聚丙烯腈纖維混凝土在西部高寒地區(qū)水利工程中的應(yīng)用研究

李永松，李建峰，劉 穎，劍 奎，王亞軍

(1.長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，湖北 武漢 430010；2.西藏自治區(qū)水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，西藏 拉薩 850000)

0 引 言

我國西部高寒地區(qū)水利工程建成后的運行環(huán)境具有低溫寒冷、溫度日變幅大等特點。較大的晝夜溫差使水利工程混凝土構(gòu)建或建筑物長期處于晝夜凍融循環(huán)的環(huán)境中，極易產(chǎn)生凍融破壞[1]，甚至危及工程安全運行[2]。針對西部高寒地區(qū)水利工程運行所處獨特氣候環(huán)境條件，水利水電工程凍融破壞防護措施缺乏，相關(guān)凍融破壞[3- 4]防護規(guī)程規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究滯后，可供借鑒的經(jīng)驗較少。

聚丙烯晴纖維具有良好的親和性[5]，摻入混凝土后可以提高混凝土的抗拉強度和抗壓強度[6]。因此，通過對變溫條件下聚丙烯腈纖維混凝土抗裂、質(zhì)量損失率、力學(xué)特性等方面進行系統(tǒng)試驗，研究聚丙烯腈纖維混凝土在高寒地區(qū)的適用性具有重要意義。首先，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查分析高寒地區(qū)典型工程混凝土凍融破壞的原因和特征，通過試驗研究不同溫度條件下、不同摻量的聚丙烯腈纖維混凝土的抗裂性能、力學(xué)性能、變形和耐久性等性能。之后在上述研究成果基礎(chǔ)上，提出聚丙烯腈纖維混凝土在高寒地區(qū)工程應(yīng)用的適宜性和最優(yōu)聚丙烯腈摻量。

1 常溫下聚丙烯腈纖維混凝土的抗裂特性研究

與其他地區(qū)相比，西部高寒地區(qū)特別是西藏地區(qū)的主要特點是嚴(yán)寒干燥、紫外線輻射強烈、日溫差大，如西藏那曲市和阿里地區(qū)多年1月～4月和10月～12月平均氣溫均在0 ℃以下，最低氣溫超過-40 ℃。從筆者調(diào)查的工程來看，凍融破壞是西部高寒地區(qū)水利水電工程中最常見的破壞現(xiàn)象，一般混凝土的凍融破壞，在其表面都可看到裂縫和剝落，一旦結(jié)構(gòu)表面混凝土剝蝕脫落嚴(yán)重，混凝土的使用壽命大為縮短，進而威脅到工程運行安全。

聚丙烯腈纖維摻入混凝土后，在混凝土凝固的過程中能增加混凝土的韌性，控制了混凝土的微細裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展?；炷灵_裂時，聚丙烯腈纖維可以有效地跨接在裂縫兩側(cè)，有效減小混凝土的開裂程度。通過進行常溫下不同聚丙烯腈纖維摻量的抗裂性能試驗，得到的相關(guān)規(guī)律和力學(xué)參數(shù)研究聚丙烯腈纖維混凝土的抗裂機理。

1.1 抗裂性能試驗方法

水泥、砂、水按照1∶1.5∶0.5配比，先干拌30 s左右，再加水?dāng)嚢? min左右后，按照0、0.5%、0.8%和1.0%體積摻加量摻入聚丙烯腈纖維，經(jīng)砂漿攪拌機攪拌3 min，澆注并流滿整個帶有金屬網(wǎng)木模，用刮刀刮平試件表面后，通過電吹風(fēng)和碘鎢燈加熱烘干，測量加熱烘干后裂縫寬度及長度。按照式(1)的寬度將裂縫分為四級，且對應(yīng)相應(yīng)的權(quán)值，所有不同等級的裂縫的長度和對應(yīng)權(quán)值的乘積的總和稱為開裂指數(shù)，以衡量砂漿/混凝土的開裂程度。

(1)

