聚丙烯纖維對水工混凝土性能影響的試驗研究

熊劍

（貴州省正安縣水務局，貴州 正安 563400）

1 引言

文章以位于貴州省正安縣城鳳儀鎮西南面梨壩村境內清溪河支流的深溝溪上的八岔林水庫工程為背景，對聚丙烯纖維摻加后，大壩混凝土工程性能的改善展開試驗研究，為聚丙烯混凝土在水利工程中的應用提供指導。

2 試驗設計

2.1 試驗材料及配合比

此次水工混凝土摻聚丙烯纖維改性的試驗以P.O42.5 和P.O52.5 普通硅酸鹽水泥、比表面積500 m2/kg 的礦渣、細度模數2.80的中砂、粒徑在10 mm以下的碎石料及聚丙烯纖維材料和高效減水劑等為主要材料。聚丙烯纖維物理性能詳見表1。外加劑選用減水率為15%～20%、抗壓強度比為109%的QX-A型高效減水劑，按照膠材實際用量的0.50%～0.70%摻加，其余性能均滿足《混凝土外加劑規范》規定。

表1 聚丙烯單絲纖維物理性能表

為展開水工混凝土配合比設計，設置4組聚丙烯纖維混凝土（編號為B-1、B-2、B-3）和1組普通混凝土（編號為A-1），按照不超出0.20%的比例摻加聚丙烯纖維；若纖維摻量達到0.40%，則相應降低骨料摻量，確保水工混凝土性能。配合比情況詳見表2。試驗過程中通過減水劑摻量的調整，將水工混凝土出機塌落度控制在120～150 mm。

表2 水工混凝土配合比表

2.2 試驗方法

按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》的相關規定，通過劈拉試驗檢測水工混凝土抗壓強度和抗拉強度。具體而言，使用INSTRON-8501電液伺服萬能試驗機，在試件中部安裝夾式引伸儀，并在等應變控制模式下展開試驗。試驗儀器結構見圖1，通過夾式引伸儀和荷載傳感器量測位移和荷載，并在計算機控制下實時輸出劈拉荷載-位移曲線。因水工混凝土試件在劈拉試驗中主要存在兩種破壞模式，聚丙烯纖維混凝土劈拉荷載-位移曲線的第一峰值小于第二峰值，為保證試驗結果的準確可靠，在抗拉強度計算時統一取第一峰值處荷載值。

圖1 劈拉試驗裝置圖

3 試驗過程及結果

3.1 拌和物性能

為研究聚丙烯纖維摻加后水工混凝土拌和物性能的變化，對普通混凝土拌和物和聚丙烯纖維混凝土拌和物性能展開比較，結果見表3。由表中結果可知，摻加聚丙烯纖維材料后混凝土初凝時間縮短了1～1.50 h，終凝時間也相應縮短，但這種凝結時間的改變與聚丙烯纖維摻量之間無明顯的規律性。聚丙烯纖維混凝土的塌落度損失比普通混凝土低。B-2 組聚丙烯混凝土含氣量明顯增大，通過觀察試件發現，該混合物中纖維分布不均，且明顯成團；其余混合物因纖維分布均勻，而含氣量取值較為接近。

表3 拌和物性能對比

同時B-2組聚丙烯混凝土因纖維分布不均勻，導致混凝土密實性降低，泌水率較大；其余拌和物因纖維的加入而表面析水減少，泌水率均下降。可見，聚丙烯纖維均勻摻加后，可降低拌和物泌水性，提升混凝土保水性。

