纖維與外摻料對錨碇混凝土抗裂及抗滲性能影響研究

宋 超 張 暉 鐘 翔 李北星

（1.中鐵建大橋工程局集團第一工程有限公司 遼寧大連 116033；2.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室 湖北武漢 430070）

1 引言

棋盤洲長江公路大橋主橋為主跨1 038 m單吊跨懸索橋，橋跨布置為340 m＋1 038 m＋305 m。北錨碇為重力式嵌巖錨，由錨塊、散索鞍支墩及基礎等組成，其中支墩基礎尺寸為60.0m×24.1m×6.6m，支墩尺寸為13.4 m×13.1 m×16.2 m，錨塊尺寸為60.0 m×35.357 m×33.064 m，混凝土設計強度C30（抗滲等級P12），均為大體積混凝土結構。大體積混凝土屬于易開裂結構，開裂主因是混凝土內部水化熱溫升過高引起的溫度應力過大［1-3］，同時也與混凝土硬化早期收縮變形過大有關［4-6］。錨碇絕大部分埋于巖土當中，長期接觸地下水或巖隙水，這對錨碇部位的混凝土提出了較高的抗滲耐久性要求，而混凝土的開裂將加速其耐久性劣化進程［7-8］。因此，錨碇大體積混凝土的抗裂防滲問題一直是工程界關注的焦點。

錨碇抗裂防滲大體積混凝土配合比設計除工作性和強度滿足設計和施工要求外，還應具有低水化熱、高抗滲性、良好的體積穩定性與較強的抗化學侵蝕性能。為提高錨碇大體積混凝土的抗裂與防滲性能，棋盤洲長江公路大橋錨碇大體積混凝土配制不僅采用了大摻量礦物摻合料與緩凝減水劑復摻的技術思路，也采用了一些外摻料和纖維對其進行改性。本文著重對抗滲劑和膨脹劑兩種外摻料、聚丙烯纖維及其復合對錨碇大摻量礦物摻合料混凝土的工作性能、抗壓強度、早期塑性收縮開裂、干縮性能、抗滲性及氯離子擴散系數的影響進行研究。

2 試驗方法與原材料

2.1 試驗原材料

（1）水泥：湖北黃岡亞東洋房牌P.O42.5水泥，抗壓強度3 d為26.0 MPa，28 d為50.9 MPa。

（2）粉煤灰：江蘇國信揚州發電有限責任公司F類Ⅰ級粉煤灰，45μm篩余 6.4%，需水量比90%，燒失量3.12%，28 d膠砂活性指數82%。

（3）礦粉：九江中冶環保資源開發有限責任公司S95礦粉，比表面積425 m2/kg，流動度比102%，燒失量2.31%，7 d、28 d膠砂活性指數分別為80%、97%。

（4）碎石：江西德安宏發石灰巖碎石，5～31.5mm連續級配，4.75～9.5mm、9.5～19mm與19～31.5 mm碎石按2∶5∶3搭配，壓碎值17.9%，針片狀顆粒含量2.7%，含泥量0.6%，泥塊含量0.1%。

（5）砂：湖北浠水巴河砂，Ⅱ區級配，細度模數2.82，含泥量1.1%，泥塊含量0.2%。

（6）減水劑：武漢東彭科技發展有限責任公司WLH-131緩凝型聚羧酸高性能減水劑，固含量24.2%，pH值6.3，減水率26%。

（7）抗滲劑：武漢浩盛特種建材有限責任公司KS-I型抗滲劑（粉劑），按JC 474-2008標準檢驗的滲透高度比為22.3%，吸水量比（48 h）為53.0%。

（8）膨脹劑：湖北諾克雷新型建材有限公司UEA-I型膨脹劑。

（9）聚丙烯纖維：湖北諾克雷新型建材有限公司聚丙烯單絲纖維，密度0.91 g/cm3，長度12.3 mm，直徑17.5μm。

（10）拌和用水：自來水。

2.2 配合比設計

表1為設計的錨碇6組大摻量礦物摻合料C30混凝土配合比。各組混凝土的膠凝材料用量固定為370 kg/m3，其中的粉煤灰、礦粉、抗滲劑、膨脹劑等礦物摻合料或外摻料的總摻量為55%（均為內摻），水膠比均為0.39。

表1 混凝土配合比設計

2.3 試驗方法

（1）混凝土坍落度及擴展度：依據《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T 50080-2016）進行。

