纖維改性混凝土在水利工程中的應(yīng)用研究

鄭學(xué)云

（博樂(lè)市水利管理站小營(yíng)盤(pán)水管所，新疆 博樂(lè) 833400）

0 引言

中國(guó)地域遼闊，河流眾多，自然可以利用的水資源也很多，據(jù)相關(guān)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)水資源可利用量居世界首位，水資源相對(duì)于其他能源來(lái)說(shuō)，不僅可再生，而且清潔和高效，因此越來(lái)越多的國(guó)家去開(kāi)發(fā)和利用水資源[1]。而在中國(guó)，主要的河流都集中在西部地區(qū)，而且西部也是許多河流的發(fā)源地，西部地區(qū)相比于其他地區(qū)，主要有海拔變化快、溫差變化快以及地勢(shì)復(fù)雜等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)對(duì)水資源的開(kāi)發(fā)和利用提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

混凝土很多優(yōu)良的特點(diǎn)，使得其作為水利工程中不可或缺的一種建筑材料[2]，在我國(guó)這種資源大國(guó)中，其使用量也是不斷的增加，其建筑材料的霸主地位短時(shí)間內(nèi)還是無(wú)法被撼動(dòng)[3]。但是混凝土也是有一定缺點(diǎn)的，那就是在特殊的環(huán)境下，如低溫、高鹽和高沖刷等情況下，其耐久性得不到保障，后期的維修和拆除重建會(huì)造成大量的資源浪費(fèi)。

混凝土的耐久性研究相對(duì)較晚，而耐久性是集抵抗碳化、滲透、腐蝕和沖刷等的一個(gè)綜合指標(biāo)，研究材料的耐久性和提高材料的耐久性對(duì)于保障工程的安全性是一個(gè)必不可少的階段[4～5]。水化熱是由于局部升溫導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂是影響混凝土耐久性的一種重要原因[6～11]。本文以高海拔和低溫的水利工程為研究對(duì)象，研究面板混凝土中摻入纖維后耐久性的變化[12]，以期為類似工程提供借鑒意義。

1 原材料及試驗(yàn)試樣

本次試驗(yàn)除了應(yīng)用常規(guī)混凝土所需的一些基本材料，如水泥和骨料等，主要的區(qū)別在于加入了纖維素纖維，本次試驗(yàn)選用的纖維是專門(mén)為改良混凝土而生產(chǎn)的，這種纖維混合進(jìn)混凝土以后不會(huì)成團(tuán)，而且隨著攪拌時(shí)間越長(zhǎng)，其均勻分布效果越好。它的主要優(yōu)點(diǎn)在于其彈性模量高、比表面積相對(duì)較寬，親水性能好和成本低等，傳統(tǒng)的纖維加入混凝土中不是成團(tuán)就是不能與混凝土很好的結(jié)合，這樣的情況在纖維素纖維中幾乎不存在，因此這種材料得到越來(lái)越廣泛的用途。其表觀形態(tài)見(jiàn)圖1。

圖1 纖維素纖維表觀圖

本次試驗(yàn)試樣制作的過(guò)程參照混凝土制作標(biāo)準(zhǔn)完成，只需在中途加入纖維即可，為了研究不同纖維參量對(duì)混凝土性能的影響，制作了幾組不同參量的試樣，分別編號(hào)為A0、A1、A2、A3和A4，具體的各組分參量見(jiàn)表1。

表1 纖維混凝土配比表

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度

混凝土的抗壓強(qiáng)度是其主要指標(biāo)，因此測(cè)量其抗壓強(qiáng)度是必不可少的，雖然混凝土的抗拉強(qiáng)度很低，但是也是一個(gè)必不可少的測(cè)量指標(biāo)，為了研究不同纖維參量對(duì)于混凝土抗拉和抗壓強(qiáng)度的影響，對(duì)不同纖維參量混凝土進(jìn)行試驗(yàn)得到其抗拉和抗壓強(qiáng)度，見(jiàn)圖2。從圖中可以看出，沒(méi)有加入纖維的混凝土的抗壓強(qiáng)度為36.4 MPa，劈裂抗拉強(qiáng)度為2.92 MPa，但是加入纖維過(guò)后，抗壓強(qiáng)度增幅很小，抗拉強(qiáng)度在纖維摻量為1.2 kg/m3時(shí)，增加了0.58 MPa，增加了19.9%?？偟膩?lái)說(shuō)，纖維的加入對(duì)于混凝土抗壓強(qiáng)度增幅較少，對(duì)于其抗拉強(qiáng)度較為明顯，最優(yōu)的參量為1.2 kg/m3。

圖2 不同纖維摻量混凝土的抗壓和抗拉強(qiáng)度

2.2 抗?jié)B性能

抗?jié)B性能是衡量混凝土耐久性的一個(gè)重要指標(biāo)，尤其當(dāng)混凝土應(yīng)用于水環(huán)境比較豐富的工程中，如水利工程和海洋工程等。因?yàn)樵谶@種環(huán)境下，抗?jié)B性與抗凍及抗碳化等性能也存在一些內(nèi)在聯(lián)系，因此對(duì)于水利工程中面板抗?jié)B混凝土的抗?jié)B性能研究是必不可少的。因?yàn)闈B透后對(duì)于大壩的影響是很大的，如整體抗滑穩(wěn)定性[13]、大壩的耐久性和凍脹凍融破壞等。

而混凝土抗?jié)B性大小主要取決于混凝土內(nèi)部孔隙的大小，因此改善內(nèi)部孔隙是改善混凝土抗?jié)B性能的主要方法，目前主要有兩種方法，一是加入外摻劑或者憎水性材料，使得內(nèi)部孔隙率降低[14～15]；再有就是加入纖維，達(dá)到減少內(nèi)部缺陷的目的。