3.2 抗壓強度及劈拉強度

按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》制作150 mm長、150 mm寬、150 mm高的正方體混凝土試件，并按規范要求養護后，通過液壓機測試7 d和28 d抗壓強度及劈拉強度。根據測試結果，普通混凝土試件的7 d 和28 d 抗壓強度分別為25.43 MPa 和36.21 MPa，劈拉強度為2.23 MPa 和3.21 MPa；聚丙烯纖維混凝土試件B-1 的7 d 和28 d 抗壓強度分別為28.34 MPa和36.73 MPa，劈拉強度為2.47 MPa和3.54 MPa；試件B-2的7 d和28 d抗壓強度分別為28.41 MPa和36.74 MPa，劈拉強度為2.49 MPa和3.56 MPa；試件B-3的7 d和28 d抗壓強度分別為27.60 MPa 和36.01 MPa，劈拉強度為2.50 MPa 和3.61 MPa。結果表明，聚丙烯混凝土抗壓強度與普通混凝土抗壓強度較為接近，聚丙烯纖維的摻加對混凝土抗壓強度的貢獻并不顯著。混凝土劈拉強度隨纖維摻量的增大而增大，纖維摻加對水工混凝土抗裂性能的改善十分明顯。

試驗結果還表明，聚丙烯纖維混凝土試件破壞過程中僅個別試件完全劈裂，大部分試件僅出現裂縫；其試件破壞時存下一個明顯的變形繼續發展但荷載維持原狀的階段。試件開裂后立即卸載，則表面裂縫會隨之閉合，說明聚丙烯纖維材料的摻加能增大混凝土延性和徐變性。

3.3 收縮開裂性能

通過平板法展開混凝土收縮開裂性能試驗。根據試驗結果，聚丙烯纖維混凝土試件中大、中裂縫顯著減少，細小裂縫增多，且細小裂縫在卸載后均閉合，說明聚丙烯纖維材料的摻加能降低混凝土收縮開裂性能。通過分析原因發現，混凝土澆筑完成時含水率較大，因環境溫度等原因，表面水分快速蒸發，出現表層收縮；在內層混凝土限制下出現拉應力及大量不規則裂縫；而摻加聚丙烯纖維材料后，因纖維材料直徑細小，會在混凝土結構中形成三維網格，較好地承受基材收縮而產生的拉應力，起到抑制裂縫產生及卸載后促進細小裂縫閉合效果。

4 應用效果

八岔林水庫工程大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩高最大為65.50 m，壩頂長133 m、寬6 m，壩頂高程735.50 m，上游設3.70 m高的L型防浪墻。上下游壩坡坡比均為1：1.40，壩底最大寬度為187.48 m。為增強堆石壩面板施工效果，使用摻聚丙烯纖維混凝土材料。

該水庫堆石壩面板于2019年10月處澆筑完成，蓄水前，參建各方對混凝土面板展開聯合檢查，共發現9 條裂縫，且均非貫穿性裂縫，裂縫最大長度為1.50 m，最大寬度為0.16 mm，均未超出設計和規范值，無需特殊處理。

因摻加聚丙烯纖維的面板混凝土能有效防止和改善裂縫，使水庫堆石壩在后期運行過程中針對裂縫處理而產生的費用大大減少。根據配合比試驗，該堆石壩面板混凝土中聚丙烯纖維摻加量為1 kg/m3，混凝土施工成本提高不多，但是預防裂縫效果十分顯著。水庫蓄水運行至今，經歷幾次較大規模洪水的檢驗，堆石壩面板各項技術指標均正常。

5 結論

綜上所述，隨著水工混凝土齡期的增長，拉壓比減小，脆性增大，而摻加聚丙烯纖維材料后既會提升水工混凝土粘聚性和抗泌水性，又能影響和改善攪拌工藝。根據試驗及相關研究結果，水泥凝膠體與聚丙烯纖維具有不同的彈性模量。在構件受力后，水泥膠凝體與纖維產生不同的應力應變，膠凝體將部分應力傳遞至纖維，纖維因延伸率較高，故在其與水泥膠體交界面產生剪應力，阻礙混凝土內部裂縫的發生，提升聚丙烯纖維混凝土的韌性和抗裂性能。根據八岔林水庫大壩加固施工效果，聚丙烯纖維材料對混凝土工作性能無不良影響，聚丙烯纖維混凝土在水利水電工程中具有廣闊的應用前景。