（2）混凝土抗壓強度：依據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2002）進行。試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。

（3）混凝土塑性收縮開裂試驗：依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082-2009）的刀口約束法進行。平面薄板型模具尺寸為800 mm×600 mm×100 mm。試驗在溫度為（25±2）℃、相對濕度為（60±5）%的恒溫恒濕室中進行，試件表面風速為（5±0.5）m/s。以試件表面24 h的裂縫數目、寬度、長度的測定數據計算混凝土每條裂縫的平均開裂面積、單位面積的裂縫數目和單位面積上的總開裂面積。

（4）混凝土干燥收縮：依據 GB/T 50082-2009中的接觸法收縮試驗來測定。試件尺寸為100 mm×100 mm×515 mm。試件標準養護3 d后開始干縮試驗，干縮室溫度（20±2）℃、相對濕度（60±5）%。

（5）混凝土抗壓力水滲透性：依據GB/T 50082-2009中抗水滲透試驗逐級加壓法進行。試件為上口內徑175 mm、下口內徑185 mm、高度150 mm的圓臺體，每組6個試件。水壓從0.1 MPa開始，每隔8 h增加水壓0.1 MPa，加壓到1.3 MPa且保持壓力8 h后，各組的混凝土表面均沒有滲水，表明各混凝土抗滲等級均達到了設計要求的P12以上。為比較不同配合比混凝土的抗滲性能，將各組試件放在壓力機上沿圓臺面中線將試件劈裂開，測定其內部滲水高度。

（6）混凝土抗氯離子滲透性：依據 GB/T 50082-2009中RCM法抗氯離子滲透試驗測定氯離子擴散系數。試件尺寸為φ100 mm×50 mm，養護齡期分別為28 d、56 d，測試儀器為RCM-D型全自動混凝土氯離子擴散系數快速測定儀。

3 試驗結論與討論

3.1 聚丙烯纖維與外摻料對混凝土工作性與抗壓強度的影響

由表1可以看出，在相同外加劑用量下，各組混凝土拌合物的坍落度在185～210 mm，擴展度在450～500 mm范圍波動。相比而言，摻加抗滲劑對混凝土的流動性影響小，而摻加膨脹劑或聚丙烯纖維均會略微降低混凝土的流動性。

圖1為各組混凝土試件7 d和28 d的抗壓強度數據。與空白樣C0相比，外摻0.75 kg/m3聚丙烯纖維的混凝土28 d抗壓強度提高了6.8%，內摻6%抗滲劑、8%膨脹劑的混凝土28 d抗壓強度降低了13.2%、5.9%；抗滲劑、膨脹劑分別與聚丙烯纖維復摻后，混凝土抗壓強度的下降有所減弱。聚丙烯纖維在混凝土中呈均勻錯亂分布，有利于防止混凝土離析，提高混凝土的勻質性，并阻止原生裂縫的產生和發展，從而提高抗壓強度［9-10］；抗滲劑、膨脹劑在本試驗中采用的是替代粉煤灰、礦粉的方式摻入，二者活性不如粉煤灰和礦粉，對混凝土的強度有一定的負面影響，尤其是抗滲劑，但所有6組配比混凝土的28 d抗壓強度均滿足C30混凝土的配制強度要求（≥38.2 MPa）。

圖1 混凝土7 d和28 d抗壓強度

3.2 聚丙烯纖維與外摻料對混凝土早期塑性收縮開裂的影響

表2為6組混凝土的早期塑性開裂結果。可以看出，外摻聚丙烯纖維、內摻抗滲劑或膨脹劑均改善了混凝土早期抗塑性收縮開裂性能。其中，聚丙烯纖維的改善效果最為顯著，與空白樣C0相比，最大裂縫寬度降低了70.2%，單位面積上的總開裂面積降低了69.1%，表明聚丙烯纖維對混凝土早期塑性收縮開裂性能的改善作用除了細化裂縫外，還可以阻止混凝土中原生裂縫的發生和擴展。相較于聚丙烯纖維，抗滲劑、膨脹劑抑制混凝土塑性收縮開裂的能力相對有限。聚丙烯纖維對混凝土塑性收縮開裂的改善，一方面是由于存在于混凝土表層的纖維阻止了表面水分的遷移，從而降低了毛細管失水收縮形成的毛細管張力；另一方面是纖維在混凝土中形成了均勻的三維亂向分布，纖維與水泥漿之間存在界面吸附粘結力、機械咬合力等，有效削弱了塑性收縮，收縮應力和能量被分散到每立方米混凝土數千萬條具有高抗拉強度而彈性模量相對較低的纖維單絲上，增強了塑性抗拉強度，抑制了微細裂縫的產生和發展。

