條件下易產(chǎn)生干燥收縮裂縫;因塑性收縮和干燥收縮引起的裂縫在日溫差、季節(jié)性溫差條件下，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的膨脹或收縮，在長(zhǎng)期溫差應(yīng)力作用下裂縫會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展.對(duì)于混凝土面板結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，裂縫會(huì)降低面板的抗?jié)B性能以及結(jié)構(gòu)的耐久性能.在北方寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)，混凝土面板還面臨著反復(fù)凍融循環(huán)的考驗(yàn)，在凍脹應(yīng)力作用下，混凝土易產(chǎn)生裂縫乃至剝落，影響面板的服役性能，嚴(yán)重的情況下影響結(jié)構(gòu)的安全.

抗裂性、抗?jié)B性和抗凍性對(duì)于面板混凝土來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，改善混凝土的抗裂性、抗?jié)B性和抗凍性可以提高面板結(jié)構(gòu)的服役性能、安全性以及服役壽命.通過(guò)纖維來(lái)提高混凝土的性能早已被工程界所接受，纖維素纖維作為新一代的工程纖維，因其天然的親水性、保水性以及與混凝土良好的相容性，在混凝土領(lǐng)域的使用日漸廣泛［1－5］.筆者針對(duì)纖維素纖維和聚丙烯纖維在大壩面板混凝土中的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料及配合比

試驗(yàn)采用山西柏葉口水庫(kù)大壩面板的原材料和混凝土配合比，水泥為P·O42.5普硅水泥，砂為細(xì)度模數(shù)為2.7的中砂，石子采用5～20 mm，20～40 mm二級(jí)配碎石.試驗(yàn)中采用的纖維物理參數(shù)及力學(xué)性能見表1，采用的3種混凝土配合比見表2.

1.2 試驗(yàn)方法

1)混凝土的工作性能和力學(xué)性能按《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5150—2001)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行測(cè)試.

2)混凝土受約束狀態(tài)下的塑性收縮裂縫按《纖維混凝土塑性裂縫標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法》(ASTM C1579—06)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)?zāi)＞呷鐖D1和圖2所示.

表1 纖維的物理參數(shù)及力學(xué)性能

表2 混凝土配合比kg/m3

3)混凝土砂漿基體硬化早期干燥收縮裂縫按如下方法進(jìn)行測(cè)試:砂漿按水泥∶粉煤灰∶水∶砂=1∶0.25∶0.43∶1.71 的配比攪拌 3 min(水泥、粉煤灰、砂比例見表2，其中水扣除掉石子飽和面的含水率;減水劑、引氣劑和纖維摻量見表1)，3種砂漿編號(hào)分別為JZM，RSM和PPM，澆注在圖3所示硬化早期收縮開裂試驗(yàn)?zāi)＞咧?試件是內(nèi)徑為150 mm、高為150 mm、厚度為20 mm的圓筒體，以外徑為150 mm、高為150 mm、厚度為30 mm的鋼制圓筒體置其內(nèi)部作為約束體.試件成型后經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3 d后取出，在溫度為70℃、濕度為20%的箱體內(nèi)進(jìn)行加速干燥失水收縮開裂實(shí)驗(yàn)，以升溫速10℃/h、恒溫1 h升溫至70℃，然后進(jìn)行恒溫.測(cè)定試件失水速度，肉眼觀察試件是否出現(xiàn)開裂，當(dāng)失水速度降至穩(wěn)定時(shí)結(jié)束試驗(yàn)(約為70℃恒溫24 h).用讀數(shù)顯微鏡確定裂縫寬度，根據(jù)裂縫寬度d分段測(cè)量裂縫長(zhǎng)度Li，根據(jù)表3列出的裂縫寬度權(quán)重值Wi，計(jì)算開裂系數(shù)C，

開裂系數(shù)C反映了砂漿基體硬化早期干燥收縮裂縫的總長(zhǎng)度，單位為mm.

