摻纖維水工混凝土性能影響研究

孟慶宇

（凌海市水利事務服務中心，遼寧 凌海 121200）

由于特殊的外界環境和使用條件，水工混凝土在有害離子侵蝕、低溫凍融循環以及干濕交替等作用下極易產生開裂破損，對水工構筑物的長效運行造成嚴重影響，為有效控制裂縫的持續擴大必須及時修補裂縫[1-2]。目前，有機樹脂類是比較常用的修補材料，這類材料的修補效果較高，但也存在著易老化、價格高等許多問題，對于大范圍裂縫修補工程的適用性較差。因此，在工程成本控制上選用有機物質和無機膠凝材料混合配制的裂縫修補材料更加有利，勢必成為材料領域的發展趨勢[3-5]。

本文將減水劑、憎水劑、消泡劑、纖維、可分散性乳膠粉、石英石粉等外加劑摻入硫鋁酸鹽水泥基材，通過配制新型裂縫修補材料探討了不同纖維摻量、種類，對力學性能和工作性能的影響，旨在為快速修補水工混凝土裂縫提供科學依據。

1 試驗方法

1.1 原材料準備

試驗所用原材料主要有緩凝劑、減水劑、憎水劑、消泡劑等外加劑，改性木纖維、玻璃纖維、木纖維和玄武巖纖維，以及可分散性乳膠粉、石英石粉、硫鋁酸鹽水泥等。

1）外加劑：試驗選用易溶于水的白色結晶型檸檬酸緩凝劑；蘇博特PCA?-Ⅰ聚羧酸高效減水劑，固含量28%，平均密度1.16g/mL，減水率30%；GT 液態硅烷基憎水劑，體積密度600g/L，粒徑不超過500μm；Lencolo2108 型干粉消泡劑，主要成分為丙酸酯共聚物，堆積密度600kg/m3，平均粒徑700μm。

2）纖維：試驗選用白色粉末狀改性木纖維，分散性高達99%，體積密度45g/L，平均長度2.8μm；玻璃纖維彈性模量106GPa，長度3～5m m，密度2560kg/m3，斷裂伸長率2.7%，抗拉強度2800MPa；白色粉末狀B200型木質纖維，分散性96%，體積密度48g/L，平均長度2.7μm；玄武巖纖維彈性模量110GPa，長度7～10mm，密度2720kg/m3，斷裂伸長率2.6%，抗拉強度3860MPa。

3）摻合料：可分散性乳膠粉最低成膜溫度0℃，灰分8%～12%，堆積密度500～700kg/m3；石英石粉的莫氏硬度8，SiO2含量95%，密度2660kg/m3，粒徑80～120 目，熔點1770℃；硫鋁酸鹽水泥的28d 抗折、抗壓強度7.5MPa 和73.2MPa，初凝、終凝時間60min 和180min，標稠用水量50%。

1.2 試驗方案

試驗基材以硫鋁酸鹽水泥為主，探討不同纖維摻量和種類對裂縫修補材料的干燥收縮性能、拉伸黏結強度、抗折強度、抗壓強度、流動度以及凝結時間的影響。設定試驗對照組為不摻任何纖維的A組，摻0.5%、1.0%、1.5%玄武巖纖維組為B、C、D組，摻1.0%木纖維、玻璃纖維、改性木纖維為E、F、G組，摻0.5%改性木纖維和0.5%玄武巖纖維組為H組。各試驗組的其它材料摻入情況相同，減水劑、憎水劑、消泡劑摻量為0.5%、1.0%、2.0%，石英石粉摻量10%，具體如表1 所示。

表1 裂縫修補材料配合比設計 單位：kg/m3

1.3 試驗方法

依據《水泥膠砂干縮試驗方法》、《混凝土界面處理劑》、《水泥膠砂強度檢驗方法》、《水泥膠砂流動度測定方法》和《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》等要求，測定各試驗組裂縫修補材料的干燥收縮率、拉伸黏結強度、抗折與抗壓強度、流動度、凝結時間等。

2 結果與分析

2.1 各組工作性能

依據不同配合比配制的裂縫修補材料流動度、凝結時間測試結果如表2 所示。結果表明，摻玄武巖纖維(B、C、D組)的裂縫修補材料初凝、終凝時間較試驗對照組(A組)，都有所延長，這是由于玄武巖纖維的水分吸附能力較強，水化時可以優先吸附水分，在一定程度上抑制水泥水化，但隨著水化的持續進行這部分被吸附的水分逐漸釋放，促進水泥的持續水化；摻玄武巖纖維的裂縫修補材料初始流動度明顯減小，從最初的240～250mm(A組)大幅減小到150～165mm(B、C、D組)，30min 后從110～120mm(A組)減小到65～100mm(B、C、D組)，表明玄武巖纖維的摻入會提高材料的稠度[6]。

