纖維在堆石壩面板水工混凝土中的應(yīng)用分析

李桂寶

（綏中水利電力建設(shè)有限公司，遼寧 綏中 125200）

干燥高溫施工條件下，大面積薄壁混凝土結(jié)構(gòu)面板堆石壩的混凝土面板層因內(nèi)外部約束和失水過快容易產(chǎn)生塑性收縮裂縫；混凝土硬化過程中，因養(yǎng)護(hù)期已過或養(yǎng)護(hù)不到位、不及時混凝土繼續(xù)失水，在內(nèi)外部的約束條件以及毛細(xì)管張力、凝膠分子表面張力等因素作用下易形成干燥收縮裂縫；在季節(jié)性或日溫差環(huán)境下，因干燥收縮和塑性收縮引起的裂縫將產(chǎn)生相應(yīng)的收縮或膨脹，這些裂縫受溫差應(yīng)力作用進(jìn)一步擴(kuò)展。對于堆石壩面板，裂縫會降低結(jié)構(gòu)耐久性能和面板的抗?jié)B性能[1-3]。在北方嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，反復(fù)的凍融循環(huán)也會對混凝土面板產(chǎn)生影響，混凝土受凍脹應(yīng)力作用形成裂縫甚至出現(xiàn)剝落，對面板服役性能及結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。

面板混凝土質(zhì)量與抗凍性、抗?jié)B性、抗裂性密切相關(guān)，通過改善混凝土性能夠有效延長面板結(jié)構(gòu)的服役年限，切實(shí)保證其安全穩(wěn)定性[4]。目前，采用纖維來改善混凝土性能已得到工程技術(shù)領(lǐng)域的普遍認(rèn)可，纖維素纖維因具有良好的相容性以及天然的保水性、親水性等被廣泛應(yīng)用于混凝土領(lǐng)域[5]。鑒于此，文章通過試驗(yàn)分析探討了大壩面板混凝土中纖維的使用性能，深入揭示了其對面板混凝土抗凍性、抗?jié)B性的影響及其早期干縮裂縫、塑性裂縫的作用。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

試驗(yàn)選用渤海P·O 42.5 級水泥，5~20mm、20~40mm 二級配花崗巖碎石，六股河中砂，細(xì)度模數(shù)2.6，混凝土配合比及其原材料與小湯河中游的關(guān)門山水庫大壩面板相同，配合設(shè)計(jì)比，如表1所示。經(jīng)試驗(yàn)檢測，纖維的力學(xué)性能及物理參數(shù)，如表2 所示。

表1 配合比設(shè)計(jì)

表2 纖維的主要性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》和《纖維混凝土塑性裂縫標(biāo)準(zhǔn)測試方法》的規(guī)定測試混凝土的工作性能、力學(xué)性能、抗凍抗?jié)B性能及其受約束作用下的塑性收縮裂縫。

試驗(yàn)參照以下流程測試硬化早期砂漿基體的干燥收縮裂縫，具體如下：①砂漿配合比為水：砂：粉煤灰：水泥=0.42 : 1.70 : 0.25 : 1，其中纖維、引氣劑、減水劑摻量與表1 相同；②精準(zhǔn)稱量所需的原材料，利用砂漿攪拌機(jī)均勻攪拌180s 后澆筑到硬化早期收縮開裂試模中，對試件分組編號B0、B1、B2；③砂漿試件為厚度20mm、高150mm、內(nèi)徑150mm 的圓筒體，在其內(nèi)部放置厚度30mm、高度150mm、外徑150mm 的鋼制圓筒體作為約束；④成型標(biāo)養(yǎng)3d 后，取出試件放入濕度20%、溫度80℃的箱體內(nèi)，設(shè)定恒溫1h 升溫至80℃(升溫速度10℃/h)開展加速干燥失水收縮開裂試驗(yàn)；⑤觀察試件開裂情況并測定其失水速度，失水速度減小到穩(wěn)定狀態(tài)時終止試驗(yàn)，利用顯微鏡測定裂縫寬度d，分段測定裂縫長度Li。干燥收縮裂縫的權(quán)重值，如表3 所示。根據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照表3 中的權(quán)重值利用下式計(jì)算開裂系數(shù)C，即：

表3 干燥收縮裂縫的權(quán)重值

2 結(jié)果與分析

2.1 面板混凝土力學(xué)性能

混凝土摻不同纖維的力學(xué)性能及工作性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4 所示。結(jié)果表明，摻聚丙烯纖維和纖維素纖維組相較于基準(zhǔn)組的混凝土坍落度減小25mm、10mm，混凝土坍落度受聚丙烯纖維的影響程度要高于纖維素纖維；另外，摻纖維組合基準(zhǔn)組混凝土含氣量相差不大，說明拌合物含氣量受纖維的影響較低；對于抗壓和劈拉強(qiáng)度，纖維的摻入可在一定程度上提高混凝土強(qiáng)度，并且纖維素纖維的提升作用高于聚丙烯纖維[7-8]。

