纖維對水工混凝土裂縫修補(bǔ)材料性能影響試驗(yàn)研究

張齊成

(歙縣水利局，安徽 黃山 245200)

0 引 言

水工混凝土所處的環(huán)境十分復(fù)雜，在干濕變化、低溫凍融循環(huán)、離子侵蝕等作用下很容易出現(xiàn)破損和開裂，影響建筑物的正常使用功能，為了避免裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大，需要及時(shí)對裂縫進(jìn)行修補(bǔ)[1-2]。常用的混凝土修補(bǔ)材料多為有機(jī)樹脂類，雖然該類型材料具備較好的修復(fù)效果，但是存在價(jià)格高、易老化等問題，因而在大面積混凝土裂縫修補(bǔ)工程中不適用。采用無機(jī)膠凝材料和有機(jī)物質(zhì)混合拌制的裂縫修補(bǔ)材料在控制工程成本上更加有利，也是當(dāng)前行業(yè)發(fā)展的趨勢[3-5]。

本文以硫鋁酸鹽水泥為主要基材，通過摻入石英石粉、可分散性乳膠粉、纖維、消泡劑、憎水劑、減水劑等外加劑，配制新型的混凝土裂縫修補(bǔ)材料，主要探討纖維種類和摻量對裂縫修補(bǔ)材料工作性能和力學(xué)性能的影響，以期能為水工混凝土裂縫快速修補(bǔ)提供借鑒。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)原材料主要包括硫鋁酸鹽水泥、石英石粉、可分散性乳膠粉、玄武巖纖維、木纖維、玻璃纖維、改性木纖維、消泡劑、憎水劑、減水劑等。硫鋁酸鹽水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為40%，初凝和終凝時(shí)間分別為40和150 min，28 d抗折和抗壓強(qiáng)度分別為7.4和73.4 MPa；石英石粉的粒徑大小為80～120目，密度為2 650 kg/m3，SiO2含量為95%，莫氏硬度為7，熔點(diǎn)為1 750℃；可分散性乳膠粉堆積密度為400～600 kg/m3，灰分為8%～12%，最低成膜溫度為0℃；玄武巖纖維長度為7～10 mm，彈性模量為105 GPa，抗拉強(qiáng)度為3 850 MPa，斷裂伸長率為2.7%，密度為2 700 kg/m3；木纖維(FH-500)為白色粉末狀，平均長度2.7 μm，體積密度為47 g/L，分散性為97%；玻璃纖維長度為3～5 mm，彈性模量為105 GPa，抗拉強(qiáng)度為2 800 MPa，斷裂伸長率為3%，密度為2 580 kg/m3；改性木纖維也為白色粉末狀，平均長度2.7 μm，體積密度為47 g/L，分散性為99%；消泡劑(AXILAT DF 770)為干粉消泡劑，主要成分為液態(tài)碳?xì)浠衔锖途垡叶迹骄w粒大小為750 μm，堆積密度為600 kg/m3；憎水劑為SHP50型硅烷基憎水劑，粒徑小于500 um，平均顆粒大小為300 um，體積密度為600 g/L；減水劑為液態(tài)聚羧酸減水劑，平均密度為1.15 g/mL，固體含量為26%，減水率為20%。緩凝劑為檸檬酸，白色結(jié)晶型粉末，易溶于水。

1.2 試驗(yàn)方案

以硫鋁酸鹽水泥為主要基材，探討不同種類纖維和不同摻量纖維對裂縫修補(bǔ)材料凝結(jié)時(shí)間、流動(dòng)度、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、拉伸黏結(jié)強(qiáng)度以及干燥收縮性能的影響。試驗(yàn)1組為對照試驗(yàn)組，不摻入任何纖維；試驗(yàn)2-4組為摻入玄武巖纖維，摻量分別為0.5%、1%和1.5%；試驗(yàn)5組摻入木纖維，摻量為1%；試驗(yàn)6組摻入玻璃纖維，摻量為1%；試驗(yàn)7組摻入改性木纖維，摻量為1%；試驗(yàn)8組摻入混合纖維，分別為玄武巖纖維0.5%和改性木纖維0.5%。其余材料摻入情況分別為石英石粉摻量為11%，消泡劑摻量為2%，憎水劑摻量為1%，減水劑摻量為0.4%，具體試驗(yàn)配比方案見表1。

