纖維對(duì)水工抗沖磨硅粉混凝土性能的影響

張子琴，楊華全，周世華

(長(zhǎng)江科學(xué)院，湖北武漢430010)

硅粉混凝土是一種新型抗沖磨材料[1]，但硅粉混凝土早期收縮較大，如果養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，易發(fā)生早期干縮裂縫[2]。王磊等采用Fourier紅外光譜(FTIR)和29Si固體核磁共振譜(29Si NMR)，結(jié)合去卷積技術(shù)從微觀機(jī)理研究了硅粉增強(qiáng)混凝土的抗沖磨性能[3]。由于摻入的硅粉具有高比表面積及高活性，可以顯著提高混凝土早期強(qiáng)度、密實(shí)度、摻合料黏稠度，以及混凝土的抗彎強(qiáng)度、黏結(jié)強(qiáng)度和抗沖磨性能[4-5]，而纖維的摻入能夠顯著提高混凝土抗拉強(qiáng)度、抗裂性、延性、韌性、抗沖擊及抗剪性能[6]，使得其柔性遠(yuǎn)高于普通混凝土。若硅粉和纖維恰當(dāng)?shù)膹?fù)合摻入混凝土，可對(duì)混凝土增韌、阻裂、吸能等特性指標(biāo)有極大改善[7- 8]。本文主要探討在混凝土中摻入改性聚乙烯醇纖維KS-1500(PVA1)、聚乙烯醇纖維(PVA2)和聚丙烯纖維(PP)，研究摻入纖維對(duì)水工抗沖磨硅粉混凝土性能的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

采用華新(昭通)堡壘42.5中熱硅酸鹽水泥，水泥各項(xiàng)物理化學(xué)性能參數(shù)見表1；采用宣威電廠I級(jí)粉煤灰，其品質(zhì)參數(shù)見表2；采用埃肯公司生產(chǎn)的硅粉，其品質(zhì)參數(shù)見表3；采用江蘇博特JM-PCA高效減水劑，減水率為27%；采用浙江龍游ZB-1G引氣劑；纖維采用江蘇能力科技有限公司生產(chǎn)的改性聚乙烯醇纖維KS-1500，四川維綸廠生產(chǎn)的聚乙烯醇纖維和張家港方大纖維有限公司生產(chǎn)的聚丙烯纖維，纖維的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見表4；骨料采用玄武巖人工粗、細(xì)骨料，其中細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)為2.89，石粉含量為12.4%。

表1 水泥性能參數(shù)

表2 粉煤灰的品質(zhì)參數(shù)

表3 硅粉的品質(zhì)參數(shù)

表4 纖維種類及摻量

摻硅粉混凝土的試驗(yàn)配合比及摻合料性能見表5。試驗(yàn)結(jié)果表明，在保證混凝土坍落度、含氣量一致的情況下，摻入纖維后，JM-PCA減水劑的摻量應(yīng)增加0.1%，ZB-1G引氣劑的摻量可保持不變。

表5 混凝土的試驗(yàn)配合比及摻合料性能

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 物理力學(xué)性能試驗(yàn)

混凝土抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、極限拉伸值、干縮試件的試驗(yàn)方法按照DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。

混凝土極限拉伸值采用翼形外夾試件，用位移傳感器測(cè)量極限拉伸值，混凝土干縮試件尺寸為100 mm×100 mm×515 mm，測(cè)量?jī)x器為臥式弓形螺旋測(cè)微儀。

1.2.2 混凝土抗沖擊韌性試驗(yàn)

參考ACI(美國混凝土協(xié)會(huì))544委員會(huì)推薦的ACI544.2 R沖擊方法，采用自制自由落錘沖擊試驗(yàn)法，設(shè)備示意見圖1。

圖1 混凝土抗沖擊韌性試驗(yàn)示意(單位：mm)

采用落錘法進(jìn)行混凝土抗沖擊試驗(yàn)，試件尺寸為150 mm×64 mm，沖擊錘質(zhì)量為4.5 kg，下落高度h=457 mm，沖擊錘中線與試件中心線對(duì)齊，測(cè)試時(shí)，沖擊錘自由落下，通過沖擊錘反復(fù)沖擊直至混凝土破壞為止。試驗(yàn)時(shí)，在試件底部抹一層黃油以減少底板對(duì)試件的橫向約束。試件的上表面正中心放置一個(gè)直徑64 mm的鋼球。試驗(yàn)過程中仔細(xì)觀察試件表面，記錄下初裂的沖擊次數(shù)N1。在隨后的不斷沖擊下，裂縫擴(kuò)展，試件體積發(fā)生膨脹，當(dāng)膨脹的試件接觸到4個(gè)擋板中的3個(gè)時(shí)，定義試件破壞，記錄破壞時(shí)的沖擊次數(shù)N2。評(píng)價(jià)混凝土抗沖擊能的指標(biāo)有試件初裂沖擊次數(shù)N1、試件破壞沖擊次數(shù)N2、初裂與終裂破壞次數(shù)差ΔN、試件破壞過程吸收的全部沖擊能W以及初裂后繼續(xù)吸收的沖擊能ΔW。

