纖維素纖維水工混凝土力學(xué)與抗?jié)B試驗(yàn)研究

靳 璐

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院 檢測試驗(yàn)研究中心，烏魯木齊 830000)

1 概 述

隨著我國水利工程建設(shè)規(guī)模的不斷提升，大型地下洞室工程的數(shù)量不斷增多。在地下洞室工程建設(shè)領(lǐng)域，襯砌結(jié)構(gòu)滲漏水已經(jīng)成為通病，不僅影響到工程建設(shè)的順利進(jìn)行，同時也給后期的運(yùn)行安全造成諸多困擾。從其原因和具體表征來看，襯砌結(jié)構(gòu)開裂造成的滲漏水主要出現(xiàn)在澆筑后的服役階段，偶爾也會出現(xiàn)在澆筑期間[1]。因此，地下洞室工程的結(jié)構(gòu)抗?jié)B防水就成為工程設(shè)計和建設(shè)中所面監(jiān)的重要問題。在具體施工過程中，一般采用多道設(shè)防、以防為主、剛?cè)峤Y(jié)合、因地制宜、綜合治理的原則[2]，建立混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的自防水體系，通過優(yōu)化混凝土材料及配合比，減少混凝土施工和工程運(yùn)行期間的裂縫產(chǎn)生，提升襯砌結(jié)構(gòu)的抗?jié)B防水性能。在當(dāng)前的水工混凝土防裂抗?jié)B研究領(lǐng)域，纖維混凝土是重要的發(fā)展方向，而目前應(yīng)用最為廣泛的是鋼纖維混凝土和聚丙烯纖維混凝土[3]。但是，相關(guān)研究表明，纖維素纖維混凝土與上述兩種纖維混凝土相比，其抗裂防滲性能更佳[4]。基于此，本文通過室內(nèi)試驗(yàn)的方式，探討不同纖維素纖維和膨脹劑摻量對混凝土力學(xué)性能和抗?jié)B性能的影響，以期為相關(guān)研究和工程應(yīng)用提供必要的支持和借鑒。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

水泥是水工混凝土的主要膠凝材料，對混凝土的物理力學(xué)性能和抗?jié)B性具有重要影響。此次試驗(yàn)配置的是C40水工抗?jié)B防水混凝土，因此選用海螺水泥廠出品的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。經(jīng)抽樣試驗(yàn)，水泥樣品的初凝時間為180 min，終凝時間為225 min，28 d抗壓強(qiáng)度為52.3 MPa，28 d抗折強(qiáng)度為8.8 MPa，比表面積為368.4 m2/kg。

試驗(yàn)用細(xì)骨料為級配良好、質(zhì)地堅硬的河沙，其粒徑不大于4.75 mm，細(xì)度模數(shù)在2.73～2.85之間，含泥量小于1.6%；試驗(yàn)用粗骨料為5～20 mm的連續(xù)級配人工石灰?guī)r碎石，其堆積密度為1 450 kg/m3，壓碎指標(biāo)為5.8%，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足試驗(yàn)要求。

水工混凝土制作中可以用一定量的粉煤灰代替水泥，不僅可以提高混凝土的綠色環(huán)保屬性，還可以改善水工混凝土的物理力學(xué)性能和耐久性。此次試驗(yàn)中采用的是平圩電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，其細(xì)度模數(shù)為14%，需水量為98.7%，燒失量為2.25%，安定性良好。

在水工混凝土中加入適量的膨脹劑，可以使混凝土在硬化過程中產(chǎn)生一定量的膨脹，抵消混凝土的干縮效應(yīng)，對防止混凝土的收縮開裂具有重要作用[5]。結(jié)合水工混凝土的工作環(huán)境，此次試驗(yàn)選用的是合肥廬江創(chuàng)科牌膨脹劑，主要成分是氧化鈣、氧化鎂、鋁酸鈣熟料、硫鋁酸鈣熟料，具有低摻高效的特點(diǎn)。

