東北地區(qū)水利工程中聚丙烯腈纖維混凝土的應用分析

李春儂

(大洼區(qū)水利服務中心，遼寧 盤錦 124200)

我國東北地區(qū)氣候條件寒冷，水利工程建成后大都處于溫度日變幅大、低溫嚴寒的運行環(huán)境，水工建筑物或混凝土構(gòu)件因較大的晝夜溫差而長期受到凍融循環(huán)作用，加之各種荷載作用極易出現(xiàn)凍融破壞甚至危及工程穩(wěn)定運行[1-2]。針對東北地區(qū)水利工程凍融破壞缺乏防護措施，水利工程所處的特殊氣候環(huán)境以及凍融破壞防護相關技術(shù)標準、規(guī)范規(guī)程研究等，可供參考的文獻資料還較少[3-6]。

在混凝土中摻入親和性良好的聚丙烯腈纖維能夠有效提高其抗壓、抗拉強度，通過試驗分析系統(tǒng)研究變溫條件下聚丙烯腈纖維混凝土的力學特性、質(zhì)量損失率和抗裂性能等，對于促進聚丙烯腈纖維的推廣使用具有積極作用[7-10]。通過現(xiàn)場實際調(diào)查，文章全面分析了東北地區(qū)水工混凝土凍融破壞的特征及其原因，通過試驗分析聚丙烯腈纖維混凝土在不同摻量、不同溫度條件下的力學性能、變形特性、抗裂性及耐久性等，進一步提出聚丙烯腈纖維的最優(yōu)摻量及其東北地區(qū)水利工程中的適用性。

1 聚丙烯腈纖維混凝土性能試驗方法

1.1 抗裂性能試驗

我國東北特別是遼寧地區(qū)的氣候環(huán)境，相比于其他地區(qū)具有日溫差大、嚴寒干燥等特點。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，混凝土凍融破壞是東北地區(qū)水利工程最常見的破壞形式，普遍存在表面剝落和裂縫的現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)表面剝蝕脫落將大大縮短混凝土的使用壽命，對工程的安全運行也造成潛在威脅。

混凝土中摻入聚丙烯腈纖維可以有效提升凝固過程中的韌性，對于混凝土微裂縫的形成與發(fā)展起到較好的控制作用。即使開裂時，跨接在裂縫兩側(cè)的聚丙烯腈纖維也可以有效減小混凝土的開裂程度[11]。因此，有必要通過試驗研究不同摻量下的聚丙烯腈纖維混凝土抗裂性，揭示混凝土中聚丙烯腈纖維的抗裂機理和相關規(guī)律，試驗過程如下：

步驟1：按0.5∶1∶1.5的配比稱取水、水泥、砂的用量，先干拌30s再加入濕拌1min。

步驟2：稱取質(zhì)量0%、0.4%、0.8%、1.2%的聚丙烯腈纖維摻入砂漿中，攪拌機攪拌3min后注入帶金屬網(wǎng)的木模，木模填充流滿后用刮刀將試件表面刮平。

步驟3：最后利用碘鎢燈和電吹風加熱烘干，并測量試件表面的裂縫長度與寬度。

文章采用開裂指數(shù)反映混凝土或砂漿的開裂程度，即各等級所有裂縫的寬度與對應權(quán)值乘積的總和，不同裂縫等級的劃分標準與權(quán)值如表1所示。

表1 裂縫的等級與權(quán)值

1.2 質(zhì)量損失率試驗

依據(jù)相關資料合理確定試驗配合比，如表2所示。稱取0%、0.4%、0.8%、1.2%的聚丙烯腈纖維摻入按試驗配合比拌制的混凝土中，成型脫模后標準養(yǎng)護至28d，為了保證計算精度每3個試樣為一組。以0℃為基準，在-20℃、-15℃、-10℃、-5℃、0℃、20℃變溫條件下測定聚丙烯腈纖維混凝土的質(zhì)量損失率，即每組試件在變溫循環(huán)前、后的飽和質(zhì)量變化率，設定變溫循環(huán)次數(shù)50次。

表2 試驗配合比 kg/m3

1.3 力學性能試驗

混凝土力學性能試驗配合比同表1，稱取0.4%、0.8%、1.2%聚丙烯腈纖維摻入按試驗配合比拌制的混凝土中，成型脫模后標準養(yǎng)護至28d，成型試件共24組(每組3個)用于測試三軸壓縮強度。設定變溫循環(huán)次數(shù)50次，以0℃為基準，在-20℃、-15℃、-10℃、-5℃、20℃的變溫條件下，采用RMT-401試驗系統(tǒng)測試不同低圍壓作用下各組試件的全過程壓縮曲線[12]。根據(jù)不同圍壓作用、不同溫度循環(huán)條件且不同聚丙烯腈纖維摻量下的三軸強度值，回歸分析圍壓——軸向應力及強度參數(shù)之間的關系，試驗步驟主要包括制樣→變溫循環(huán)→圍壓設定→控制加載方式→三軸加載，采用軸向位移的加載方式，設定速率為0.002mm/s。

