混摻纖維對(duì)復(fù)合鹽侵蝕環(huán)境下水工混凝土性能的影響

唐英權(quán)

(東莞市正源工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司,廣東 東莞 523012)

1 概述

我國(guó)的西北和東部沿海地區(qū)有大面積的鹽漬區(qū)分布，其土壤和水體中的含鹽量較高，會(huì)對(duì)水利工程結(jié)構(gòu)，特別是大體積混凝土結(jié)構(gòu)造成比較明顯的侵蝕，不利于工程耐久性的提升[1]。而鹽漬區(qū)的水利工程服役年限普遍較低，且經(jīng)常需要修繕加固，造成了比較大的人力和物力浪費(fèi)[2]。因此，提高水利工程結(jié)構(gòu)鹽類侵蝕作用下的耐久性具有十分重要的意義。

鹽湖和濱海鹽漬區(qū)的水體和土壤中所含的鹽分是復(fù)雜的，屬于十分典型的復(fù)合鹽環(huán)境條件，其對(duì)水工混凝土的侵蝕作用與單一鹽環(huán)境存在一定的差別[3]。從目前的研究現(xiàn)狀來(lái)看，關(guān)于水工混凝土侵蝕作用的研究主要針對(duì)單一鹽類開展，針對(duì)復(fù)合鹽的研究不多。另一方面，諸多學(xué)者也在水工混凝土抗侵蝕作用方面進(jìn)行了研究和探索。相關(guān)成果和工程經(jīng)驗(yàn)顯示，在水工混凝土中加入一定的纖維材料，可以顯著改善水工混凝土在鹽類侵蝕作用下的物理和力學(xué)性能，而此類研究主要針對(duì)單一纖維展開，針對(duì)混摻纖維的研究不多[4]?；诖耍敬窝芯窟x擇硫酸鈉、氯化鎂和氯化鈉3種鹽類，鋼纖維和聚丙烯纖維2種常用纖維，展開復(fù)合鹽侵蝕條件下混摻纖維對(duì)水工混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)，以期為理論建設(shè)和工程應(yīng)用提供支持和借鑒。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

研究中選擇水工建設(shè)領(lǐng)域常用的C30混凝土。在混凝土制作過(guò)程中使用水泥和粉煤灰2種主要膠凝材料。其中水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰為電廠二級(jí)粉煤灰。對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行測(cè)定，2種主要膠凝材料的物理性質(zhì)和化學(xué)組成見表1—2。

表1 試驗(yàn)用膠凝材料物理性能

表2 膠凝材料化學(xué)組成

試驗(yàn)中的骨料包括粗骨料和細(xì)骨料，其中，細(xì)骨料為天然河沙，其粒徑范圍為0.15～4.75mm，為中砂，其堆積密度為2260kg/m3，含泥量不超過(guò)3.5%。粗骨料為人工石灰?guī)r碎石，其堆積密度為2372kg/m3；壓碎指標(biāo)為6.5%。

試驗(yàn)用纖維為鋼纖維和聚丙烯纖維。其中，鋼纖維為波浪形鋼纖維。長(zhǎng)度為38mm，彈性模量為200GPa，抗拉強(qiáng)度為1250MPa；聚丙烯纖維抗拉強(qiáng)度為1550MPa，彈性模量為36GPa，密度為0.89g/cm3。