圖3 早期干縮裂縫試驗(yàn)?zāi)＞?/p>

表3 混凝土早期干燥收縮裂縫權(quán)重值

4)混凝土抗?jié)B性能和抗凍性能按《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5150—2001)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行測(cè)試.

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 工作性能和力學(xué)性能

混凝土的工作性能和力學(xué)性能指標(biāo)見表4.

表4 混凝土的工作性能和力學(xué)性能指標(biāo)

表4的試驗(yàn)結(jié)果表明:纖維素纖維混凝土和聚丙烯纖維混凝土的坍落度比基準(zhǔn)混凝土分別降低5 mm和25 mm，聚丙烯對(duì)混凝土坍落度的影響稍大，而纖維素纖維對(duì)混凝土坍落度的影響較小;纖維對(duì)混凝土含氣量的影響較小;纖維混凝土的力學(xué)性能比基準(zhǔn)混凝土略有提高.

2.2 纖維對(duì)混凝土塑性收縮裂縫的影響

纖維對(duì)混凝土塑性收縮裂縫的影響結(jié)果見表5.

表5 纖維對(duì)塑性收縮裂縫的影響

表5中的減裂率為與基準(zhǔn)混凝土裂縫面積相比纖維混凝土裂縫面積減少的百分比.由表5及圖4可知，在混凝土中摻入纖維能夠限制塑性裂縫的擴(kuò)張和延伸，表現(xiàn)在纖維混凝土板裂縫的寬度和長(zhǎng)度都比基準(zhǔn)混凝土低.其中纖維素纖維混凝土板的裂縫寬度降低43.5%，裂縫長(zhǎng)度減少75.6%;而聚丙烯纖維混凝土板的裂縫寬度降低41.3%，裂縫長(zhǎng)度減少18.2%.從裂縫面積來(lái)看，纖維素纖維混凝土板比基準(zhǔn)混凝土板減少86.2%，而聚丙烯混凝土板減少52%.

纖維在塑性狀態(tài)混凝土中的阻裂作用主要取決于單位體積混凝土中纖維的根數(shù)N、纖維的平均中心間距S與纖維的累計(jì)長(zhǎng)度∑L.N值越大、S值越小、∑L值越大，則纖維的阻裂作用也越明顯［6－9］.由表6可知，纖維素纖維的N值和∑L值分別是聚丙烯纖維的17.8倍和2.1倍，而S值是聚丙烯纖維的0.375倍，根據(jù)上述規(guī)律可得出纖維素纖維在塑性狀態(tài)混凝土中的阻裂作用強(qiáng)于聚丙烯纖維，試驗(yàn)結(jié)果也與此相符.

圖4 塑性裂縫情況

表6 纖維在混凝土中的分布參數(shù)

2.3 纖維對(duì)混凝土砂漿基體早期干燥收縮裂縫的影響

纖維對(duì)混凝土基體早期干燥收縮裂縫的影響結(jié)果見表7.

表7 纖維對(duì)早期干燥收縮裂縫的減裂效果

表7中的減裂率為與基準(zhǔn)砂漿開裂系數(shù)相比摻纖維的砂漿開裂系數(shù)減少的百分比.由表7及圖5可知，2種纖維對(duì)早期干燥收縮裂縫均有一定的防裂作用，減裂率分別為66.7%和52.2%，纖維素纖維的防裂作用較好.這是因?yàn)槔w維素纖維的彈性模量和抗拉強(qiáng)度均比聚丙烯纖維高(見表1)，而這兩個(gè)指標(biāo)對(duì)控制早期干燥收縮裂縫十分重要.若要更好地控制早期干燥收縮裂縫，對(duì)纖維的彈性模量和強(qiáng)度指標(biāo)要求較高，但目前看來(lái)，高彈性模量、高強(qiáng)度纖維的成本較高，在混凝土中應(yīng)用較困難，因此開發(fā)出成本合理的高彈性模量、高強(qiáng)度纖維具有重要的實(shí)際工程意義.