與抗滲劑或膨脹劑單摻的試樣CS、CP相比，聚丙烯纖維與抗滲劑或膨脹劑復摻的試樣CSX、CPX的裂縫寬度進一步降低，單位面積上的開裂面積進一步下降，但CSX、CPX相比單摻聚丙烯纖維的CX試樣的開裂面積不僅沒有降低，反而有較大上升，沒有出現抗滲劑＋纖維、膨脹劑＋纖維的協同效應。上述單摻8%膨脹劑的CP試樣抗塑性收縮開裂有所改善，說明膨脹劑發揮了補償收縮作用，而復摻（8%膨脹劑＋0.75 kg/m3聚丙烯纖維）的CPX試樣抗裂性又不如CX試樣，說明膨脹劑又劣化了混凝土的抗裂性，這可能與塑性收縮開裂試驗的干燥環境條件限制有關，膨脹劑未能得到充分水化形成膨脹性的鈣礬石或膨脹劑的膨脹作用發揮不穩定。

表2 混凝土早期塑性開裂試驗結果

3.3 聚丙烯纖維與外摻料對混凝土干燥收縮性能的影響

圖2是內摻抗滲劑、膨脹劑對混凝土干燥收縮的影響。結果顯示，在28 d內干縮發展迅速，在28～60 d之間的干縮發展變得緩慢，60 d之后趨于穩定。空白樣C0的120 d干縮值為349.5×10-6，摻加6%抗滲劑混凝土、8%膨脹劑混凝土的干燥收縮分別降低了4.6%和16.7%。抗滲劑具有堵塞混凝土毛細孔作用，延緩了水分散失，小幅降低混凝土的干縮；膨脹劑與水泥的水化產物發生水化反應而生成膨脹性的水化產物鈣礬石（AFt），補償混凝土的干燥收縮，對干縮有明顯的降低效果。

圖2 外摻料對干燥收縮率的影響曲線

圖3為外摻聚丙烯纖維對混凝土干燥收縮的影響。結果表明，摻加聚丙烯纖維并沒有改變混凝土干縮隨時間的發展規律，但有效地抑制了混凝土的長期干縮。在空白樣C0中，摻加0.75 kg/m3后，其120 d干燥收縮降低了14.8%。基于復合材料理論，三維亂向分布在混凝土中的纖維增強材料一方面約束了混凝土中漿體的體積變形，另一方面有效阻隔水分散失的通道，從而降低了混凝土的干燥收縮率［11］。

圖3 聚丙烯纖維對干燥收縮率的影響曲線

圖4為復合摻加（抗滲劑＋纖維）、（膨脹劑＋纖維）對混凝土干燥收縮的影響規律。圖5比較了摻加抗滲劑、膨脹劑、纖維及其復合條件下混凝土的120 d干燥收縮。結果表明，聚丙烯纖維和抗滲劑或聚丙烯纖維和膨脹劑的復摻，均取得了比單摻任一改性材料更好地抑制干縮的效果。對于復摻（8%膨脹劑＋0.75 kg/m3聚丙烯纖維）的CPX，其120 d干縮較空白樣C0降低了28.3%，較單摻8%膨脹劑的CP降低了14.0%，較單摻0.75 kg/m3聚丙烯纖維的CX降低了15.9%。

圖4 外摻料與纖維復摻對干燥收縮率的影響曲線

圖5 各組試件的120 d干燥收縮率

單從干燥收縮的大小分析，本試驗摻量范圍內，抑制混凝土干燥收縮效果依次為：復摻（8%膨脹劑＋0.75 kg/m3聚丙烯纖維）＞復摻（6%抗滲劑＋0.75 kg/m3聚丙烯纖維）＞8%膨脹劑＞0.75 kg/m3聚丙烯纖維＞6%抗滲劑。考慮此前聚丙烯纖維在改善混凝土早期塑性收縮開裂方面的獨特效果，同時從抑制混凝土的塑性收縮和干燥收縮角度出發，認為復合摻加（膨脹劑＋聚丙烯纖維）的抗裂作用效果優于單摻聚丙烯纖維或膨脹劑的效果。

