水下自密實混凝土纖維摻量試驗研究

郭春紅

(河北省子牙河河務中心，河北 衡水 053000)

我國的水資源總量較為豐富，但是人均水資源量僅為全球均值的六分之一，水資源不足已經成為制約我國社會經濟發(fā)展的重要因素。此外，時空分布不均是我國水資源的另一個重要特點，進一步影響水資源的優(yōu)化配置。面對這一問題，長距離、跨流域調水就成為重要的工程技術手段[1]。一般來說，長距離調水工程需要面臨復雜的地質環(huán)境條件，供水保障要求較高，一旦在運行期間發(fā)生工程事故或險情，必然會造成比較大的經濟損失和嚴重的社會影響[2]。因此，必須建立針對長距離輸水工程的應急搶險以及快速修復技術。在長距離輸水工程中，輸水明渠是最常見的工程形式之一，具有投資水平低，建設周期短的優(yōu)勢，但是襯砌板在施工和運行期間可能出現(xiàn)破損、裂縫等各種工程問題，而這些問題往往又出現(xiàn)在水位線以下部位，處理起來具有較大難度[3]?；诖搜邪l(fā)高性能的水下自密實混凝土顯得尤為重要，可以在不影響渠道供水功能的情況下進行水下襯砌混凝土的大面積修復，將修復工程的影響降到最低限度。

在水下自密實混凝土的制備方面，需要其兼有高流動性和強度，而混凝土材料本身的抗拉強度低、韌性差，高強度自密實混凝土的水膠比本身就偏低，膠凝材料用量較大，相對于普通混凝土，更容易發(fā)生塑性開裂[4]。相關研究顯示，在混凝土材料中加入一定量的纖維，可以有效改善其抗裂性能[5]。但是，單一纖維摻入始終存在一些難以克服的缺陷和不足，而將高彈模和低彈模纖維進行混摻，相互取長補短，從而增強混凝土性能成為水工領域的重要研究課題?；诖?，此次研究通過室內試驗的方式，選擇鋼纖維和聚丙烯纖維作為混摻纖維材料，展開水下自密實混凝土纖維摻量優(yōu)化試驗研究，力求為相關工程設計和建設提供必要的支持和借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

水泥是水下自密實混凝土制備中使用的主要膠結材料，試驗中選用的是大連市小野水泥制品有限公司生產的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。經試驗室測定，其初凝和終凝時間分別為145 和194min，28 d抗壓和抗折強度分別為9.5 和52.9MPa，材料的各種性能指標均滿足試驗要求。

由于水下自密實混凝土具有較大的漿體總量，僅適用水泥一種膠凝材料會大幅增加其硬化收縮，因此選擇粉煤灰作為礦物摻合料。此次試驗選擇的是大連華能電廠生產的I級粉煤灰，從試驗樣品來看，具有細度小、需水量少，完全滿足水下自密實混凝土的制備要求。

試驗中的細骨料選用的是細度模數(shù)為2.73的河沙，其表觀密度大約為2630kg/m3；試驗用粗骨料為人工石灰?guī)r碎石，其顆粒級配為5～20mm，表觀密度約為2700kg/m3；試驗用減水劑為北京巴斯夫化學建材有限公司生產的聚羥酸減水劑，試驗用水為普通自來水。

試驗纖維有2種，分別為鋼纖維和聚丙烯纖維。其中，鋼纖維的彈性模量高，具有優(yōu)良的物理性能。試驗用鋼纖維由唐山宏達建材有限公司出品；試驗用聚丙烯纖維為一種低彈性模量纖維，具有強度高、成本低、比重小、不易吸水的優(yōu)勢。此次研究中的聚丙烯纖維由山東濟南愛信工程材料有限公司出品。

1.2 試驗設計

研究根據(jù)水下自密實混凝土的相關研究成果以及理論計算，確定自密實混凝土的質量配合比[6]。其中，水膠比為0.3，砂率為0.492、減水劑的用量為膠凝材料的1.57%。每立方米自密實混凝土水泥、粗骨料、細骨料、粉煤灰、水的用量分別為425 、830、822 、106以及158 kg。

在混凝土的制備過程中，必須要保證纖維攪拌均勻，因此應適當延長攪拌時間[7]。在制備環(huán)節(jié)，首先根據(jù)配合比設計稱量材料用量，然后先將骨料和膠凝材料放入攪拌機攪拌30 s，再均勻放入纖維攪拌60 s，最后加入水和減水劑攪拌90 s。

在水下自密實混凝土制作完畢之后，根據(jù)DL/T 5720—2015《水工自密實混凝土技術規(guī)程》的要求和試驗方法，測試塌落度，評價以流動性為主的混凝土工作性能。將制備的混凝土進行水下成型和養(yǎng)護，在達到28d齡期之后，按照SL 352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》的相關要求進行水下抗壓強度測試，以評價混凝土的力學性能。