試驗(yàn)用纖維素纖維為武漢鼎強(qiáng)牌纖維素纖維，是選取高寒地區(qū)的特殊植物纖維經(jīng)過機(jī)械加工和化學(xué)處理制成，具有良好的親水性和高彈性模量，可以有效防止混凝土的收縮裂縫。經(jīng)過樣品檢驗(yàn)，其密度為1.1 g/cm3、長度為2～3 mm、抗拉強(qiáng)度為950 MPa，彈性模量為9.2 GPa，極限伸長率為25%。

試驗(yàn)用減水劑為江蘇蘇博特公司出品的聚羥酸高性能減水劑；試驗(yàn)用水為普通自來水。

2.2 試驗(yàn)方案和配合比

結(jié)合試驗(yàn)場地以及各因素對混凝土物理力學(xué)性能和抗?jié)B性的影響，此次試驗(yàn)中選擇纖維素纖維和膨脹劑含量為主要變量[6]，設(shè)計0、10和20 kg/m3共3種不同水平的膨脹劑含量以及0、0.5、1.0、1.5和2.0 kg/m3共5種不同水平的纖維素纖維含量進(jìn)行試驗(yàn)。混凝土材料的水膠比為0.35，砂率為40%，水泥用量為285 kg/m3，粉煤灰用量為38 kg/m3，粗細(xì)骨料用量為726.9 kg/m3，粗骨料用量為1 090.3 kg/m3，用水量為172.4 kg/m3，減水劑用量為3.22 kg/m3。

2.3 試件制作

按照不同方案的配合比稱量好材料，利用二次投料預(yù)拌水泥砂漿法進(jìn)行混凝土的制作，目的是實(shí)現(xiàn)各種材料的充分?jǐn)嚢韬途鶆蚧旌蟍7]。首先，將粗、細(xì)骨料導(dǎo)入攪拌機(jī)攪拌并均勻撒入纖維素纖維，然后繼續(xù)攪拌1 min；將水泥、粉煤灰、膨脹劑倒入攪拌機(jī)，攪拌3 min；最后，將減水劑和水倒入攪拌機(jī)攪拌1.5 min。將拌制好的混凝土倒入試模，然后放在振動臺上充分振搗，完畢之后用灰刀將表面抹平，放在背陰處靜置24 h拆模編號，再放進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)規(guī)定齡期。

2.4 試驗(yàn)方法

在抗壓和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)之前，應(yīng)該取出試件并擦拭表面水分晾干。試驗(yàn)采用CSS-YAW3000電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。抗壓試驗(yàn)的加載速率為0.5 MPa/s；抗折試驗(yàn)的加載速率為0.08 MPa/s。

試驗(yàn)中的抗?jié)B性試驗(yàn)采用滲透高度法進(jìn)行。試驗(yàn)中，將試件在0.8 MPa的恒定水壓下維持24 h，每個試件均布測量10個測點(diǎn)的滲水高度，每組試驗(yàn)測試6個試樣，將其均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果，然后計算獲取試樣的相對滲透系數(shù)[8]。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 抗壓強(qiáng)度

對不同膨脹劑含量和纖維素纖維含量試件的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試，結(jié)果見圖1。由圖1可知，試件的抗壓強(qiáng)度隨著纖維素纖維含量的增加呈現(xiàn)出先迅速增加、后逐漸趨于平穩(wěn)的變化趨勢。究其原因，主要是添加高彈模的纖維素纖維之后，混凝土的整體性可以得到顯著提升，并表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度的增加。但是，隨著纖維素纖維含量的進(jìn)一步增大，拌和過程中纖維的均勻度會受到一定的影響，因此抗壓強(qiáng)度的提升明顯趨緩。從抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果和經(jīng)濟(jì)性考慮，纖維素纖維的摻量以1.0 kg/m3為最佳。從不同膨脹劑含量的試驗(yàn)結(jié)果來看，試件的抗壓強(qiáng)度隨著膨脹劑含量的增加呈現(xiàn)出先增大、后減小的變化特點(diǎn)。究其原因，主要是添加一定量的膨脹劑有助于提高混凝土的密實(shí)度，進(jìn)而提高試件的抗壓強(qiáng)度，而過量的膨脹劑摻入反而會改變混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不利于抗壓強(qiáng)度的進(jìn)一步提高。

