水利工程纖維增強混凝土性能試驗研究

劉 峰

（江西省水利水電建設(shè)集團有限公司，江西 南昌 330200）

0 概述

在水利工程的建設(shè)中，混凝土漿料是修建各種水工建筑物的重要材料，其強度和各方面物理性質(zhì)直接決定了工程竣工后的服役年限和安全運營[1，2]。然而當前普通注漿材料存在諸多缺陷，漿料成型后的建筑強度低，抗凍抗腐蝕性低等問題突出，給水利工程的安全運行帶來阻礙[3，4]。纖維增強混凝土是由水泥、砂漿或混凝土和不連續(xù)、離散、均勻分散的合適纖維組成的復合材料，纖維增強是改善混凝土力學性能的有效手段，向混凝土中添加小短纖維有助于彌合混凝土基體中的裂縫，顯著改善了混凝土的拉伸性能，減少了收縮和收縮裂縫[5]。不同類型的纖維對混凝土有不同的影響。

童偉光 等[6]通過落錘沖擊試驗對聚丙烯纖維混凝土進行試驗研究，分析比較了纖維形態(tài)、長度以及摻量對混凝土抗沖擊性能的影響規(guī)律和增強機理；張曉麗 等[7]從基體性能和纖維表面特征2個方面分析改性纖維-混凝土界面黏結(jié)性能的機理及影響；俞亞楠 等[8]進行不同體積摻量SFC 抗壓強度、劈裂抗拉強度及抗折強度性能試驗，分析得出劍麻纖維的最佳摻量；薛志成 等[9]采用等效應變假定理論，建立玄武巖纖維混凝土單軸受拉損傷演化方程；楊凌 等[10]揭示竹纖維含量和長度對混凝土力學性能的影響，提出了3 種含量和3 種規(guī)格竹纖維長度的竹纖維混凝土試件進行28 d 抗壓、抗折、抗拉強度試驗。文章采用一種城市垃圾中的紡織纖維作為研究對象，采用室內(nèi)試驗研究了纖維混凝土的抗壓強度、抗彎強度、密度，以及耐腐蝕性，得到了最優(yōu)參量，研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

1 原材料及試樣制備

1.1 原材料

本研究中使用的材料包括硅酸鹽水泥、細骨料、粗骨料、水、紡織纖維和酸。采用P·O 42.5 硅酸鹽水泥，質(zhì)量符合現(xiàn)行國家標準GB 175《通用硅酸鹽水泥》的要求，水泥比重測試為3.15，實驗用細骨料的比重為2.13，細骨料的粒度分布如圖1 所示，粗骨料使用當?shù)乜捎玫臉朔Q尺寸為20 mm 的碎花崗巖骨料，骨料的比重為2.6，使用的織物（紡織）纖維主要是從廢品中獲得的棉材料，切碎纖維的平均長度和直徑分別為1.8 cm 和0.53 cm，平均密度為1.53 g/cm3。

圖1 細骨料的粒度分布

1.2 試樣制備

制樣時先將紡織纖維粉碎成所需尺寸（圖2），并添加到水泥和沙子的混合物中，并徹底攪拌混合，使用的紡織纖維百分比為水泥重量的0%、1%、2%和3%。在本研究中，使用體積配合比設(shè)計方法，設(shè)計了28 d 時達到25 N/mm2目標抗壓強度的混凝土。水泥、細骨料和粗骨料的配合比分別為1∶1.77∶4.13，使用的水灰比為0.5，試樣尺寸為150 mm×150 mm×150 mm 的立方體，按照水利工程混凝土性能的要求制備和養(yǎng)護立方體，在7 d、14 d和28 d進行測試。本次試驗共測試了108個立方體，為了確定紡織纖維對混凝土性能的影響，進行了以下試驗：

圖2 試驗用紡織纖維

①對含有0%、1%、2% 和3%紡織纖維添加劑的混凝土進行抗壓強度試驗；②在150 mm ×150 mm×450 mm 的矩形梁上進行了添加0%、1%、2%和3%紡織纖維添加劑的混凝土抗彎強度試驗；③在150 mm×300 mm 長的圓柱體上，在第7 d、14 d 和28 d 對摻有0%、1%、2%和3%紡織纖維添加劑的混凝土進行劈裂拉伸試驗。

此外還進行了質(zhì)量損失和抗壓強度損失試驗，以確定含有0%、1%、2%和3%紡織纖維添加劑的混凝土的耐久性。該試驗在混凝土立方體試件上進行。制備這些立方體并在水中固化28 d，之后將每種混合物中的3 個立方體浸入2%鹽酸（HCl）介質(zhì)中，并將另外3 個相應的立方體浸入水中。為了最大限度地減少蒸發(fā)，在整個試驗期間將這些試樣覆蓋。在27 d 的時間內(nèi)，每隔3 d 采集每個樣本的重量。在酸浸27 d 后，對試樣進行抗壓強度測試。

