基于硅粉對(duì)鋼纖維水工混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

王恒林

(大連市碧流河水庫有限公司，遼寧 大連 116200)

隨著水利工程中硅酸鹽水泥的廣泛應(yīng)用，在不利因素作用下未添加摻合料的混凝土均會(huì)受到不同程度的破壞[1]。水工隧洞受水流的長(zhǎng)期沖刷易出現(xiàn)空蝕破壞，特別是北方寒冷地區(qū)凍融破壞還是誘發(fā)水工結(jié)構(gòu)安全隱患的關(guān)鍵因素。硅粉作為納米級(jí)顆粒約為水泥的1/100，在混凝土中這種極細(xì)顆粒的作用機(jī)理包括微填料效應(yīng)和火山灰效應(yīng)。將適量硅粉摻入混凝土中有利于改善其耐久性和力學(xué)性能，而鋼纖維的摻入能夠改善混凝土密實(shí)性，可以控制早期硬化裂縫的形成與發(fā)展[2-6]。考慮到單摻硅粉或鋼纖維的水工混凝土缺陷，文章利用鋼纖維抑制硅粉混凝土早期干縮現(xiàn)象及硅粉增加混凝土與鋼纖維之間黏結(jié)力的優(yōu)點(diǎn)，采用鋼纖維與硅粉混摻的方式達(dá)到兩者互補(bǔ)的目的，通過試驗(yàn)研究設(shè)計(jì)力學(xué)性能最好的配合比。

1 混凝土配合比

1.1 試驗(yàn)原材料

1)水泥。采用海螺P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)性能及礦物化學(xué)組成按《通用硅酸鹽水泥》，力學(xué)性能符合安定性、凝結(jié)時(shí)間、標(biāo)稠用水量等標(biāo)準(zhǔn)要求。

2)粗、細(xì)骨料。碎石選用石灰?guī)r，堆積體密實(shí)干密度1.70g/cm3，松散干密度1.56g/cm3，表觀密度2.80g/cm3，最大粒徑10mm，壓碎值符合建筑用碎石和卵石要求。細(xì)骨料選用河砂，細(xì)度模數(shù)2.80，表觀密度2.65g/cm3，堆積體密實(shí)干密度1.62g/cm3，松散干密度1.45g/cm3。

3)硅粉。硅粉密度為2.10g/m3，考慮到硅粉摻量不超過20t，故按照硅粉品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)暫行規(guī)定不檢測(cè)其均勻性，質(zhì)量指標(biāo)如表1所示。

表1 硅粉質(zhì)量參數(shù)

4)鋼纖維。試驗(yàn)所用波浪型鋼纖維力學(xué)性能指標(biāo)如表2所示，由河北漢東鋼纖維有限公司提供。

表2 鋼纖維力學(xué)性能

5)外加劑。采用科諾QW-4聚羧酸高效減水劑，28d抗壓強(qiáng)度比110%，摻量為0.5%-0.7%時(shí)減水率達(dá)到15%-20%。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

控制混凝土坍落度200±20mm以滿足施工要求，混凝土中摻入硅粉后坍落度顯著降低，為了補(bǔ)償坍落度的下降可以調(diào)整高效減水劑摻量。研究表明，鋼纖維摻量不超過0.5%時(shí)的增強(qiáng)作用不明顯，而鋼纖維摻量過高又會(huì)加大施工攪拌難度，無法保證鋼纖維分布均勻性，摻量為0.8%時(shí)能夠使抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)作用達(dá)到最佳，故選用80kg/m3作為鋼纖維摻量[7-8]。

采用等量取代的方式將硅粉摻入混凝土中，硅粉摻量取0%、10%、15%、20%四種，并利用正交法設(shè)計(jì)混凝土配合比，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30、C35、C40，將試驗(yàn)材料依據(jù)上述配比劃分成12組?？茖W(xué)計(jì)算混凝土中外加劑、拌合水和粗細(xì)骨料用量，試多次拌后測(cè)定其塌落度，觀察保水性和黏聚性均符合要求后確定基準(zhǔn)配合比，以等量取代的方式將不同摻量的礦粉加入拌合物中，配置不同水灰比的混凝土，觀察其和易性并測(cè)定其塌落度，然后裝模成型放置標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)，摻硅粉配合比及基準(zhǔn)配合比如表3所示。

表3 混凝土配合比

2 試驗(yàn)與分析

2.1 抗壓試驗(yàn)

抗壓強(qiáng)度選用150mm×150mm×150mm試樣檢測(cè)，按設(shè)計(jì)配合比配制成型后放入HBY-Ⅲ型標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(濕度≥98%、溫度20℃±2℃)養(yǎng)護(hù)至28d，利用HYE-2000BD型壓力試驗(yàn)機(jī)按《鋼纖維混凝土實(shí)驗(yàn)方法》操作流程測(cè)試件強(qiáng)度，多次凍融循環(huán)后的鋼纖維硅粉混凝土抗壓強(qiáng)度也按該方法測(cè)試。