式中，d為裂縫長度，mm；k為相應(yīng)權(quán)重。

1.2 抗裂性能試驗結(jié)果

圖1給出了不同聚丙烯腈纖維摻量砂漿的開裂指數(shù)。由圖1可知，較之于不添加聚丙烯腈纖維的基準(zhǔn)砂漿，添加量為0.5 kg/m3聚丙烯晴纖維的砂漿開裂指數(shù)降低了60.4%，添加0.8 kg/m3聚丙烯晴纖維的砂漿開裂指數(shù)降低了65.9%，添加1.0 kg/m3聚丙烯晴纖維的砂漿開裂指數(shù)降低了69.3%。因此，聚丙烯晴纖維具有顯著的阻止砂漿開裂的效果，而且隨著纖維數(shù)量的增加，其抗裂效果越明顯。

圖1 開裂指數(shù)和聚丙烯腈纖維摻量關(guān)系

2 變溫條件下聚丙烯腈纖維混凝土的質(zhì)量損失率

2.1 試驗方法

試驗混凝土配合比見表1。根據(jù)表1的配比，并按照0，0.5%，0.8%，1.0%體積摻加量摻入聚丙烯腈纖維制成聚丙烯腈纖維混凝土，制作和養(yǎng)護試樣，試驗以3個試樣為一組，齡期28d。聚丙烯腈纖維混凝土在變溫作用下進行20、0、-5、-10、-15、-20 ℃等不同溫度下質(zhì)量損失率測試，循環(huán)次數(shù)為常規(guī)次數(shù)50次。通過稱重每種溫度下循環(huán)作用前、后試件的飽和質(zhì)量測試出質(zhì)量損失率。

表1 混凝土配合比 kg/m3

2.2 試驗結(jié)果及分析

根據(jù)試驗結(jié)果可知，丙烯腈纖維混凝土在20～0 ℃不同溫度循環(huán)作用下，其質(zhì)量損失率為0.007%～0.152%，質(zhì)量損失率均較小?；炷临|(zhì)量損失率最小的為聚丙烯腈纖維的摻量為0.8%，較不添加聚丙烯腈纖維降低了94.2%。在20～-20 ℃范圍內(nèi)不同溫度循環(huán)作用下其質(zhì)量損失率為0.212%～0.300%?；炷临|(zhì)量損失率最小的為聚丙烯腈纖維的摻量為0.5%，較不添加聚丙烯腈纖維纖降低了16%。

在20～-20 ℃范圍內(nèi)不同溫度循環(huán)作用下，并非聚丙烯腈纖維摻量越高質(zhì)量損失率越低，當(dāng)聚丙烯腈纖摻量為1%時，混凝土質(zhì)量損失率反而大于不添加聚丙烯腈纖維混凝土的質(zhì)量損失率。

3 變溫條件下聚丙烯腈纖維混凝土的力學(xué)特性研究

西部高寒地區(qū)水利工程建成后的運行環(huán)境具有低溫寒冷、溫度日變幅大和日照紫外線強烈等特點，研究低溫條件下聚丙烯腈纖維混凝土的三軸壓縮強度及三軸剪切強度參數(shù)等力學(xué)性能，對聚丙烯腈纖維混凝土在高寒地區(qū)應(yīng)用的適宜性具有重要意義。

3.1 試驗設(shè)備及方法

本次試驗混凝土配合比同表1。三軸壓縮強度試驗共開展了24組，聚丙烯腈纖維的含量依次為0、0.5%、0.8%、1.0%?；赗MT- 401試驗系統(tǒng)將不同溫度下循環(huán)作用完成的試件進行不同低圍壓下壓縮全過程曲線試驗研究。

每組3個試件，在-20～20 ℃的溫度范圍內(nèi)循環(huán)50次，根據(jù)不同聚丙烯腈纖維含量且不同溫度循環(huán)作用下的不同圍壓條件下試件的三軸強度值，回歸的強度參數(shù)及軸向應(yīng)力—圍壓關(guān)系按照制樣→循環(huán)→設(shè)定圍壓→設(shè)定加載控制方式→三軸加載試驗的步驟進行試驗，加載方式采用軸向位移控制，速率為0.002 mm/s。