1.2.3 抗裂性和抗沖磨性能試驗(yàn)

混凝土抗裂性的試驗(yàn)方法采用CCES 01—2005《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》附錄A2推薦的平板法。試驗(yàn)裝置的試模尺寸為600 mm×600 mm ×63 mm，由放置在周邊的L形鋼筋網(wǎng)提供約束，試模內(nèi)部底面上鋪一層塑料薄膜以減少對(duì)混凝土的約束，試件澆注后，用太陽燈和電風(fēng)扇讓其快速脫水，收縮24 h后測(cè)定裂縫長(zhǎng)度和寬度。

混凝土抗沖磨性能的試驗(yàn)按照DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》的水下鋼球法，試件尺寸為φ300 mm×100 mm，抗沖磨性能以抗沖磨強(qiáng)度來表示。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 纖維對(duì)硅粉混凝土強(qiáng)度與極限拉伸值的影響

混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和極限拉伸值隨纖維品種的變化見圖 2。由圖2可知，摻入改性聚乙烯醇纖維KS-1500后，較硅粉基準(zhǔn)混凝土早期抗壓強(qiáng)度可提高0.7%，180 d齡期時(shí)略有下降，為0.2%；劈拉強(qiáng)度各齡期都有增長(zhǎng)，最高可達(dá)5%左右；抗拉強(qiáng)度在28 d齡期時(shí)提高14%，后期漲幅減慢，在3%左右；極限拉伸值各齡期的漲幅相當(dāng)，最高在10%。摻入聚乙烯醇纖維后，較硅粉基準(zhǔn)混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度略有下降，180 d齡期時(shí)降低3%；劈拉強(qiáng)度早期略有下降，180 d齡期時(shí)提高3%；抗拉強(qiáng)度7 d齡期時(shí)提高16%，后期和基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)；極限拉伸值后期略有提高。摻入聚丙烯纖維后，較硅粉基準(zhǔn)混凝土各齡期強(qiáng)度都略有下降；極限拉伸值后期可提高1%左右。

圖2 混凝土抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、極限拉伸值與試件類型的關(guān)系

綜合分析，摻入改性聚乙烯醇纖維KS-1500后， 混凝土的劈拉強(qiáng)度、 抗拉強(qiáng)度略有增長(zhǎng)，極限拉伸值可提高 9%左右。摻入聚乙烯醇纖維和聚丙烯纖維后混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度略有降低。聚乙烯醇纖維KS-1500、聚乙烯醇纖維和聚丙烯纖維抗拉強(qiáng)度高，具有較好的延性，摻入混凝土中可以有效提高混凝土的抗拉強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度。從提高混凝土劈拉強(qiáng)度和極限拉伸值方面來看，改性聚乙烯醇纖維KS-1500的改善效果略好。

2.2 纖維對(duì)硅粉混凝土干縮的影響

摻纖維混凝土的干縮試驗(yàn)結(jié)果見圖3。試驗(yàn)結(jié)果表明，摻入不同品種的纖維后，同等條件下混凝土干縮變形減小，且對(duì)混凝土早齡期干縮的抑制效果更顯著，但不同纖維品種之間的差異不明顯。

圖3 纖維品種對(duì)硅粉混凝土干縮性能的影響

根據(jù)毛細(xì)管張力理論[9]，聚乙烯醇纖維KS-1500、聚乙烯醇纖維和聚丙烯纖維在混凝土中起著“撐托”骨料的作用，降低了混凝土表面的析水，提高了水泥砂漿的保水能力，延長(zhǎng)了水泥砂漿孔隙中出現(xiàn)彎液面(表面張力)的時(shí)間，因此，亂向分布的纖維能夠有效的地減小其干縮率。

2.3 纖維對(duì)硅粉混凝土抗沖磨強(qiáng)度與抗沖擊韌性的影響

摻纖維混凝土的抗沖磨性能和抗沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果見表6。試驗(yàn)結(jié)果表明，摻入纖維可提高混凝土各齡期的抗沖磨強(qiáng)度，提高幅度在10%～16%，不同纖維之間的差異不明顯；水工抗沖磨硅粉混凝土的抗沖擊韌性較好，初裂抗沖擊強(qiáng)度均在250次