圖3 不同纖維摻量混凝土的滲透系數(shù)

圖3是不同纖維摻量混凝土的滲透系數(shù)柱狀圖，從圖中可以看出，隨著纖維的增加，混凝土的滲透系數(shù)在逐漸降低，纖維摻量分別為 0、0.6 kg/m3、0.9 kg/m3、1.2 kg/m3和 1.5 kg/m3時(shí)，滲透系數(shù)分別為 1.91×10-10cm/s、1.67×10-10cm/s、1.43×10-10cm/s、1.29×10-10cm/s和1.19×10-10cm/s，最高降低了37.7%，可見(jiàn)纖維的加入對(duì)于改善混凝土的抗?jié)B性還是有非常明顯的效果的。

2.3 抗凍性能

凍融破壞常出現(xiàn)在高海拔和低溫地區(qū)的水利工程中，因?yàn)樵谶@樣的工況之下，混凝土經(jīng)常與水接觸，長(zhǎng)期處于飽水狀態(tài)，且隨著季節(jié)和溫度的變化會(huì)出現(xiàn)凍融循環(huán)，經(jīng)歷過(guò)凍融循環(huán)的混凝土的性能變化直接影響著工程的安全性[16]，因此，研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)于混凝土的影響是必不可少的。

首先制作五組不同纖維摻量的混凝土試樣，每組試樣3個(gè)，制作完成后養(yǎng)護(hù)90 d，然后泡水4天使其成為飽水狀態(tài)后開(kāi)始進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，將凍融循環(huán)的溫度分別設(shè)置為-18℃±2℃和8℃±2℃，每個(gè)溫度是試驗(yàn)時(shí)間為3 h，一個(gè)循環(huán)時(shí)間為6h，分別進(jìn)行0～300次凍融循環(huán)，每個(gè)循序次數(shù)相差25次，測(cè)量每次循環(huán)過(guò)后試樣的相對(duì)動(dòng)彈性模量，見(jiàn)圖4。

動(dòng)彈性模量不僅可以反應(yīng)試樣強(qiáng)度的變化還可反應(yīng)試樣內(nèi)部經(jīng)歷過(guò)凍融循環(huán)后的損傷情況，與初始的動(dòng)彈性模量比值即是相對(duì)動(dòng)彈性模量，一般認(rèn)為，相對(duì)動(dòng)彈性模量低于60%時(shí)，試樣破壞。相對(duì)動(dòng)彈性模量計(jì)算公式見(jiàn)式（1）。

其中：Pn為經(jīng)歷過(guò)n次循環(huán)后的相對(duì)動(dòng)彈性模量；fn為經(jīng)歷過(guò)n次循環(huán)后的自振頻率；f0為初始的自振頻率。

圖4 凍融循環(huán)對(duì)不同纖維摻量混凝土的影響

圖4是不同纖維摻量的混凝土在經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后的相對(duì)動(dòng)彈模量圖，從圖中可以看出，當(dāng)循環(huán)次數(shù)低于75次時(shí)，凍融循環(huán)對(duì)所有的試樣影響都較小，但是當(dāng)循環(huán)次數(shù)大于75次后，纖維摻量為0的試樣相對(duì)動(dòng)彈模量開(kāi)始出現(xiàn)急劇下降，當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到250次時(shí)，此時(shí)相對(duì)動(dòng)彈模量已經(jīng)低于60%，可以認(rèn)為凍融循環(huán)已經(jīng)造成了試樣的破壞。從圖中還可以看出，當(dāng)加入纖維過(guò)后，凍融循環(huán)對(duì)其影響較小，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到300次時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈模量仍然高于80%。

纖維的加入能明顯的改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因?yàn)槔w維在混凝土內(nèi)部呈三維亂象分布，能降低內(nèi)部的孔隙率，減小骨料的沉降和裂縫的產(chǎn)生，而且還能減小外部水分的流入以及內(nèi)部空氣的流出，也能有效的抵抗凍融循環(huán)的影響。

2.4 抗干縮變形

混凝土的干縮變形主要是由于混凝土內(nèi)部的水分溢出，由于內(nèi)外濕度的差別以及變形就會(huì)使得混凝土內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，對(duì)于混凝土的長(zhǎng)期穩(wěn)定性具有不利的影響[17]。圖5是不同纖維摻量混凝土在不同齡期下的干縮變形圖，從圖中可以出，纖維的加入可以有效的抵制混凝土的干縮變形，但是并不是加入纖維越多，效果越好，當(dāng)纖維摻量為1.2 kg/m3時(shí)，28天齡期下干縮變形最小，比沒(méi)有加入纖維的混凝土干縮變形減少了29.8%。

圖5 不同齡期下不同纖維摻量混凝土干縮變形

3 結(jié)論

本文以高海拔低溫下的水利工程為背景，對(duì)纖維改性混凝土的耐久性進(jìn)行了一系列研究，研究結(jié)果表明：不同纖維摻量對(duì)于混凝土的抗壓強(qiáng)度影響不大，當(dāng)纖維摻量為1.2 kg/m3時(shí)，抗拉強(qiáng)度增加最多為19.9%；纖維改性混凝土能明顯的改進(jìn)混凝土的抗?jié)B性和抗凍性；當(dāng)纖維摻量為1.2 kg/m3時(shí)，干縮變形最小，降低了29.8%。因此纖維能明顯改進(jìn)混凝土的耐久性且最優(yōu)摻量為1.2 kg/m3。