表4 混凝土力學(xué)性能及工作性能

2.2 面板混凝土塑性收縮裂縫

混凝土摻不同纖維的塑性收縮裂縫試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表5 所示。結(jié)果表明，纖維的摻入可以有效抑制混凝土塑性裂縫的延伸和擴(kuò)張，這表現(xiàn)為摻入纖維的A1、A2 組相較于基準(zhǔn)組A0 組的混凝土板裂縫長度、寬度明顯減小。其中，聚丙烯纖維和纖維素纖維混凝土板的裂縫長度依次減少17.9%、77.0%，裂縫寬度依次減少39.6%、45.1%。對于裂縫面積，聚丙烯纖維和纖維素纖維混凝土板相較于基準(zhǔn)組依次減少50.4%、87.3%。

表5 塑性收縮裂縫及纖維的分布參數(shù)

纖維的累計(jì)長度∑L、平均中心間距S和單位體積混凝土中纖維的根數(shù)N在很大程度上決定了塑性狀態(tài)混凝土中纖維的阻裂作用，并且∑L值越大、S值越小、N值越大則纖維的阻裂效果越顯著[9]。從表5 可以看出，纖維素纖維是聚丙烯纖維∑L值、S值、N值的2.14 倍、0.36 倍、18.67 倍，結(jié)合以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在塑性狀態(tài)混凝土中纖維素纖維明顯優(yōu)于聚丙烯纖維的阻裂作用，該變化規(guī)律與實(shí)際情況相符。

2.3 砂漿基體的干燥收縮裂縫

砂漿基體摻不同纖維的早期干燥收縮裂縫試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表6 所示。結(jié)果表明，聚丙烯纖維和纖維素纖維均會在不同程度上抑制早期干燥收縮裂縫的形成，減裂率為51.9%、66.2%，說明纖維素纖維的防裂效果更加明顯。究其原因，纖維素纖維的抗拉強(qiáng)度及彈性模量更高（如表1），這直接決定了形成早期干燥收縮裂縫的難易程度。因此，通過提高纖維的強(qiáng)度指標(biāo)和彈性模量是控制早期干燥收縮裂縫的有效途徑，但高強(qiáng)度、高彈性模量的纖維成本較大，實(shí)際應(yīng)用時會大大增加工程成本，所以研發(fā)高強(qiáng)度、高彈性模量且成本更加合理的纖維具有重要意義[10]。

表6 早期干燥收縮裂縫試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.4 面板混凝土抗?jié)B抗凍性

混凝土摻不同纖維的抗?jié)B抗凍性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表7 所示。結(jié)果顯示，混凝土中摻入纖維能夠明顯改善其抗?jié)B性能，其中聚丙烯纖維和纖維素纖維可以提高1 個、2 個標(biāo)號的抗?jié)B等級，試驗(yàn)水壓1.1MPa下兩者的滲水高度比依次為56.6%、33.0%。究其原因，在早齡期抗拉強(qiáng)度較低時混凝土內(nèi)部的微裂縫易發(fā)生擴(kuò)展，而纖維的摻入可以發(fā)揮搭接僑聯(lián)作用，對抑制微裂縫的連通及擴(kuò)展發(fā)揮積極作用，有利于減少滲水通道；另外，纖維素纖維還存在一定吸水特性，可以促進(jìn)水泥水化和毛細(xì)孔的細(xì)化，在阻礙微裂縫連通、擴(kuò)展的同時將有害孔轉(zhuǎn)變成無海空，從而使得混凝土抗?jié)B性明顯提高。

表7 抗?jié)B抗凍性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

混凝土中摻入纖維能夠明顯改善其抗凍性能，聚丙烯纖維和纖維素纖維均可以提高50 個標(biāo)號的抗凍等級。這是由于受凍時混凝土產(chǎn)生凍脹應(yīng)力促進(jìn)內(nèi)部微裂縫的形成與擴(kuò)展，而纖維的摻入可以消耗凍融循環(huán)過程中所產(chǎn)生的能量，有利于延緩損傷速度以及抑制微裂縫的形成擴(kuò)展，有效改善其抗凍性能，保證面板混凝土結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[11-13]。

3 結(jié) 論

1）混凝土坍落度受聚丙烯纖維的影響程度要高于纖維素纖維，拌合物含氣量受兩種纖維的影響較低，纖維的摻入可在一定程度上提高混凝土強(qiáng)度，并且纖維素纖維的增強(qiáng)作用高于聚丙烯纖維。

2）在混凝土塑性階段聚丙烯纖維和纖維素纖維的減裂率依次為50.4%、87.3%，究其原因是纖維素纖維優(yōu)于聚丙烯纖維的累計(jì)長度∑L、平均中心間距S和單位體積混凝土中纖維的根數(shù)N等參數(shù)。

3）聚丙烯纖維和纖維素纖維均會在不同程度上抑制早期干燥收縮裂縫的形成，減裂率為51.9%、66.2%，纖維素纖維的防裂效果更加明顯。纖維能夠改善混凝土抗?jié)B抗凍性，其中聚丙烯和纖維素可以提升1 個、2 個標(biāo)號的抗?jié)B等級，兩種纖維均可以提升50 個標(biāo)號的抗凍等級。