2 試驗方案與結果分析

2.1 單摻鋼纖維

根據(jù)相關研究和工程經驗，鋼纖維摻量一般不超過3%[8]。因此，研究設計了0%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%等7種不同的鋼纖維摻量進行試驗。根據(jù)試驗結果，繪制水下自密實混凝土塌落度和抗壓強度隨鋼纖維含量的變化曲線，如圖1—2所示。

圖1 塌落度隨鋼纖維含量變化曲線

圖2 抗壓強度隨鋼纖維摻量的變化曲線

由試驗結果可以看出，水下自密實混凝土的塌落度會隨著鋼纖維摻量的增加而減小，原因可能是纖維的表面會吸附部分水分和減水劑，造成塌落度有所降低。從具體的變化趨勢來看，隨著鋼纖維摻量的增加，塌落度呈先小幅下降后迅速降低的變化特點，當鋼纖維摻量大于2%時的降幅明顯擴大。另一方面，混凝土的抗壓強度會隨著纖維含量的增加而增加，原因是鋼纖維在混凝土中的均勻分布可以形成一種網狀結構，與混凝土中的骨料共同作用，形成受力框架，顯著提高混凝土的抗壓強度。從具體的變化特點來看，隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土的抗壓強度迅速增加并逐漸趨于平穩(wěn)，且摻量大于2%時抗壓強度的增加量極為有限。綜合塌落度和抗壓強度的試驗結果，鋼纖維的摻量應該在1%～2%為宜。

2.2 單摻聚丙烯纖維

結合相關研究和工程經驗，研究設計了0%、0.5%、1%、1.5%、2%5種不同的聚丙烯纖維摻量進行試驗。根據(jù)試驗結果，繪制水下自密實混凝土塌落度和抗壓強度隨聚丙烯纖維含量的變化曲線，如圖3—4所示。

圖3 塌落度隨聚丙烯纖維摻量變化曲線

圖4 抗壓強度隨聚丙烯纖維變化曲線

由試驗結果可以看出，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，水下自密實混凝土的塌落度呈不斷減小的變化特點，其原因和鋼纖維混凝土相似，這里不再贅述。從具體的變化規(guī)律看，當聚丙烯纖維摻量大于1%時，混凝土的塌落度的降幅明顯擴大。從抗壓強度來看，隨著聚丙烯纖維含量的增加，水下自密實混凝土的抗壓強度呈先迅速增加后趨于平穩(wěn)之后小幅下降的變化特點。究其原因，可能是較大的聚丙烯纖維給混凝土的拌合造成一定困難，在混凝土中容易出現(xiàn)成團現(xiàn)象，造成混凝土內部的密實性下降，因此不利于抗壓強度的提升。綜合試驗結果，在水下自密實混凝土的制備過程中，聚丙烯纖維的摻量應在0.5%～1%左右。

2.3 鋼纖維與聚丙烯纖維混摻

結合上文試驗結果，將鋼纖維的含量控制在1%～2%，將聚丙烯纖維的含量控制在0.5%～1%，設計6種不同的混摻纖維方案進行試驗，方案設計與試驗結果見表1。

表1 纖維混摻方案試驗結果

由表1中的試驗結果可以看出，在纖維混摻的情況下，塌落度和抗壓強度的變化幅度明顯變小，這說明混摻纖維可以在塌落度和抗壓強度2個指標之間起到一定的均衡作用?；谠囼灲Y果和工程的經濟性，認為鋼纖維摻量1.5%、聚丙烯纖維摻量0.5%的方案不僅可以保持較好的塌落度，且抗壓強度相對較高，為最佳混摻方案，建議在工程條件允許的情況下選用。

3 結論

此次研究通過室內試驗的方法，探討了纖維摻量對水下自密實混凝土工作和力學性能的影響，獲得的主要結論如下。

(1)水下自密實混凝土的塌落度會隨著鋼纖維摻量的增加而減小，抗壓強度會隨著鋼纖維摻量的增加而增加；綜合考慮塌落度和抗壓強度，鋼纖維的摻量應該在1%～2%為宜。

(2)隨著聚丙烯纖維摻量的增加，水下自密實混凝土的塌落度呈不斷減小的變化特點，抗壓強度呈先迅速增加后趨于平穩(wěn)之后小幅下降的變化特點。綜合試驗結果，聚丙烯纖維的摻量應在0.5%～1%左右。

(3)基于混摻試驗結果和工程的經濟性，認為鋼纖維摻量1.5%、聚丙烯纖維摻量0.5%的方案不僅可以保持較好的塌落度，且抗壓強度相對較高，為最佳方案。