纖維混凝土抗裂防滲性能的試驗(yàn)研究

李文濤

（新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 前言

引水隧洞受地下水影響非常嚴(yán)重，實(shí)際營運(yùn)過程中會(huì)產(chǎn)生各種病害。根據(jù)調(diào)查，引水隧洞病害主要有滲漏、開裂及變形侵蝕等，其中滲水和混凝土開裂是最常見典型病害。

研究引水隧洞采用典型的一機(jī)一洞布置形式，尾水洞為變頂隧洞，單機(jī)最大引水流量為577 m3/s。引水隧洞內(nèi)徑為14 m。布置形式主要由進(jìn)口漸變段-上平段-上彎段-豎井段等組成。自投產(chǎn)運(yùn)營以來，受多種因素的影響，引水隧洞中部和頂部出現(xiàn)多條貫穿性裂縫，同時(shí)在流道放空檢查中，隧洞存在多處滲漏點(diǎn)和蜂窩狀腐蝕空洞，并伴隨露筋現(xiàn)象。

考慮實(shí)際工程需求，為提高混凝土的抗?jié)B性能和抗沖擊性能，進(jìn)行了三種摻合料（分別為鋼纖維、碳纖維和復(fù)合纖維）混凝土試樣的抗沖擊韌性和抗?jié)B透試驗(yàn)。此研究可為混凝土的抗裂防水性理論提供設(shè)計(jì)參數(shù)，提高引水隧洞的安全運(yùn)營能力。

1 混凝土抗沖擊性能試驗(yàn)

1.1 材料及性能

所用的水泥強(qiáng)度為C30；礦物摻合料選用粉煤灰；粗骨料和細(xì)骨料選用5～20 mm 的連續(xù)級配，級配合格產(chǎn)品；減水劑；碳纖維和鋼纖維具體物理性能參數(shù)見表1、表2、表3、表4。

表1 水泥物理力學(xué)性能表

表2 粉煤灰物理力學(xué)性能表

表3 碳纖維物理力學(xué)性能參數(shù)表

表4 鋼纖維物理力學(xué)性能參數(shù)表

1.2 試驗(yàn)方法

采用沖擊韌性試驗(yàn)的ACI 錘擊法進(jìn)行測試。試驗(yàn)的目的主要是研究混凝土的抗沖擊性能，以及分析混凝土的開裂情況。試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)落錘，質(zhì)量5 kg，沖擊高度為48 cm，試件尺寸為200 NN 80 mm，試件編號(hào)分別為OF01-OF07，其中OF01為基本混凝土，試件2混凝土摻雜鋼纖維含量0.50%，試件3混凝土摻雜鋼纖維含量1.50%，試件4 混凝土摻雜碳纖維含量0.20%，試件5混凝土摻雜鋼纖維含量0.50%、碳纖維0.20%，試件6混凝土摻雜1.50%鋼材纖維和0.60%碳纖維。

2 混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn)

根據(jù)目前研究，采用混凝土的抗?jié)B性能描述混凝土結(jié)構(gòu)耐久性比較合適。在此研究基礎(chǔ)上，通過抗?jié)B透試驗(yàn)獲取開裂混凝土的滲透系數(shù)，并進(jìn)一步分析纖維混凝土的抗?jié)B能力。

纖維混凝土摻雜纖維于上文試樣相同。試件尺寸半徑為9 cm，頂面半徑為8.50 cm，高16 cm，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為30 d。養(yǎng)護(hù)完成后進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)，水壓恒定為1.50 MPa，持續(xù)時(shí)間為24 h，然后讀取滲透系數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 混凝土抗沖擊性能分析

抗沖擊試驗(yàn)主要包含三個(gè)階段，分別為初裂階段、沖擊階段及終裂階段。通過三個(gè)階段求得各階段平均值以及差值對混凝土進(jìn)行沖擊韌性評價(jià)，統(tǒng)計(jì)不同混凝土試驗(yàn)的不同工況下的平均出裂次數(shù)以及抗沖擊耗能結(jié)果。不同纖維含量對混凝土沖擊韌性的影響見圖1、圖2。圖1結(jié)果表明，摻雜碳纖維、鋼纖維以及混合纖維的混凝土初裂沖擊次數(shù)不斷增多，這表明，纖維含量增多導(dǎo)致混凝土沖擊韌性性能不斷提升。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因是纖維含量的破壞過程的耗能主要用于纖維粘結(jié)作用。

圖2 結(jié)果表明，三種纖維含量摻雜到混凝土中，混凝土的抗沖擊性能大幅增加，其中OF01-OF07 試件的沖擊韌性能量分別為355.20 J、620.40 J、858.50 J、679.50 J、951.10 J、905.20 J和1 346.80 J。其中摻雜復(fù)合纖維的混凝土抗沖擊性能最大，究其原因主要是復(fù)合纖維的材料性能決定的。

3.2 混凝土抗?jié)B性能分析

混凝土的抗?jié)B性能試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合纖維混凝土的抗?jié)B性能最優(yōu)，而基本混凝土的抗?jié)B性能最差。主要原因是：①水泥和纖維的粘結(jié)作用可以降低混凝土的收縮，對混凝土骨料起到較好的支撐作用，顯著降低混凝土孔隙比，提升混凝土抗?jié)B透性能；②復(fù)合纖維混凝土的滲透系數(shù)最小，證明較其他兩種纖維，復(fù)合纖維易于形成強(qiáng)度較高的網(wǎng)絡(luò)孔隙，從而使得復(fù)合纖維混凝土的抗?jié)B性能優(yōu)于其他兩種纖維。

4 結(jié)論

為了研究引水隧洞混凝土的抗沖擊韌性和抗?jié)B性能，開展多種工況下的混凝土抗沖擊和抗?jié)B透試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：①抗沖擊試驗(yàn)表明，與基本混凝土抗沖擊韌性相比，摻雜三種纖維混凝土的出裂次數(shù)不斷增大，其中復(fù)合纖維的混凝土抗沖擊性能最優(yōu)，實(shí)際工程可選用摻雜復(fù)合纖維的混凝土進(jìn)行工程建設(shè)。②滲透試驗(yàn)表明，不摻和纖維的混凝土的滲透系數(shù)最大，而摻和混凝土纖維的混凝土滲透系數(shù)最小。這反映出，相較于其他兩種摻和纖維，復(fù)合纖維主要通過形成高強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)孔隙提高混凝土的抗?jié)B性能。