3.2 變溫條件下的抗剪參數(shù)特征

不同聚丙烯腈纖維含量且不同溫度循環(huán)作用下的不同圍壓條件下的三軸壓縮試驗抗剪參數(shù)統(tǒng)計值見圖2和圖3。

圖2 凍融循環(huán)后摩擦系數(shù)f的變化曲線

圖3 凍融循環(huán)后粘聚力C的變化曲線

從圖2、3可知，不摻入聚丙烯腈纖維(即含量為0)的混凝土在不同溫度下的循環(huán)作用后，在常溫20 ℃情況下，隨著聚丙烯腈纖維摻量的增加，聚丙烯腈纖維混凝土的抗剪強度f依次降低，抗剪強度參數(shù)中的粘聚力C略微上升，說明常溫下在混凝土中摻入聚丙烯腈纖維對混凝土有少許的弱化作用。而低溫情況下，摻入不同比例的聚丙烯腈纖維混凝土經(jīng)過凍融循環(huán)后，其抗剪參數(shù)粘聚力C和摩擦系數(shù)f均呈上升趨勢。其中，粘結(jié)力C在聚丙烯腈纖維摻量為0.8%時提高最多，約為12%；摩擦系數(shù)f在聚丙烯腈纖維摻量為1%時提高最多，約為43%；摻量為0.8%時，摩擦系數(shù)f提高了16%。這表明，在合理摻量下聚丙烯腈纖維具有顯著提高混凝土低溫力學(xué)性能的作用，聚丙烯腈纖維的加入使得混凝土的抗凍融性能得到提高。

3.3 低溫條件下的抗壓強度和模量

在低溫-20 ℃情況下凍融循環(huán)、圍壓為2 MPa時，聚丙烯腈纖維混凝土摻量為0.5%時的抗壓強度、彈性模量和變形模量均高于其他摻量；相對不添加聚丙烯腈纖維，抗壓強度提高了10%，彈性模量提高了10%，變形模量提高了9%。如果用彈性模量表示凍融循環(huán)產(chǎn)生的混凝土損傷，則可以認為經(jīng)過低溫-20 ℃下的凍融循環(huán)50次以后，聚丙烯腈纖維混凝土摻量為0.5%時混凝土的凍融損傷度最小，該規(guī)律與質(zhì)量損失率試驗結(jié)果一致。因此，并非聚丙烯腈纖維摻量越高混凝土的力學(xué)特性越好。

結(jié)合上述各種試驗結(jié)果，在西部高寒地區(qū)，聚丙烯腈纖維摻量為0.5%時，能顯著提高混凝土的抗裂性能、低溫力學(xué)性能和抗凍性，聚丙烯腈纖維混凝土可用于工程項目中。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查分析高寒地區(qū)典型工程混凝土凍融破壞的特征，通過試驗研究聚丙烯腈纖維混凝土在高寒地區(qū)工程應(yīng)用的適宜性和最優(yōu)聚丙烯腈摻量，得到結(jié)論如下：

(1)聚丙烯晴纖維具有顯著的阻止砂漿開裂的效果，而且隨著纖維數(shù)量的增加，其抗裂效果越明顯。

(2)變溫條件下的質(zhì)量損失率根據(jù)溫度的不同而不同，并非摻量越高質(zhì)量損失率越低。在20～0 ℃范圍內(nèi)不同溫度循環(huán)作用下?lián)搅繛?.8%的混凝土質(zhì)量損失率最小，而-20～0 ℃范圍內(nèi)摻量為0.5%的混凝土質(zhì)量損失率最小。

(3)常溫情況下在混凝土中摻入聚丙烯腈纖維對混凝土有少許的弱化作用。而低溫情況下，聚丙烯腈纖維的加入使得混凝土的抗凍融性能得到提高。在合理摻量下聚丙烯腈纖維具有顯著提高混凝土低溫力學(xué)性能的作用。

(4)在低溫-20 ℃下凍融循環(huán)、圍壓為2 MPa時，聚丙烯腈纖維混凝土摻量為0.5%時的抗壓強度、彈性模量和變形模量較高。

(6)在西部高寒地區(qū)，聚丙烯腈纖維摻量為0.5%時，能提高混凝土的抗裂性能、低溫力學(xué)性能和抗凍性，聚丙烯腈纖維混凝土可用于工程項目中。