試驗(yàn)用水為普通自來(lái)水，試驗(yàn)用減水劑聚羥酸高效減水劑，其推薦摻量為0.2%。

2.2 試驗(yàn)方案

在試驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，按照DL/T 5330—2015《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》中的相關(guān)要求確定水工C30普通混凝土的基礎(chǔ)配合比[5]。其中，水泥、粉煤灰、水、砂、粗骨料的每1m2用量分別為305、85、175、837、1020kg。由于聚丙烯纖維和鋼纖維的密度相差較大，為保證試驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性和有效性，在試驗(yàn)中以體積比確定纖維的具體摻量水平[6]。為了對(duì)比單摻纖維和混摻纖維的工程效果，試驗(yàn)中以單摻0%、0.5%、1.0%和1.5%的摻加比例進(jìn)行摻加，獲得7種單摻試驗(yàn)方案。然后保持總摻加量為0.5%、1.0%和1.5%，設(shè)置鋼纖維和聚丙烯纖維以4∶1(比例1)、2∶1(比例2)、1∶1(比例3)、1∶2(比例4)、1∶4(比例5)等5種不同的摻加比例確定15種纖維混摻方案。對(duì)上述22種試驗(yàn)方案進(jìn)行復(fù)合鹽侵蝕條件下的質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)彈模量以及抗壓強(qiáng)度損失率的試驗(yàn)，以探討混摻纖維對(duì)水工混凝土抗復(fù)合鹽侵蝕性能的影響。

2.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中結(jié)合我國(guó)鹽漬區(qū)土壤和水體中鹽類分布的實(shí)際情況，選擇硫酸鈉、氯化鎂和氯化鈉等3種巖類制作復(fù)合鹽溶液，3種鹽類的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、5%和3.5%。為了減小酸堿度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)期間要利用pH試紙對(duì)混合溶液的pH值進(jìn)行測(cè)量，偏差較大時(shí)利用純濃硫酸進(jìn)行調(diào)整[7]。侵蝕試驗(yàn)采用干濕交替的方式進(jìn)行，其中1個(gè)干濕試驗(yàn)循環(huán)浸泡15h，室溫晾干1h，烘干7h，室內(nèi)降溫1h，共24h，試驗(yàn)中進(jìn)行150次循環(huán)試驗(yàn)[8]。試驗(yàn)前后需要測(cè)量試件的質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度和相對(duì)動(dòng)彈模量。其中，試件質(zhì)量使用天平測(cè)量；動(dòng)彈模量使用非金屬超聲波檢測(cè)儀測(cè)試；抗壓強(qiáng)度使用全自動(dòng)壓力機(jī)測(cè)試。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 質(zhì)量損失率

根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中各方案的質(zhì)量測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算出不同試驗(yàn)方案的質(zhì)量損失率，然后繪制出單摻和混摻纖維條件下的質(zhì)量損失率變化曲線，結(jié)果如圖1—2所示。由圖1可見，與鋼纖維相比，單摻聚丙烯纖維在降低混凝土在復(fù)合鹽侵蝕條件下的質(zhì)量損失率具有顯著的優(yōu)勢(shì)，其最佳摻量為0.5%，再增加摻量質(zhì)量損失率反而會(huì)明顯增大。

圖1 單摻方案質(zhì)量損失率變化曲線

由圖2可見，與單摻纖維相比，混摻纖維方案在降低復(fù)合鹽侵蝕條件下水工混凝土的質(zhì)量損失率方面的作用更為明顯。究其原因，主要是摻入2種纖維時(shí)可以充分發(fā)揮2種纖維各自的性能優(yōu)勢(shì)，從而提高混凝土的密實(shí)度，有效抑制內(nèi)部不同性質(zhì)裂縫的發(fā)展，從而提高混凝土的抗復(fù)合鹽侵蝕作用。從不同摻加比例方案的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，在比例1、比例4和比例5條件下，試件的質(zhì)量損失率隨著纖維總摻量的增加呈現(xiàn)出波動(dòng)減小的變化趨勢(shì)。要獲得比較良好的質(zhì)量損失率控制效果，需要較大的纖維總摻量，這顯然不利于工程經(jīng)濟(jì)性的發(fā)揮。在比例2和比例3條件下，質(zhì)量損失率呈現(xiàn)出穩(wěn)步減小的變化特點(diǎn)。其中，比例2要取得良好的工程效果，也需要較大的摻入量，而比例3條件下僅需要較小的摻入量即可獲得明顯的質(zhì)量損失率控制效果。