1.3 試驗(yàn)方法

各試驗(yàn)組裂縫修補(bǔ)材料的凝結(jié)時(shí)間按照《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》(GB/T 1346-2001)進(jìn)行測定，流動(dòng)度按照《水泥膠砂流動(dòng)度測定方法》(GB/T 2419-2005)進(jìn)行測定，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》(JTG/T 0506-2005)進(jìn)行測定，拉伸黏結(jié)強(qiáng)度按照《混凝土界面處理劑》(JC/T 907-2002)進(jìn)行測定，干燥收縮率按照《水泥膠砂干縮試驗(yàn)方法》(JC/T 603-1995)進(jìn)行測定。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 對工作性能的影響

不同試驗(yàn)配合比下裂縫修補(bǔ)材料凝結(jié)時(shí)間和流動(dòng)度測試結(jié)果見表2。從表2中可知，摻入不同量的玄武巖纖維后，裂縫修補(bǔ)材料的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間相比不摻入纖維試驗(yàn)組均有不同程度延長。這是因?yàn)樾鋷r纖維表面具有較強(qiáng)的水分吸附能力，在水泥水化反應(yīng)前期搶占了水化所需要的水分；隨著水化反應(yīng)進(jìn)行，玄武巖纖維才會慢慢將水分釋放，從而促進(jìn)水化反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行；摻入玄武巖纖維后，裂縫修補(bǔ)材料的初始流動(dòng)度下降幅度較大，從230～240 mm降低至140～155 mm，30 min后流動(dòng)度從100～110 mm下降至55～90 mm，這說明摻入玄武巖纖維會增加裂縫修補(bǔ)材料的稠度。對于摻入木纖維的試驗(yàn)組，終凝時(shí)間相比空白試驗(yàn)組增長約200%。這是因?yàn)槟纠w維不溶于水，在水中的分散性不是很好，也沒有玄武巖纖維那樣的吸附水分的能力，故而對于木纖維反而會延長終凝時(shí)間，出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，但對流動(dòng)度影響不大。對于摻入玻璃纖維(不溶于水)的試驗(yàn)組，初凝和終凝時(shí)間均有延長，終凝時(shí)間、初始流動(dòng)度以及30 min 后流動(dòng)度與摻入木纖維試驗(yàn)組基本相當(dāng)，不僅出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，而且由于玻璃纖維的摻入，還會產(chǎn)生大量無法消掉的氣泡，影響材料的修補(bǔ)性能。對于摻入改性木纖維的試驗(yàn)組，與試驗(yàn)5(摻入木纖維組)相比，初凝和終凝時(shí)間進(jìn)一步延長，但流動(dòng)度有所降低。對于混摻玄武巖纖維和改性木纖維的試驗(yàn)組，凝結(jié)時(shí)間和流動(dòng)度相比試驗(yàn)7組有所降低。

表2 工作性能試驗(yàn)結(jié)果

2.2 對抗壓和抗折強(qiáng)度的影響

選取纖維摻量(1%)相同的試驗(yàn)組與空白試驗(yàn)組裂縫修補(bǔ)材料的28 d強(qiáng)度進(jìn)行對比，見圖1。從圖1中可以看到，摻入纖維會導(dǎo)致裂縫修補(bǔ)材料抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)不同程度的降低，降低幅度最大的是試驗(yàn)6組(摻入玻璃纖維)，相比空白試驗(yàn)組抗壓強(qiáng)度降低約505。這是因?yàn)閾饺肜w維后，由于纖維本身具有亂向分布特性，如果攪拌不均會導(dǎo)致泌水現(xiàn)象，從而使?jié){體中出現(xiàn)分層現(xiàn)象；同時(shí)纖維在水化反應(yīng)的堿性環(huán)境中會引入大量無法消除的氣泡，造成試件內(nèi)部出現(xiàn)許多薄弱結(jié)構(gòu)或者空腔，影響強(qiáng)度的發(fā)展。但是在摻入玄武巖纖維或者改性木纖維后，由于纖維本身的抗拉強(qiáng)度和彈性模量較高，使得裂縫修補(bǔ)材料的抗折強(qiáng)度相比空白試驗(yàn)組反而有所提升，特別是摻入玄武巖纖維的試驗(yàn)，其抗壓強(qiáng)度下降幅度(約為15.5%)最小，而抗折強(qiáng)度可提升50.7%。

