纖維對水工混凝土裂縫修補材料性能影響試驗研究

張齊成

(歙縣水利局，安徽 黃山 245200)

0 引 言

水工混凝土所處的環(huán)境十分復雜，在干濕變化、低溫凍融循環(huán)、離子侵蝕等作用下很容易出現(xiàn)破損和開裂，影響建筑物的正常使用功能，為了避免裂縫進一步擴大，需要及時對裂縫進行修補[1-2]。常用的混凝土修補材料多為有機樹脂類，雖然該類型材料具備較好的修復效果，但是存在價格高、易老化等問題，因而在大面積混凝土裂縫修補工程中不適用。采用無機膠凝材料和有機物質(zhì)混合拌制的裂縫修補材料在控制工程成本上更加有利，也是當前行業(yè)發(fā)展的趨勢[3-5]。

本文以硫鋁酸鹽水泥為主要基材，通過摻入石英石粉、可分散性乳膠粉、纖維、消泡劑、憎水劑、減水劑等外加劑，配制新型的混凝土裂縫修補材料，主要探討纖維種類和摻量對裂縫修補材料工作性能和力學性能的影響，以期能為水工混凝土裂縫快速修補提供借鑒。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

試驗原材料主要包括硫鋁酸鹽水泥、石英石粉、可分散性乳膠粉、玄武巖纖維、木纖維、玻璃纖維、改性木纖維、消泡劑、憎水劑、減水劑等。硫鋁酸鹽水泥的標準稠度用水量為40%，初凝和終凝時間分別為40和150 min，28 d抗折和抗壓強度分別為7.4和73.4 MPa；石英石粉的粒徑大小為80～120目，密度為2 650 kg/m3，SiO2含量為95%，莫氏硬度為7，熔點為1 750℃；可分散性乳膠粉堆積密度為400～600 kg/m3，灰分為8%～12%，最低成膜溫度為0℃；玄武巖纖維長度為7～10 mm，彈性模量為105 GPa，抗拉強度為3 850 MPa，斷裂伸長率為2.7%，密度為2 700 kg/m3；木纖維(FH-500)為白色粉末狀，平均長度2.7 μm，體積密度為47 g/L，分散性為97%；玻璃纖維長度為3～5 mm，彈性模量為105 GPa，抗拉強度為2 800 MPa，斷裂伸長率為3%，密度為2 580 kg/m3；改性木纖維也為白色粉末狀，平均長度2.7 μm，體積密度為47 g/L，分散性為99%；消泡劑(AXILAT DF 770)為干粉消泡劑，主要成分為液態(tài)碳氫化合物和聚乙二醇，平均顆粒大小為750 μm，堆積密度為600 kg/m3；憎水劑為SHP50型硅烷基憎水劑，粒徑小于500 um，平均顆粒大小為300 um，體積密度為600 g/L；減水劑為液態(tài)聚羧酸減水劑，平均密度為1.15 g/mL，固體含量為26%，減水率為20%。緩凝劑為檸檬酸，白色結(jié)晶型粉末，易溶于水。

1.2 試驗方案

以硫鋁酸鹽水泥為主要基材，探討不同種類纖維和不同摻量纖維對裂縫修補材料凝結(jié)時間、流動度、抗壓強度、抗折強度、拉伸黏結(jié)強度以及干燥收縮性能的影響。試驗1組為對照試驗組，不摻入任何纖維；試驗2-4組為摻入玄武巖纖維，摻量分別為0.5%、1%和1.5%；試驗5組摻入木纖維，摻量為1%；試驗6組摻入玻璃纖維，摻量為1%；試驗7組摻入改性木纖維，摻量為1%；試驗8組摻入混合纖維，分別為玄武巖纖維0.5%和改性木纖維0.5%。其余材料摻入情況分別為石英石粉摻量為11%，消泡劑摻量為2%，憎水劑摻量為1%，減水劑摻量為0.4%，具體試驗配比方案見表1。

1.3 試驗方法

各試驗組裂縫修補材料的凝結(jié)時間按照《水泥標準稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》(GB/T 1346-2001)進行測定，流動度按照《水泥膠砂流動度測定方法》(GB/T 2419-2005)進行測定，抗壓強度和抗折強度均按照《水泥膠砂強度檢驗方法》(JTG/T 0506-2005)進行測定，拉伸黏結(jié)強度按照《混凝土界面處理劑》(JC/T 907-2002)進行測定，干燥收縮率按照《水泥膠砂干縮試驗方法》(JC/T 603-1995)進行測定。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 對工作性能的影響

不同試驗配合比下裂縫修補材料凝結(jié)時間和流動度測試結(jié)果見表2。從表2中可知，摻入不同量的玄武巖纖維后，裂縫修補材料的初凝時間和終凝時間相比不摻入纖維試驗組均有不同程度延長。這是因為玄武巖纖維表面具有較強的水分吸附能力，在水泥水化反應前期搶占了水化所需要的水分；隨著水化反應進行，玄武巖纖維才會慢慢將水分釋放，從而促進水化反應繼續(xù)進行；摻入玄武巖纖維后，裂縫修補材料的初始流動度下降幅度較大，從230～240 mm降低至140～155 mm，30 min后流動度從100～110 mm下降至55～90 mm，這說明摻入玄武巖纖維會增加裂縫修補材料的稠度。對于摻入木纖維的試驗組，終凝時間相比空白試驗組增長約200%。這是因為木纖維不溶于水，在水中的分散性不是很好，也沒有玄武巖纖維那樣的吸附水分的能力，故而對于木纖維反而會延長終凝時間，出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，但對流動度影響不大。對于摻入玻璃纖維(不溶于水)的試驗組，初凝和終凝時間均有延長，終凝時間、初始流動度以及30 min 后流動度與摻入木纖維試驗組基本相當，不僅出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，而且由于玻璃纖維的摻入，還會產(chǎn)生大量無法消掉的氣泡，影響材料的修補性能。對于摻入改性木纖維的試驗組，與試驗5(摻入木纖維組)相比，初凝和終凝時間進一步延長，但流動度有所降低。對于混摻玄武巖纖維和改性木纖維的試驗組，凝結(jié)時間和流動度相比試驗7組有所降低。