圖2 混摻方案質(zhì)量損失率變化曲線

3.2 抗壓強(qiáng)度損失率

根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中各方案的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)，計(jì)算出不同試驗(yàn)方案的抗壓強(qiáng)度損失率，繪制出單摻和混摻纖維條件下的抗壓強(qiáng)度損失率變化曲線，結(jié)果如圖3—4所示。由圖3和圖4可以看出，抗壓強(qiáng)度損失率和質(zhì)量損失率的變化特征類似。首先，在單摻纖維條件下，聚丙烯纖維具有顯著的優(yōu)勢(shì)，其最佳摻量為0.5%。其次，混摻纖維在降低復(fù)合鹽侵蝕條件下水工混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率方面的作用更為明顯，其原因和質(zhì)量損失率類似，這里不再敷述。最后，從不同摻加比例方案對(duì)比來(lái)看，在比例1、比例4和比例5條件下，試件的抗壓強(qiáng)度損失率隨著纖維總摻量的增加呈現(xiàn)出波動(dòng)減小的變化趨勢(shì)；在比例2和比例3條件下，抗壓強(qiáng)度損失率呈現(xiàn)出穩(wěn)步減小的變化特點(diǎn)。此外，比例1、比例2、比例4和比例5方案要獲得比較良好的抗壓強(qiáng)度損失率控制效果，需要較大的纖維總摻量，而比例3條件下僅需要較小的摻入量即可獲得明顯的抗壓強(qiáng)度損失率控制效果。

圖3 單摻方案抗壓強(qiáng)度損失率變化曲線

圖4 混摻方案抗壓強(qiáng)度損失率變化曲線

3.3 相對(duì)動(dòng)彈模量

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出不同方案試驗(yàn)結(jié)束后試件的相對(duì)動(dòng)彈模量，如圖5所示，在水工混凝土中摻加纖維可以顯著提高其復(fù)合鹽侵蝕作用下的相對(duì)動(dòng)彈模量，且相對(duì)動(dòng)彈模量隨著2種纖維單摻摻量的增加而增大。2種纖維相比，鋼纖維具有對(duì)比優(yōu)勢(shì)，但是優(yōu)勢(shì)并不明顯。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制出單摻和復(fù)摻纖維方案下相對(duì)動(dòng)彈模量變化曲線，如圖6所示，混摻纖維與單摻纖維相比，可以更有效提升復(fù)合鹽侵蝕作用下水工混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量。從具體的變化趨勢(shì)來(lái)看，隨著總摻量的增大，除比例5外，其余各種不同摻加比例方案的相對(duì)動(dòng)彈模量均呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)。因此，大幅提高纖維摻量并不能獲得更好的相對(duì)動(dòng)彈模量改善效果，原因是過(guò)多的纖維摻入會(huì)影響混凝土內(nèi)部的密實(shí)度以及纖維的均勻分布。從不同方案的對(duì)比來(lái)看，比例3在總摻量為1%時(shí)的相對(duì)動(dòng)彈模量最大，為最優(yōu)摻加比例和摻加量。

圖5 單摻方案相對(duì)動(dòng)彈模量變化曲線

圖6 混摻方案相對(duì)動(dòng)彈模量變化曲線

4 結(jié)語(yǔ)

在水工混凝土中摻入一定量的纖維可以有效改善混凝土的性能，具有廣闊的發(fā)展前景和工程應(yīng)用空間。本文以室內(nèi)試驗(yàn)的方式，探討了復(fù)摻聚丙烯纖維和鋼纖維對(duì)復(fù)合鹽侵蝕條件下水工混凝土性能的影響，結(jié)果顯示復(fù)摻纖維的效果明顯優(yōu)于單摻纖維，并給出了最佳的復(fù)摻方案，可以給工程應(yīng)用和相關(guān)理論研究提供有益的借鑒和思考。此次研究?jī)H針對(duì)聚丙烯纖維和鋼纖維展開，而目前用于水工混凝土的纖維種類較多，在今后的研究中需要針對(duì)其他纖維種類復(fù)摻方案展開更廣泛的研究，以便獲得更具有理論和工程實(shí)用價(jià)值的研究成果。