2.2 凍融試驗(yàn)

在養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期的前4d，從養(yǎng)護(hù)室內(nèi)至取出試件檢查其外觀，然后放入15℃-20℃水中浸泡至規(guī)定齡期，完成浸泡后稱重，并利用HDK-9型快速凍融試驗(yàn)機(jī)開始凍融試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中將原配套橡膠桶模具改裝成鋼板模具，尺寸從原來的400mm×100mm×100m改為150mm×150mm×150mm，在機(jī)器右臂中間及底板位置處HDK-9型快速凍融試驗(yàn)機(jī)有3個(gè)冷凍劑循環(huán)通道，試件放置時(shí)要防止通道被堵塞，以防出現(xiàn)高壓保護(hù)影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)。凍、融循環(huán)過程中控制試樣中心溫度為-16℃±2℃和8℃±2℃，凍融循環(huán)時(shí)溫度從-15℃逐漸上升到6℃，控制內(nèi)外溫差≤28℃。

2.3 動(dòng)彈性模量試驗(yàn)

凍融循環(huán)每隔25次利用DT-W18動(dòng)彈模量測(cè)定儀測(cè)定一次橫向基頻，每次測(cè)量前除去混凝土表面浮渣和積水，結(jié)合外部損傷情況測(cè)定其重量損失。結(jié)合測(cè)量結(jié)果，利用下式計(jì)算動(dòng)彈性模量，即：

Ed=13.244×10-4WL3f2/a4

(1)

式中：W為試件的質(zhì)量，kg；L為高度，mm；a為截面長(zhǎng)度，mm；f為試件的基振頻率，Hz。

2.4 結(jié)果與分析

混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量損失率、凍融循環(huán)質(zhì)量損失率以及抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)如表4所示。從表4可以看出，較基準(zhǔn)組試件摻硅粉的鋼纖維混凝土強(qiáng)度有所增大，并且隨硅粉摻量增加表現(xiàn)出先增大后減少的變化趨勢(shì)，抗壓強(qiáng)度值在10%硅粉摻量時(shí)達(dá)到最大。由于混凝土中摻入的硅粉顆粒與水接觸后能夠快速溶解，并與水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)生成C-S-H凝膠均勻分布于水泥顆粒之間，凝膠增強(qiáng)了骨料與鋼纖維間的黏結(jié)力，從而使得試件的抗壓強(qiáng)度有所提高。隨著硅粉摻量的不斷增加水泥水化生成的Ca(OH)2完全反應(yīng)，因無法形成新的凝膠使得試件抗壓強(qiáng)度下降。

表4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

通過分析凍融循環(huán)下抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)可知，凍融循環(huán)達(dá)到50次時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度值有所增大，混凝土內(nèi)部受凍融循環(huán)作用開始出現(xiàn)損傷，損傷不斷積累內(nèi)部出現(xiàn)裂縫，但并未擴(kuò)展連通，該階段混凝土試件還具備一定的剛度；凍融循環(huán)超過50次時(shí)抗壓強(qiáng)度值明顯下降，凍融循環(huán)達(dá)到75次時(shí)摻10%、15%、20%硅粉的鋼纖維混凝土強(qiáng)度下降了約8%、26%、26%。深入分析，混凝土內(nèi)部孔徑因硅粉的填充作用明顯減小，通道變細(xì)增加了水分轉(zhuǎn)移難度，但硅粉摻量達(dá)到一定界限時(shí)，隨硅粉摻量的增加混凝土抗凍性不再提高。凍融循環(huán)達(dá)到150次時(shí)3種硅粉摻量的抗壓強(qiáng)度均下降了近50%，混凝土抗凍性隨凍融次數(shù)的增加快速下降。隨凍融次數(shù)的增加混凝土試件表面開始變得粗糙，水泥砂漿逐漸脫落，部分鋼纖維和細(xì)骨料裸露在外，混凝土表面開始脫落個(gè)別試件甚至出現(xiàn)棱角掉落。此外，相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失率均隨著凍融系數(shù)的增加而增大，由于混凝土試件的水泥砂漿未產(chǎn)生剝落而吸水率增加使得部分質(zhì)量損失率為負(fù)值。

3 結(jié) 論

1)將硅粉摻入鋼纖維混凝土中能夠生成凝膠，凝膠的存在增大了混凝土骨料與鋼纖維之間的黏結(jié)力，從而使得抗壓強(qiáng)度提高，混凝土抗壓強(qiáng)度隨硅粉摻量的增加表現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)。

2)將硅粉摻入鋼纖維混凝土中能夠充分發(fā)揮硅粉的填充作用，從而改善其抗凍性能。隨凍融次數(shù)的增加混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量損失率和質(zhì)量損失率隨之增大，硅粉摻量為10%時(shí)混凝土抗凍性最好，抗壓強(qiáng)度值最高。