表2 工作性能試驗數據

摻木纖維試驗組(E組)的終凝時間較對照組(A組)提高近200%，這是由于木纖維難溶于水，在水中的分散性較差且水分吸附能力較低，所以木纖維的摻入使得終凝時間延長，極易產生泌水現象，但不會對流動度造成較大影響。摻玻璃纖維試驗組(F組)的初凝、終凝時間較對照組(A組)有所延長，其初始流動度、30min 后流動度和終凝時間與摻木纖維組(E組)相差不大，未發現泌水現象，但玻璃纖維的摻入會產生許多難以消除的氣泡，對材料的修補性能造成不利影響[7]。摻改性木纖維試驗組(G組)的初凝、終凝時間較摻木纖維組(E組)進一步延長，但流動度減小，混摻改性木纖維和玄武巖纖維試驗組(H組)的流動度、凝結時間較單摻改性木纖維組(G組)有所減小。

2.2 力學性能分析

試驗分析空白對照組和摻1%纖維試驗組的修補材料28d 強度，如圖1 所示。

圖1 裂縫修補材料的強度變化

從圖1 可以看出，摻入纖維會在不同程度上降低裂縫修補材料的抗壓強度，其中摻玻璃纖維試驗組(F組)的抗壓強度降幅最高，較空白對照組減小48.2%。究其原因，摻入的纖維具有亂向分布特性，若攪拌不均勻極易產生泌水，并進一步使得漿體出現分層；此外，在水化形成的堿性環境中，摻入的纖維會形成許多難以消除的氣泡，致使試件內部出現空腔或薄弱結構，對修補材料強度造成影響[8]。然而摻入改性木纖維或玄武巖纖維，由于纖維具有較高的彈性模量和抗拉強度，與空白對照組相比其抗折強度有所增加，尤其是摻玄武巖纖維試驗組(C組)抗折強度提高50.0%，抗壓強度降幅最小約18.8%。

依據上述分析結果，綜合性能表現優異的是摻玄武巖纖維組，所以對裂縫修補材料利用玄武巖纖維加以改性，試驗結果見圖2。結果表明，摻不同量的玄武巖纖維均會在一定程度上降低裂縫修補材料強度，抗折強度則表現出先上升后下降的變化趨勢。具體而言，摻1%玄武巖纖維的修補材料抗折強度最高，抗壓強度降幅最小，究其原因是摻入過量纖維會使得纖維的分布不均，從而產生內部缺陷，引起應力集中現象，不利于抗折強度的提升。

圖2 不同玄武巖纖維摻量的強度

2.3 拉伸黏結強度

裂縫修補材料拉伸黏結強度隨不同玄武巖摻量的變化特征，如圖3 所示。結果表明，裂縫修補材料拉伸黏結強度隨玄武巖纖維摻量的增加表現出先上升后下降的變化趨勢，摻1%玄武巖纖維時拉伸黏結強度最高。究其原因是玄武巖纖維的抗拉強度明顯高于硫鋁酸鹽水泥，將5～7mm 長的纖維摻入硫鋁酸鹽水泥中會發揮較好的“增韌”作用，這在一定程度上提高了拉伸黏結強度，同樣若摻量過高則會因攪拌不均而產生原生缺陷，對拉伸黏結強度的提升造成不利影響[9]。

圖3 不同玄武巖纖維摻量的拉伸黏結強度變化

2.4 干燥收縮變形

為達到更好的修復效果，裂縫修補材料的變形性能必須優于被修補的混凝土，單位長度上裂縫修補材料變形率受不同玄武巖摻量的影響見圖4。結果顯示，0～28d 內未摻玄武巖纖維的裂縫修補材料呈收縮狀態，而摻玄武巖纖維時則轉變成膨脹狀態，并且單位長度變形率隨著纖維摻量的增加呈減小趨勢。究其原因，將玄武巖纖維摻入裂縫修補材料中會形成網絡織構體，在水泥硬化過程中這些網絡織構體發揮著保水束水作用，有利于減小早期失水速率，消除或降低收縮變形；持續增大纖維摻量，則漿體與纖維之間的黏結拉應力不斷增大，變形開始趨于穩定，玄武巖纖維的摻入發揮著持續提供體積微膨脹的作用[10-12]。

圖4 不同玄武巖纖維摻量的變形率變化

3 結論

通過試驗研究對比分析了不同摻量、種類纖維改性水工混凝土裂縫修補材料的性能，主要結論如下：

1）在裂縫修補材料中摻入纖維有利于改善其工作性能，延長凝結時間，但玻璃纖維或木纖維的摻入會引起泌水現象，因產生大量氣泡而影響材料的強度，對于改良裂縫修補材料玄武巖纖維的適用性更好。

2）摻1%玄武巖纖維時裂縫修補材料的黏結拉伸強度、抗折強度最高，變形由原來的收縮轉變成微微膨脹，具有持續提供體積微膨脹的良好作用。