3.4 外摻料與聚丙烯纖維對混凝土抗氯離子滲透性的影響

圖6為各組試件的氯離子擴散系數結果。結果表明，各組試件的56 d氯離子擴散系數均較28 d有大幅降低，這主要源于混凝土中的大摻量礦物摻合料在水化后期的二次水化反應，使得混凝土孔結構進一步密實。對比各組試件的56 d氯離子擴散系數值，本試驗摻量范圍內，復摻（8%膨脹劑＋0.75 kg/m3聚丙烯纖維）的CPX≈復摻（6%抗滲劑＋0.75 kg/m3聚丙烯纖維）的CSX＜8%膨脹劑的CP＜6%抗滲劑的CS＜0.75 kg/m3聚丙烯纖維的CX＜空白樣C0。說明膨脹劑和抗滲劑對抗氯離子滲透性的改善效果優于聚丙烯纖維，膨脹劑或抗滲劑與聚丙烯纖維的復摻改善效果更佳。

膨脹劑發生水化作用產生膨脹性的鈣礬石，填充于毛細孔隙中可以致密混凝土的結構，并補償混凝土的收縮，阻止微裂縫的產生，因此提高了混凝土的抗氯離子滲透性。該抗滲劑的主要作用是物理填充作用，水化作用相對較弱，所以顯著降低混凝土28 d氯離子擴散系數，而對56 d氯離子擴散系數的降低能力不如膨脹劑。均勻分布在混凝土中的數以千萬計的聚丙烯纖維單絲，一是可以阻止混凝土的離析，提高混凝土的均勻性；二是可以起到阻斷混凝土內毛細作用的效果；三是可以分散內部應力，阻礙混凝土內部原生裂縫的產生和發展，從而使得混凝土的抗氯離子滲透性增強［12］。

圖6 各組試件的氯離子擴散系數

3.5 外摻料與聚丙烯纖維對混凝土抗壓力水滲透性的影響

圖7為各組試件在1.3 MPa壓力水滲透作用下的滲水高度結果。結果表明，復摻（膨脹劑＋聚丙烯纖維）的CPX對混凝土抗壓力水滲透性能的改善效果最佳，其次是復摻（抗滲劑＋聚丙烯纖維）的CSX。相較于空白樣C0，單摻0.75 kg/m3聚丙烯纖維的CX、6%抗滲劑的CS、8%膨脹劑的CP三組試樣的滲水高度分別降低了42.6%、27.9%、37.1%；復摻（6%抗滲劑＋0.75 kg/m3聚丙烯纖維）的 CSX、（8%膨脹劑 ＋0.75 kg/m3聚丙烯纖維）的CPX二組試樣的滲水高度分別降低了47.9%、54.9%。單從滲水高度的大小分析，三種改性材料對混凝土抗壓力水滲透性能的改善效果大小依次為：聚丙烯纖維＞膨脹劑＞抗滲劑，與三者對混凝土抗氯離子滲透性的改善效果并不完全一致。

圖7 各組試件的滲水高度

4 結論

（1）錨碇大摻量礦物摻合料混凝土中摻入0.75 kg/m3聚丙烯纖維略微降低混凝土流動性，稍微增加混凝土強度；摻入6%抗滲劑對混凝土流動性影響小，但顯著降低混凝土強度；摻入8%膨脹劑對混凝土流動性和強度均有輕微不利影響。

（2）單摻0.75 kg/m3聚丙烯纖維能顯著改善錨碇大摻量礦物摻合料混凝土的抗早期塑性收縮開裂性能，并對抑制干縮具有較為顯著的效果；膨脹劑的補償收縮作用能夠有效地降低混凝土的干縮，而抗滲劑對抑制混凝土干縮效果不佳。

（3）聚丙烯纖維、膨脹劑和抗滲劑均可以改善錨碇大摻量礦物摻合料混凝土的抗滲性，其中膨脹劑、抗滲劑對抗氯離子滲透性的改善效果優于聚丙烯纖維，而聚丙烯纖維對抗壓力水滲透性的改善效果優于膨脹劑和抗滲劑。

（4）復合摻加聚丙烯纖維與膨脹劑抑制混凝土干縮和改善抗滲性的綜合效果優于復摻聚丙烯纖維與抗滲劑。因此，采用復摻（聚丙烯纖維＋膨脹劑）的復合改性技術，是提高錨碇大摻量礦物摻合料大體積混凝土抗裂防滲性能比較理想的技術路線。