2 抗壓強度和密度

圖3 和圖4 分別給出了不同纖維含量下，混凝土抗壓強度和密度變化規(guī)律。如圖3 所示，總體上隨著養(yǎng)護天數(shù)的增加，混凝土強度增長明顯，當纖維含量為2%時，混凝土強度由16.43 N/mm2直接增長至24 N/mm2。另一方面，隨著纖維含量的增加，混凝土強度同樣出現(xiàn)了增長，但存在臨界值。在養(yǎng)護第7 d 時，織物纖維從0%增加到2%時候，混凝土的強度由15.67 N/mm2增加到16.43 N/mm2，然后在織物纖維含量為3%時略有下降，降低至16.29 N/mm2。通過圖4 可以看出第7 d、14 d 和28 d 隨織物纖維含量的變化。由圖4 可知，隨著固化時間的延長以及紡織面料纖維含量的增加，混凝土密度也會增加。密度作為混凝土設(shè)計過程的一部分非常重要，因為混凝土的單位重量是混凝土強度分類的重要指標，而且密度更高的混凝土通常提供更高的強度。

圖3 不同纖維含量混凝土抗壓強度變化

圖4 不同纖維含量凝土密度變化

3 抗彎強度和劈裂強度

圖5 給出了含量0%、1%、2%和3%紡織纖維的混凝土的抗彎強度。由圖5 可知，混凝土彎曲強度通常隨養(yǎng)護齡期的增加而增加。當養(yǎng)護天數(shù)為7 d 時，纖維含量的增加使彎曲強度從0%時 的3.57 N/mm2增加到1%時的3.94 N/mm2，纖維含量為2%時為4.12 N/mm2，纖維含量為3%時為4.5 N/mm2。當養(yǎng)護天數(shù)為14 d 時，纖維含量分別從0%、1%和2%時的3.82 N/mm2、4.05 N/mm2增加至5.58 N/mm2，然后在纖維含量為3%時下降到4.61 N/mm2。28 d 時的趨勢類似，在纖維含量為0%、1% 和2% 時，分 別 從5.18 N/mm2、5.37 N/mm2增加至6.41 N/mm2，在纖維含量為3%時，下降到5.66 N/mm2。因此，使用紡織纖維可以增加混凝土內(nèi)的粘結(jié)力，因此有助于減少裂縫，提高耐久性。

圖5 不同含量紡織纖維混凝土的抗彎強度

圖6 給出了含量0%、1%、2%和3%紡織纖維的混凝土的劈裂強度。由圖6 可知，當混凝土養(yǎng)護天數(shù)為7 d 時,1%的纖維含量具有最佳劈裂強度，但混凝土養(yǎng)護天數(shù)為14 d 時，纖維含量對劈裂強度無明顯影響；而對于養(yǎng)護28 d 的混凝土的劈裂抗拉強度，同樣是1%的纖維含量具有最佳劈裂強度。此外，還可看到隨固化時間的增加，劈裂抗拉強度同樣出現(xiàn)明顯增長。

圖6 不同含量紡織纖維混凝土的劈裂強度

4 抗腐蝕性

混凝土的耐久性通常表示為混凝土在使用壽命期間對劣化環(huán)境的抵抗力。在此期間，混凝土可能會接觸工業(yè)中的酸性廢水和地下管道中的污水，從而暴露在侵蝕性化學環(huán)境中。由于水泥混凝土通常不具有良好的耐酸蝕性，因此會導致重量損失、混凝土開裂以及混凝土因強度損失而退化。本次主要研究了織物纖維在酸性介質(zhì)中的行為，測定了試樣在2%鹽酸中浸泡27 d 的重量，結(jié)果如表1 所示。由表1 可知，織物纖維含量越高，混凝土重量損失越大，減重是耐酸性的指標，減重率越高，耐酸性越低。當纖維含量為0%時，混凝土質(zhì)量減少了0.052 kg，含量為1%、2%、3%時分別減少了0.039 kg、0.059 kg、0.063 kg。

表1 在2%鹽酸中浸泡27 d 后混凝土重量

圖7 給出了含有織物纖維的混凝土在2%鹽酸中浸泡27 d 后的抗壓強度結(jié)果。由圖7 可知，與浸泡在酸中之前的試樣相比，所有暴露在酸性環(huán)境中的試樣的抗壓強度都有所降低，其抗荷載能力較低。27 d 后，0%的纖維含量損失46.6%，在鹽酸中的強度以及纖維含量為1%、2%和3%時，強度損失分別為47.5%、47%和54.4%。抗壓強度的降低可歸因于混凝土基體結(jié)構(gòu)因酸侵蝕而劣化。可以推斷，0%的織物含量混凝土具有最好的耐酸性，其次是2%的織物含量。

圖7 混凝土在2%鹽酸中浸泡27 d 后的抗壓強度

5 結(jié)論

使用纖維作為建筑材料改良劑能夠較大程度上改善混凝土性能，并降低施工成本。為增強水利工程中混凝土的物理力學性能，采用一種城市垃圾中的紡織纖維作為研究對象，并通過室內(nèi)試驗研究了纖維混凝土的抗壓強度、抗彎強度、密度，以及耐腐蝕性。結(jié)果表明，對于混凝土抗壓強度和抗彎強度，織物纖維2%時候最佳為16.43 N/mm2，養(yǎng)護28 d 混凝土抗彎強度為6.41 N/mm2，而對于混凝土劈裂強度，1%的纖維含量具有最佳劈裂強度。此外，通過測定試樣在2%鹽酸中浸泡27 d 的重量得出，當纖維含量為0%時，混凝土質(zhì)量減少了0.052 kg，含量為1%、2%、3%時分別減少了0.039 kg、0.059 kg、0.063 kg。