2.4 纖維對(duì)混凝土抗?jié)B性能的影響

纖維對(duì)混凝土抗?jié)B性能的影響結(jié)果見表8.表8中的滲水高度指標(biāo)為試驗(yàn)水壓1.1 MPa時(shí)水滲入試件的高度.表8的試驗(yàn)結(jié)果表明:纖維提高了混凝土的抗?jié)B性能，其中纖維素纖維使得混凝土抗?jié)B等級(jí)提高2個(gè)標(biāo)號(hào)，聚丙烯纖維提高1個(gè)抗?jié)B等級(jí)，1.1 MPa水壓時(shí)滲水高度比分別為31.7%和55.8%.在混凝土早齡期抗拉強(qiáng)度較低時(shí)，混凝土內(nèi)部微裂縫容易擴(kuò)展，而纖維通過(guò)橋聯(lián)搭接作用阻礙了混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展和連通，從而減少了混凝土的滲水通道.纖維素纖維除了阻礙微裂縫擴(kuò)展和連通之外，且具有一定的吸水性，有助于促進(jìn)水泥水化，進(jìn)而促使毛細(xì)孔細(xì)化，將部分有害孔轉(zhuǎn)化為無(wú)害孔，提高了混凝土的抗?jié)B性.

圖5 早期干燥收縮裂縫情況

表8 纖維對(duì)混凝土抗?jié)B性能的影響

2.5 纖維對(duì)混凝土抗凍性能的影響

纖維對(duì)混凝土抗凍性能的影響結(jié)果見表9.

表9 凍融循環(huán)后混凝土試件的相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量%

表9中的試驗(yàn)結(jié)果表明:纖維的摻入提高了混凝土的抗凍性能，纖維混凝土均比基準(zhǔn)混凝土提高了50個(gè)抗凍標(biāo)號(hào).混凝土受凍時(shí)產(chǎn)生凍脹應(yīng)力，此應(yīng)力促進(jìn)了混凝土內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，而纖維的摻入提高了混凝土凍融損傷過(guò)程中的能量損耗，抑制了微裂縫的擴(kuò)展，延緩了混凝土損傷的過(guò)程，從而提高了混凝土經(jīng)受凍融循環(huán)的次數(shù)，這對(duì)提高混凝土面板的服役性能具有積極意義.

3 結(jié)語(yǔ)

1)纖維素纖維對(duì)混凝土坍落度的影響較小，聚丙烯纖維對(duì)混凝土坍落度的影響稍大;2種纖維對(duì)混凝土含氣量的影響幾乎可以忽略;與基準(zhǔn)混凝土相比，纖維混凝土的力學(xué)性能略有提高，其中纖維素纖維的增強(qiáng)作用較好.

2)纖維素纖維在混凝土塑性階段具有顯著的減裂效果，減裂率達(dá)到86.2%;聚丙烯纖維的減裂率為52.0%，這是因?yàn)槔w維素纖維混凝土的單位體積混凝土中纖維根數(shù)(N)、纖維平均中心間距(S)與纖維累計(jì)長(zhǎng)度 (∑ L)等參數(shù)均優(yōu)于聚丙烯纖維.

3)纖維素纖維和聚丙烯纖維對(duì)早期干燥收縮裂縫具有抑制作用，減裂率分別為66.7%和52.2%.

4)纖維素纖維和聚丙烯纖維可以提高混凝土的抗?jié)B性，與基準(zhǔn)混凝土相比，纖維素纖維混凝土的抗?jié)B等級(jí)提高了2個(gè)標(biāo)號(hào)，聚丙烯纖維混凝土提高了1個(gè)標(biāo)號(hào).

5)纖維素纖維和聚丙烯纖維提高了混凝土的抗凍性，抗凍標(biāo)號(hào)比基準(zhǔn)混凝土的提高了50.

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