纖維類型對(duì)塑性混凝土基本性能的影響

宋帥奇，高丹盈，楊 林

(1.鄭州大學(xué)新型建材與結(jié)構(gòu)研究中心，河南鄭州450002;2.河南城建學(xué)院 交通工程系，河南平頂山467036)

塑性混凝土是以膨潤土、黏土等摻合材料取代普通混凝土中的部分水泥配制而成的柔性材料，通常被用作防滲墻材料，廣泛應(yīng)用于大壩圍堰工程、大壩除險(xiǎn)加固工程及結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)工程［1］.近年來，塑性混凝土在我國的三峽大壩圍堰、小浪底上游圍堰、丹江口水庫副壩等水利工程中廣泛應(yīng)用.我國對(duì)塑性混凝土的研究始于20世紀(jì)80年代，中國水利水電基礎(chǔ)工程局、長江水利研究院、清華大學(xué)、鄭州大學(xué)等單位對(duì)此開展了塑性混凝土課題的試驗(yàn)研究［2－9］.塑性混凝土具有強(qiáng)度低、彈性模量低、極限變形大、彈性模量與強(qiáng)度的比值小、滲透系數(shù)合適并可控等特點(diǎn)，是較為理想的防滲材料.然而，針對(duì)塑性混凝土的研究大多側(cè)重于工程實(shí)際應(yīng)用，缺乏基礎(chǔ)理論研究［10－11］.纖維作為一種集增強(qiáng)、增韌、阻裂等功能于一體的材料已在普通混凝土中得以廣泛應(yīng)用并取得良好效果，并演化出纖維混凝土這一分支學(xué)科領(lǐng)域.能否將纖維應(yīng)用到塑性混凝土中以進(jìn)一步改善其性能成為了筆者關(guān)注的焦點(diǎn).筆者較為詳細(xì)地研究了纖維類型對(duì)塑性混凝土性能的影響，以期對(duì)纖維混凝土和塑性混凝土的應(yīng)用起到推動(dòng)作用.

1 試驗(yàn)概況

水泥采用42.5普通硅酸鹽水泥，由河南省衛(wèi)輝市天瑞水泥有限公司生產(chǎn);黏土采用三門峽靈寶窄口水庫庫區(qū)粉質(zhì)黏土(磨細(xì)至200目粉狀);膨潤土采用信陽平橋生產(chǎn)的Ca－基一級(jí)膨潤土;粗骨料采用粒徑為5～20 mm的碎石;細(xì)骨料采用河砂，細(xì)度模數(shù)2.6，級(jí)配曲線位于Ⅱ區(qū)，屬中砂;纖維采用聚丙烯纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維和木質(zhì)素纖維4種類型.參照課題組前期的試驗(yàn)結(jié)果［2－3，8－9］，以及為確定用水量而提前進(jìn)行的紙杯試驗(yàn)結(jié)果［3，10］，確定了表1所示的5個(gè)塑性混凝土配合比.其中，BM組為基準(zhǔn)組，不摻纖維;F1—F4組為對(duì)比組，分別對(duì)應(yīng)聚丙烯纖維、聚酯纖維、木質(zhì)素纖維和玄武巖纖維，纖維摻量均為0.6 kg/m3;齡期28 d.

塑性混凝土采用機(jī)械拌和，人工或振動(dòng)臺(tái)振搗，試模成型，靜置48 h后拆模，并移至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至目標(biāo)齡期.工作性能及基本力學(xué)性能均參照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5150—2001)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn).立方體抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度均采用邊長為100 mm和150 mm的兩種立方體試塊，抗折強(qiáng)度試塊尺寸為100 mm×100 mm×400 mm.

表1 配合比

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維類型對(duì)拌合物工作性能的影響

2.1.1 拌合物工作性能測(cè)試結(jié)果

參考《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5150—2001)采用坍落度、擴(kuò)展度、黏聚性和保水性來評(píng)定塑性混凝土拌和物的工作性能.試驗(yàn)結(jié)果見表2.

表2 拌合物工作性能測(cè)試結(jié)果

2.1.2 結(jié)果分析

塑性混凝土拌合物坍落度、擴(kuò)展度及泌水率與纖維類型之間的關(guān)系如圖1—2所示.

相對(duì)不摻纖維組而言，摻纖維組的坍落度、擴(kuò)展度及泌水率呈整體下降趨勢(shì)，纖維對(duì)拌合物工作性能的影響顯著，且不同類型的纖維素影響程度不同.坍落度和擴(kuò)展度方面，聚丙烯纖維組降幅最大，分別下降75%和14.8%，木質(zhì)素纖維組降幅最小，分別降2.9%和－3.3%;泌水率方面，聚酯纖維組降幅最大，玄武巖纖維組的降幅最小.可見纖維摻入可以改善拌合物的保水性、流動(dòng)性和黏聚性.