圖1 不同纖維種類裂縫修補(bǔ)材料強(qiáng)度特征

從上文分析可知，摻入玄武巖纖維的裂縫修補(bǔ)材料綜合性能表現(xiàn)優(yōu)異，因此決定采用玄武巖纖維對裂縫修補(bǔ)材料進(jìn)行改性，不同玄武巖纖維摻量下裂縫修補(bǔ)材料的強(qiáng)度特征見圖2。摻入不同量的玄武巖纖維，均會造成裂縫修補(bǔ)材料抗壓強(qiáng)度的降低，而抗折強(qiáng)度則是呈先增大后減小的變化特征。當(dāng)玄武巖纖維摻量為1%時(shí)，抗壓強(qiáng)度下降幅度最小，且抗折強(qiáng)度最高，這是因?yàn)閾饺脒^量的纖維，可能會導(dǎo)致纖維在裂縫修補(bǔ)材料中分布不均，容易在試件內(nèi)部形成缺陷，引起試件內(nèi)不出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，對抗折強(qiáng)度不利。

圖2 玄武巖纖維摻量對強(qiáng)度的影響

2.3 對拉伸黏結(jié)強(qiáng)度的影響

不同玄武巖摻量下裂縫修補(bǔ)材料的拉伸黏結(jié)強(qiáng)度變換規(guī)律見圖3。從圖3中可知，隨著玄武巖摻量的增加，裂縫修補(bǔ)材料的拉伸黏結(jié)強(qiáng)度呈先增大后減小的變化特征，并且在1%摻量時(shí)達(dá)到最高值。這是因?yàn)樾鋷r纖維屬于5～7 mm的長纖維，其抗拉強(qiáng)度比硫鋁酸鹽水泥高得多，當(dāng)在硫鋁酸鹽水泥中摻入長纖維后會具有比較明顯的“增韌”效果，這種增韌效果在很大程度上體現(xiàn)在拉伸黏結(jié)強(qiáng)度的提升，但是與抗折強(qiáng)度一樣，如果摻量過多，可能會導(dǎo)致攪拌不均而出現(xiàn)原生缺陷，反而不利于拉伸黏結(jié)強(qiáng)度的發(fā)展。

圖3 玄武巖纖維摻量對拉伸黏結(jié)強(qiáng)度的影響

2.4 對干燥收縮變形的影響

裂縫修補(bǔ)材料需要具有比被修補(bǔ)混凝土更好的變形性能才能更好地修復(fù)裂縫，不同玄武巖纖維摻量下的裂縫修補(bǔ)材料單位長度變形率對比見圖4。從圖4中可知，在不摻入玄武巖纖維時(shí)，裂縫修補(bǔ)材料在0～28 d內(nèi)均呈收縮狀態(tài)，而摻入玄武巖纖維后，縫修補(bǔ)材料的變形由收縮狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榕蛎洜顟B(tài)，但是隨著玄武巖纖維摻量的增加，單位長度變形率呈逐漸減小的變化趨勢。這是因?yàn)樵诹芽p修補(bǔ)材料中摻入玄武巖纖維后，會在試件中形成網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)體，這些網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)體在水泥水化硬化過程中具有一定的束水保水效果，從而可以降低早期失水速率，從而降低或者消除收縮變形；隨著摻量的增加，纖維與漿體的黏結(jié)拉應(yīng)力越大，試件的變形逐漸趨于穩(wěn)定，可以提供持續(xù)的體積微膨脹效應(yīng)。

圖4 玄武巖纖維摻量對單位長度變形率的影響

3 結(jié) 論

對不同纖維種類和摻量改良裂縫修補(bǔ)材料性能進(jìn)行了對比研究，結(jié)論如下：

1) 摻入纖維會延長裂縫修補(bǔ)材料的凝結(jié)時(shí)間，改善工作性能。但摻入木纖維或者玻璃纖維，可能會導(dǎo)致泌水現(xiàn)象，同時(shí)引入大量氣泡，從而影響強(qiáng)度發(fā)展，因而玄武巖纖維更適用于改良裂縫修補(bǔ)材料。

2) 當(dāng)玄武巖纖維摻量為1%時(shí)，裂縫修補(bǔ)材料的抗折強(qiáng)度和伸黏結(jié)強(qiáng)度最大。

3) 摻入玄武巖纖維可以使裂縫修補(bǔ)材料早期變形由收縮轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑴蛎洜顟B(tài)，從而起到很好的裂縫修復(fù)功能。