表6 摻纖維混凝土的抗沖磨強(qiáng)度和抗沖擊韌性

表7 纖維混凝土抗裂性能試驗(yàn)結(jié)果

以上，摻入纖維后，可略微提高混凝土的抗沖擊韌性，纖維品種之間的差異不顯著。

摻入硅粉改善了水泥漿體與纖維與砂、石界面的疏松結(jié)構(gòu)，提高了相互之間的粘結(jié)力，使纖維能更好地發(fā)揮其優(yōu)越性，共同提高混凝土抗沖耐磨能力；摻入纖維又改善了硅粉混凝土早期塑性收縮偏大易產(chǎn)生塑性收縮裂縫的缺點(diǎn)，故混凝土中摻入纖維和硅粉可以有效提高混凝土的抗沖磨性能。

2.4 纖維對(duì)硅粉混凝土抗裂性能的影響

本文分別從混凝土開裂時(shí)間、裂縫條數(shù)、最大裂縫寬度、開裂面積、抗裂性等級(jí)等方面評(píng)價(jià)纖維對(duì)混凝土早期抗裂性能的影響。各組試件的抗裂性能評(píng)價(jià)結(jié)果見表7?；炷疗桨彘_裂最大裂縫寬度隨時(shí)間的變化、裂縫總面積與試件類型的關(guān)系分別見圖4、圖5。

圖4 混凝土平板開裂最大裂縫寬度隨時(shí)間的變化

圖5 裂縫總面積與試件類型的關(guān)系

由表7及圖4可見，相對(duì)于基準(zhǔn)混凝土，不同品種纖維混凝土的最大裂縫寬度都明顯減小?；鶞?zhǔn)混凝土最大裂縫寬度0.32 mm，纖維混凝土最低達(dá)到了0.15 mm。由圖 4可見，纖維混凝土出現(xiàn)第1條裂縫的時(shí)間明顯延遲，且最大裂縫寬度減小。試驗(yàn)表明，隨著纖維摻量的增加，混凝土的抗裂性增強(qiáng)，出現(xiàn)裂縫的時(shí)間變晚，裂縫變少且變細(xì)。

裂縫總面積被認(rèn)為是評(píng)價(jià)和優(yōu)化混凝土開裂性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，由圖4可見，纖維混凝土的裂縫總面積較基準(zhǔn)混凝土有顯著降低。摻入改性聚乙烯醇纖維KS-1500時(shí)，最大裂縫寬度僅為0.15 mm，裂縫降低系數(shù)達(dá)到93.2%。摻入聚乙烯醇纖維時(shí)，最大裂縫寬度僅為0.16 mm，裂縫降低系數(shù)達(dá)到93.3%。摻入聚丙烯纖維時(shí)，最大裂縫寬度僅為0.15 mm，裂縫降低系數(shù)達(dá)到96.8%。由表7可見，纖維混凝土的阻裂效能等級(jí)均達(dá)到了一級(jí)。因此，摻入纖維能有效地提高混凝土的抗裂性能。

綜上所述，摻入纖維有效抑制了混凝土的早期塑性開裂，提高了混凝土的耐久性?；炷林袚饺肜w維后，纖維為混凝土形成二次微加筋系統(tǒng)，由于纖維抗拉強(qiáng)度高，且具有較好的延性，能有效提高混凝土的韌性；同時(shí)由于纖維數(shù)量多，比表面積大，纖維在混凝土內(nèi)部均勻分布，能有效改善混凝土內(nèi)部的應(yīng)力分布，降低了微裂縫尖端的應(yīng)力集中，從而有效地消耗微裂縫擴(kuò)展的能量，從而提高混凝土的抗裂性能。

3 結(jié) 論

水工抗沖磨硅粉混凝土中摻入改性聚乙烯醇纖維KS-1500(PVA1)、聚乙烯醇纖維(PVA2)和聚丙烯纖維(PP)，對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度、抗沖擊韌性的影響不顯著，但可以提高混凝土的抗沖磨強(qiáng)度，有利于抑制混凝土的早齡期干縮，提高混凝土的平板抗裂性，抗裂等級(jí)可達(dá) I 級(jí)。但纖維品種對(duì)混凝土抗沖磨強(qiáng)度、干縮、平板抗裂等性能的影響差異不顯著。摻入改性聚乙烯醇纖維 KS-1500可以有效提高混凝土極限拉伸值，可提高約 9%。

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