2.1.3 機(jī)理探討

摻加纖維后，塑性混凝土拌合物的坍落度、擴(kuò)展度和泌水率降低的原因是:纖維在拌合物中亂向分布，呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增大了拌合物內(nèi)部摩阻力和剪切阻力，降低了拌合物的流動(dòng)性;纖維表面和內(nèi)部還可吸附一定量的水分，使得拌合物漿體中的自由水分減少.纖維對(duì)塑性混凝土拌合物坍落度、擴(kuò)展度和泌水率影響的差異主要由纖維的長度和吸水性決定.在一定范圍內(nèi)，纖維的長度越大，拉結(jié)、黏結(jié)作用越明顯，拌合物的稠度和黏聚性會(huì)明顯增加.本次試驗(yàn)中聚丙烯纖維的長度(19 mm)遠(yuǎn)大于其他3種纖維，故其坍落度和擴(kuò)展度降幅最大，木質(zhì)素纖維長度最小(小于6 mm)，故其坍落度和擴(kuò)展度降幅最小;聚酯纖維的長度比玄武巖纖維稍小，但前者吸水性較大，聚酯纖維組坍落度和擴(kuò)展度降幅大于玄武巖纖維組.纖維對(duì)塑性混凝土拌合物泌水率的改善主要源自纖維吸收了部分水分，增大了拌合物的黏聚性與保水性，阻礙了骨料下沉與漿體上浮.

2.2 纖維類型對(duì)塑性混凝土基本力學(xué)性能的影響

2.2.1 測(cè)試結(jié)果

參照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5150—2010)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，但由于塑性混凝土強(qiáng)度較低，加載速度稍慢.抗壓加載速率為0.10 MPa/s;劈拉加載速率定為0.02 MPa/s;抗折加載速率為10 N/s的連續(xù)、均勻加荷.通過試驗(yàn)可得力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見表3，力學(xué)性能與纖維類型關(guān)系如圖3所示.

表3 基本力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

2.2.2 結(jié)果分析

相對(duì)不摻纖維組，摻纖維組的塑性混凝土抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均有不同程度的下降，木質(zhì)素纖維組降低幅度最大，其他3種纖維降幅相近.抗壓強(qiáng)度方面，聚酯纖維組的降幅最小(100 mm和150 mm立方體抗壓強(qiáng)度分別下降6.6%和12.2%)，木質(zhì)素纖維組降幅最大(100 mm和150 mm立方體抗壓強(qiáng)度分別下降31.1%和30.6%);劈拉強(qiáng)度降低規(guī)律與抗壓強(qiáng)度相同;抗折強(qiáng)度均有大幅減小，平均降幅37.2%，木質(zhì)素纖維組降幅最大，達(dá)50.0%.

圖3 基本力學(xué)性能與纖維類型之間的關(guān)系

2.2.3 機(jī)理探討

纖維對(duì)塑性混凝土強(qiáng)度影響體現(xiàn)在:①纖維與混凝土基體的黏結(jié);②纖維的填充作用;③纖維的吸水作用.纖維與混凝土基體的黏結(jié)主要受纖維自身強(qiáng)度及纖維與混凝土基體的黏結(jié)強(qiáng)度影響，但由于塑性混凝土基體自身強(qiáng)度較低且破壞時(shí)變形較大，纖維大都被拔出，由黏結(jié)導(dǎo)致的增強(qiáng)效果有限.纖維的填充效應(yīng)增加了拌合物的多相組成，加上黏結(jié)不足，雜質(zhì)效應(yīng)明顯，導(dǎo)致塑性混凝土強(qiáng)度減小.纖維的吸水作用可減少拌合物中實(shí)際水膠比，進(jìn)而引起強(qiáng)度增大.摻纖維組強(qiáng)度均有所下降，說明在塑性混凝土中纖維的填充起了主導(dǎo)作用;相同纖維摻量下，木質(zhì)素纖維的吸水作用大于其他3種纖維，但木質(zhì)素纖維是一種絮狀短纖維，其在塑性混凝土中拉結(jié)、黏結(jié)能力較差，主要起填充作用，所以摻木質(zhì)素纖維組強(qiáng)度最小;聚酯纖維與聚丙烯纖維和玄武巖纖維相比，其長度較小，吸水性較好，對(duì)實(shí)際水膠比影響較大，致使聚酯纖維組強(qiáng)度大于后兩者.