表2 工作性能試驗結(jié)果

2.2 對抗壓和抗折強度的影響

選取纖維摻量(1%)相同的試驗組與空白試驗組裂縫修補材料的28 d強度進行對比，見圖1。從圖1中可以看到，摻入纖維會導致裂縫修補材料抗壓強度呈現(xiàn)不同程度的降低，降低幅度最大的是試驗6組(摻入玻璃纖維)，相比空白試驗組抗壓強度降低約505。這是因為摻入纖維后，由于纖維本身具有亂向分布特性，如果攪拌不均會導致泌水現(xiàn)象，從而使?jié){體中出現(xiàn)分層現(xiàn)象；同時纖維在水化反應的堿性環(huán)境中會引入大量無法消除的氣泡，造成試件內(nèi)部出現(xiàn)許多薄弱結(jié)構(gòu)或者空腔，影響強度的發(fā)展。但是在摻入玄武巖纖維或者改性木纖維后，由于纖維本身的抗拉強度和彈性模量較高，使得裂縫修補材料的抗折強度相比空白試驗組反而有所提升，特別是摻入玄武巖纖維的試驗，其抗壓強度下降幅度(約為15.5%)最小，而抗折強度可提升50.7%。

圖1 不同纖維種類裂縫修補材料強度特征

從上文分析可知，摻入玄武巖纖維的裂縫修補材料綜合性能表現(xiàn)優(yōu)異，因此決定采用玄武巖纖維對裂縫修補材料進行改性，不同玄武巖纖維摻量下裂縫修補材料的強度特征見圖2。摻入不同量的玄武巖纖維，均會造成裂縫修補材料抗壓強度的降低，而抗折強度則是呈先增大后減小的變化特征。當玄武巖纖維摻量為1%時，抗壓強度下降幅度最小，且抗折強度最高，這是因為摻入過量的纖維，可能會導致纖維在裂縫修補材料中分布不均，容易在試件內(nèi)部形成缺陷，引起試件內(nèi)不出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，對抗折強度不利。

圖2 玄武巖纖維摻量對強度的影響

2.3 對拉伸黏結(jié)強度的影響

不同玄武巖摻量下裂縫修補材料的拉伸黏結(jié)強度變換規(guī)律見圖3。從圖3中可知，隨著玄武巖摻量的增加，裂縫修補材料的拉伸黏結(jié)強度呈先增大后減小的變化特征，并且在1%摻量時達到最高值。這是因為玄武巖纖維屬于5～7 mm的長纖維，其抗拉強度比硫鋁酸鹽水泥高得多，當在硫鋁酸鹽水泥中摻入長纖維后會具有比較明顯的“增韌”效果，這種增韌效果在很大程度上體現(xiàn)在拉伸黏結(jié)強度的提升，但是與抗折強度一樣，如果摻量過多，可能會導致攪拌不均而出現(xiàn)原生缺陷，反而不利于拉伸黏結(jié)強度的發(fā)展。

圖3 玄武巖纖維摻量對拉伸黏結(jié)強度的影響

2.4 對干燥收縮變形的影響

裂縫修補材料需要具有比被修補混凝土更好的變形性能才能更好地修復裂縫，不同玄武巖纖維摻量下的裂縫修補材料單位長度變形率對比見圖4。從圖4中可知，在不摻入玄武巖纖維時，裂縫修補材料在0～28 d內(nèi)均呈收縮狀態(tài)，而摻入玄武巖纖維后，縫修補材料的變形由收縮狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榕蛎洜顟B(tài)，但是隨著玄武巖纖維摻量的增加，單位長度變形率呈逐漸減小的變化趨勢。這是因為在裂縫修補材料中摻入玄武巖纖維后，會在試件中形成網(wǎng)絡織構(gòu)體，這些網(wǎng)絡織構(gòu)體在水泥水化硬化過程中具有一定的束水保水效果，從而可以降低早期失水速率，從而降低或者消除收縮變形；隨著摻量的增加，纖維與漿體的黏結(jié)拉應力越大，試件的變形逐漸趨于穩(wěn)定，可以提供持續(xù)的體積微膨脹效應。

圖4 玄武巖纖維摻量對單位長度變形率的影響

3 結(jié) 論

對不同纖維種類和摻量改良裂縫修補材料性能進行了對比研究，結(jié)論如下：

1) 摻入纖維會延長裂縫修補材料的凝結(jié)時間，改善工作性能。但摻入木纖維或者玻璃纖維，可能會導致泌水現(xiàn)象，同時引入大量氣泡，從而影響強度發(fā)展，因而玄武巖纖維更適用于改良裂縫修補材料。

2) 當玄武巖纖維摻量為1%時，裂縫修補材料的抗折強度和伸黏結(jié)強度最大。

3) 摻入玄武巖纖維可以使裂縫修補材料早期變形由收縮轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑴蛎洜顟B(tài)，從而起到很好的裂縫修復功能。