2 結(jié)果與分析

2.1 常溫下的抗裂特性

常溫下，不同摻量的聚丙烯腈纖維砂漿開裂指數(shù)如圖1所示。試驗表明，較基準砂漿的開裂指數(shù)，摻0.4%、0.8%、1.2%聚丙烯腈纖維的砂漿開裂指數(shù)依次減小了61.2%、66.1%、70.1%。可見，聚丙烯腈纖維能夠明顯改善砂漿的抗裂性能，并且纖維摻量越高則抗裂效果越好。

圖1 不同聚丙烯腈纖維摻量的砂漿開裂指數(shù)

2.2 變溫下的質(zhì)量損失率

結(jié)合試驗結(jié)果，在0～20℃變溫循環(huán)條件下聚丙烯腈纖維混凝土的質(zhì)量損失率只有0.006%～0.151%，整體處于較低水平，其中以摻量0.8%的聚丙烯腈纖維混凝土質(zhì)量損失率最小，較基準對照組減小了94.6%；在-20～20℃變溫循環(huán)條件下聚丙烯腈纖維混凝土的質(zhì)量損失率處于0.207%～0.302%范圍，其中以摻量0.4%的聚丙烯腈纖維混凝土質(zhì)量損失率最小，較基準對照組減小了15%。另外，在-20～20℃變溫循環(huán)條件下，混凝土質(zhì)量損失率并非隨聚丙烯腈纖維摻量的增加而增大，如摻量達到1.2%的聚丙烯腈纖維混凝土質(zhì)量損失率反而>基準對照組。

2.3 變溫下的抗剪參數(shù)值

統(tǒng)計不同圍壓作用、不同溫度循環(huán)條件且不同聚丙烯腈纖維摻量下的三軸壓縮試驗抗剪參數(shù)值，如圖2所示。

(a)摩擦系數(shù)f (b)黏聚力C

從圖2可以看出，不同溫度循環(huán)條件下，常溫環(huán)境下隨聚丙烯腈纖維摻量的增加混凝土黏聚力C略微上升，但摩擦系數(shù)f逐漸減小，由此表明聚丙烯腈纖維的摻入在一定程度上弱化了混凝土的抗剪強度；低溫環(huán)境下，經(jīng)凍融循環(huán)后摻聚丙烯腈纖維混凝土的摩擦系數(shù)f和黏聚力C均表現(xiàn)出上升趨勢。其中，聚丙烯腈纖維摻量為0.8%時黏聚力C的上升幅度最高接近14%，聚丙烯腈纖維為1.2%時摩擦系數(shù)f的上升幅度最高達到18%。由此表明，摻入適量的聚丙烯腈纖維可以有效提高混凝土的低溫力學性能和抗凍融性能。

2.4 低溫下的抗壓強度

在圍壓2MPa、凍融循環(huán)低溫-20℃條件下，摻量0.4%的聚丙烯腈纖維混凝土變形模量、彈性模量和抗壓強度均高于其它組，相對于基準對照組依次提高了8%、9%、9%。混凝土受凍融循環(huán)產(chǎn)生的損傷利用彈性模量來衡量時，則認為摻0.4%聚丙烯腈纖維混凝土經(jīng)低溫-20℃的50次凍融循環(huán)的損傷最輕，該變化特征與質(zhì)量損失率相同。因此，聚丙烯腈纖維混凝土摻量越高其力學特性并非越好[13-15]。

根據(jù)以上試驗結(jié)果，摻0.4%聚丙烯腈纖維時可以有效提高混凝土的抗凍性、抗裂性和低溫力學性能，在水工混凝土中可以摻入適量聚丙烯腈纖維來改善其性能。

3 結(jié) 論

通過現(xiàn)場試驗調(diào)查，文章深入分析了高寒地區(qū)水工混凝土的凍融破壞的特征，試驗研究了聚丙烯腈纖維的最優(yōu)摻量及其在東北地區(qū)水利工程中的適用性，主要結(jié)論有：

1)聚丙烯腈纖維能夠明顯改善砂漿的抗裂性能，并且纖維摻量越高則抗裂效果越好；不同溫度下的變溫循環(huán)作用所引起的質(zhì)量損失率不同，混凝土質(zhì)量損失率并非隨聚丙烯腈纖維摻量的增加而增大。在0～20℃變溫循環(huán)條件下?lián)?.8%的聚丙烯腈纖維混凝土質(zhì)量損失率最小，在-20～20℃變溫循環(huán)條件下?lián)?.4%的聚丙烯腈纖維混凝土質(zhì)量損失率最小。

2)常溫條件下，聚丙烯腈纖維的摻入在一定程度上弱化了混凝土的抗剪強度；而低溫條件下，混凝土中摻入聚丙烯腈纖維可以有效提高其抗凍融性?？傮w而言，摻入適量的聚丙烯腈纖維可以有效改善混凝土的低溫力學性能和抗凍融性能。

3)在圍壓2MPa、凍融循環(huán)低溫-20℃條件下，摻量0.4%的聚丙烯腈纖維混凝土變形模量、彈性模量和抗壓強度較高。因此，對于寒冷地區(qū)摻0.4%聚丙烯腈纖維時可以有效提高混凝土的抗凍性、抗裂性和低溫力學性能，在水工混凝土中摻入適量聚丙烯腈纖維改善其性能。