2.3 纖維對(duì)塑性混凝土變形性能的影響

圖4和圖5分別為不摻纖維的塑性混凝土和摻纖維塑性混凝土立方體受壓試件破壞形態(tài).從圖4與圖5可以看出，不摻纖維的塑性混凝土破壞時(shí)，兩端剝落程度輕，中部剝落嚴(yán)重，粗骨料裸露、完好，界面黏結(jié)較差，試件呈倒上下對(duì)接四角錐形狀，破壞后試件整體性較差;摻加纖維的塑性混凝土破壞時(shí)，試件表面分布較多裂縫，局部剝落，破壞時(shí)纖維大多被拔出，破壞后試件形成較大雙曲線型裂縫，但整體性較好.通過單軸、雙軸、三軸壓縮試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象，即試驗(yàn)應(yīng)力－應(yīng)變曲線較不加纖維組趨于飽滿，曲線下包圍面積增大，變形能力增強(qiáng).在三軸試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)摻加纖維組的黏聚力減小，內(nèi)摩擦角增大.

可見，纖維的加入能提高塑性混凝土的塑性變形能力，因?yàn)樵谑軌哼^程中纖維能延緩塑性混凝土裂縫開展速度，在拔出和拉斷過程中消耗大量能量，試件破壞前有明顯預(yù)兆，塑性混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了更多的細(xì)微裂縫，變形較不摻纖維的塑性混凝土大.

2.4 纖維對(duì)塑性混凝土抗?jié)B性能的影響

圖6為纖維類型對(duì)抗?jié)B性能的影響.從圖中看出，摻纖維組的相對(duì)滲透系數(shù)均有不同程度的降低.F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4組與 BM 相比，相對(duì)滲透系數(shù)分別降低 19.7%，10.8%，8.9%，36.3%.不同類型纖維對(duì)相對(duì)滲透系數(shù)的降低作用由小到大依次為:木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、聚丙烯纖維和玄武巖纖維.

圖6 纖維類型對(duì)抗?jié)B性能的影響

雖然纖維對(duì)塑性混凝土強(qiáng)度有降低作用，但對(duì)其抗?jié)B性能卻有改善作用.原因可能是纖維摻入塑性混凝土后呈亂向分布，阻礙了骨料下沉與漿體上浮，減少了干縮、骨料下沉造成的原始裂縫，降低裂縫貫通的概率，阻斷或改變內(nèi)部的毛細(xì)孔通道，增加了塑性混凝土的整體均勻性;此外，纖維的網(wǎng)狀拉結(jié)作用能阻止黏土顆粒在滲水壓力下的遷移，從而提高塑性混凝土的抗?jié)B能力.

3 結(jié)語

1)摻入纖維后，拌合物的坍落度、擴(kuò)展度、泌水率均有不同程度降低，纖維長度和吸水率對(duì)其影響較大.

2)摻入纖維后，抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均有不同程度降低，聚酯纖維降幅最小，聚丙烯、玄武巖纖維次之，木質(zhì)素纖維降幅最為明顯，原因在于纖維的填充作用大于黏結(jié)作用和吸水作用.

3)摻入纖維后，塑性混凝土變形性能明顯改善，以聚丙烯纖維改善最為明顯.

4)纖維能在一定程度上阻止塑性混凝土內(nèi)部原始裂縫并提高材料分布均勻性.摻入纖維后，塑性混凝土相對(duì)滲透系數(shù)均有所降低，按降幅由小到大依次為:木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、聚丙烯纖維和玄武巖纖維.

［1］李青云，張建紅，包承剛.風(fēng)化花崗巖開挖棄料配制三峽二期圍堰防滲墻材料［J］.水利學(xué)報(bào)，2004，35(11):114－118.

［2］宋帥奇.塑性混凝土單向受壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的試驗(yàn)研究［D］.鄭州:鄭州大學(xué)，2008.

［3］嚴(yán)克兵.塑性混凝土基本性能的試驗(yàn)研究［D］.鄭州:鄭州大學(xué)，2008.

［4］張鵬.塑性混凝土材料性能研究及其應(yīng)用［D］.鄭州:鄭州大學(xué)，2005.

［5］李清富，張鵬.塑性混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)研究［J］.混凝土，2006(5):75－79.

［6］李文林.塑性混凝土防滲墻技術(shù)綜述［J］.水利水電工程設(shè)計(jì)，1995，14(3):54 －59.

［7］程瑤，張美霞.塑性混凝土配合比試驗(yàn)研究及應(yīng)用［J］.長江科學(xué)院院報(bào)，2002，19(5):62 －64.

［8］王四巍.單軸和三軸應(yīng)力下塑性混凝土性能研究［D］.鄭州:鄭州大學(xué)，2010.

［9］胡良明.塑性混凝土受壓本構(gòu)關(guān)系模型與破壞準(zhǔn)則［D］.鄭州:鄭州大學(xué)，2012.

［10］宋帥奇，高丹盈，胡良明，等.塑性混凝土強(qiáng)度和尺寸效應(yīng)的試驗(yàn)研究［J］.水利水電科技進(jìn)展，2010，33(3):32－36.

［11］宋帥奇，高丹盈，嚴(yán)克兵，等.膠凝材料對(duì)塑性混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的影響［J］.混凝土，2010(6):86－88.