圖1 抗壓強(qiáng)度隨纖維素纖維含量變化曲線

3.2 抗折強(qiáng)度

對不同膨脹劑含量和纖維素纖維含量試件的抗折強(qiáng)度進(jìn)行測試，結(jié)果見圖2。由圖2可知，抗折強(qiáng)度的變化特征與抗壓強(qiáng)度類似。首先，試件的抗折強(qiáng)度隨著纖維素纖維含量的增加呈現(xiàn)出先迅速增加、后逐漸趨于平穩(wěn)的變化特征，隨著膨脹劑含量的增加呈現(xiàn)出先增加、后減小的變化特點(diǎn)，其原因也與抗壓強(qiáng)度類似，這里不再敷述。因此，從抗折性能和經(jīng)濟(jì)性的視角來看，在纖維素纖維抗裂混凝土的設(shè)計來看，推薦1.0 kg/m3的纖維素纖維含量和10 kg/m3的膨脹劑含量。

圖2 抗折強(qiáng)度隨纖維素纖維含量變化曲線

3.3 抗?jié)B性

對不同膨脹劑含量和纖維素纖維含量試件的抗折強(qiáng)度進(jìn)行測試，結(jié)果見圖3。由圖3可知，不同膨脹劑含量下的混凝土試件的相對滲透系數(shù)隨著纖維素纖維含量的增加呈現(xiàn)出先迅速減小、后緩慢增加的變化特征。究其原因，主要是隨著纖維素纖維含量的增加，混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度明顯增大，抗裂性能明顯增強(qiáng)，因此混凝土內(nèi)部的孔隙和微裂縫明顯減少，試件的相對滲透系數(shù)迅速減小。但是，隨著纖維素纖維摻量的進(jìn)一步增加，纖維素纖維在混凝土內(nèi)部的分布均勻度會受到影響，特別是摻量過高的話，會出現(xiàn)在混凝土內(nèi)部聚團(tuán)現(xiàn)象，反而不利于混凝土內(nèi)部密實(shí)度的提升，因此造成相對滲透系數(shù)的緩慢增加。從不同的膨脹劑含量來看，試件的相對滲透系數(shù)隨膨脹劑含量也呈現(xiàn)出先減小、后小幅增加的變化特點(diǎn)。究其原因，主要是隨著膨脹劑摻量的增加，其膨脹作用可以有效抵消混凝土的干縮效應(yīng)，提高混凝土內(nèi)部的密實(shí)度，減少干縮裂縫，因此相對滲透系數(shù)明顯減小。但是，進(jìn)一步增加膨脹劑的含量，其過大的膨脹作用反而會影響混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不利于內(nèi)部密實(shí)度的提升，因此相對滲透系數(shù)有所增大。

圖3 相對滲透系數(shù)隨纖維素纖維含量變化曲線

4 結(jié) 論

此次研究以室內(nèi)試驗(yàn)的方式，探討了纖維素纖維混凝土的力學(xué)和抗?jié)B性能變化規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1) 試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨著纖維素纖維含量的增加呈現(xiàn)出先迅速增加、后逐漸趨于平穩(wěn)，隨著膨脹劑含量的增加呈現(xiàn)出先增加、后減小的變化特征。

2) 混凝土試件的相對滲透系數(shù)隨著纖維素纖維和膨脹劑含量的增加呈現(xiàn)出先迅速減小、后緩慢增加的變化特征。

3) 綜合力學(xué)性質(zhì)和抗?jié)B性試驗(yàn)結(jié)果以及工程經(jīng)濟(jì)性，建議在具體工程設(shè)計中添加1 kg/m3的纖維素纖維和10 kg/m3的膨脹劑。