鋼纖維摻量對聚合物改性混凝土抗凍融性能的影響研究

張桂金

(建平縣白山水庫管理處，遼寧 建平 122400)

1 概 述

水泥作為人工建筑材料，自19世紀20年代問世以來，已逐漸成為全球用量最大、使用最為廣泛的建筑材料。但是，受到自身材料特性的影響，混凝土的抗拉強度遠小于其抗折強度，在結(jié)構(gòu)受彎時，受拉區(qū)往往會過早產(chǎn)生裂縫，進而造成結(jié)構(gòu)承載力的顯著下降，影響到混凝土抗壓性能的正常發(fā)揮[1]。鋼纖維混凝土是在普通混凝土中摻入一定數(shù)量的鋼纖維形成的，可以有效提升混凝土的抗拉強度和變形能力，已經(jīng)得到理論和工程實踐層面的廣泛驗證[2]。但是，相關(guān)研究也顯示，在受拉破壞過程中，鋼纖維往往被整根拔出，而不是被拉斷，因此，對控制混凝土初裂的貢獻并不大，沒有充分發(fā)揮鋼纖維的積極作用[3]?；诖?，易志堅教授提出了使用聚合物乳液與水泥、集料、鋼纖維拌和而成的一種新型鋼纖維聚合物改性水泥混凝土，利用聚合物材料改善水泥的變形能力，利用鋼纖維提升混凝土的剛度強度，進而充分提升混凝土材料的物理力學(xué)性質(zhì)[4]。此外，聚合物乳液可以顯著提升混凝土的和易性，完全可以利用普通設(shè)備進行施工作業(yè)。因此，鋼纖維聚合物改性混凝土已經(jīng)成為新型混凝土材料領(lǐng)域的重要研究方向。顯然，將鋼纖維聚合物改性混凝土應(yīng)用于水工建設(shè)領(lǐng)域，會受到水、大氣、各類侵蝕以及正負溫度的反復(fù)作用，容易產(chǎn)生各種老化和病害[5]。特別是在北方地區(qū)，晝夜溫差和凍融循環(huán)都會考驗其低溫性能。本文力求通過室內(nèi)試驗方式，探索鋼纖維摻量對聚合物改性混凝土抗凍融性能的影響，為相關(guān)工程設(shè)計和建設(shè)提供必要的支持。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

試驗用水泥為鞍山瑞安水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥；試驗用粗骨料為機制石灰?guī)r碎石，其粒徑范圍為5～10mm；試驗用細集料為普通河砂，為中砂；聚合物乳液為環(huán)氧改性高分子聚合物乳液；研究中使用的鋼纖維為蘇州史尉康彎鉤型鋼纖維，其長度為30mm、直徑為0.5mm、彈性模量為200GPa、抗壓強度為1195MPa。

2.2 試驗方案設(shè)計

為了研究不同鋼纖維摻量對鋼纖維聚合物改性混凝土抗凍融性能的影響，結(jié)合相關(guān)研究成果和工程經(jīng)驗，設(shè)計1%和2%兩種不同的鋼纖維摻量，并將沒有摻加鋼纖維的方案作為對比方案。具體的配合比設(shè)計見表1[6]。

表1 試驗方案配合比設(shè)計

2.3 試件的制作和養(yǎng)護

在試件制作過程中，首先將試模清洗干凈；并在內(nèi)壁上均勻涂抹一層脫模劑；將粗集料、細集料以及水泥加入攪拌機中干拌1min，之后慢慢加入鋼纖維并攪拌2min，之后加入乳液和水并攪拌2min；將拌制好的混凝土裝入試模，并用鋼筋初步插搗，然后放到振動臺上進行振動，然后刮去多余的混凝土并抹平試件的上表面[7]。對制作好的混凝土試件在常溫環(huán)境下蓋模養(yǎng)護24h脫模，然后移動到標準養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護至28d齡期。

2.4 試驗方法

將達到養(yǎng)護齡期的試件編號并擦拭試件表面的水分稱重，然后放入凍融試驗機進行凍融循環(huán)。在-20℃的環(huán)境下凍3h后在常溫水中浸泡1h為一次凍融循環(huán)。本文試驗共進行200次凍融循環(huán)，每25次凍融試驗擦去表面水分并逐一稱重，計算質(zhì)量損失。為了揭示鋼纖維摻量對鋼纖維混凝土基本力學(xué)性能的影響，在50次、100次、150次和200次凍融次數(shù)下進行混凝土的三軸壓縮試驗。根據(jù)纖維混凝土試驗方法標準(CECS 13—2009)中的相關(guān)要求，采用微機伺服粗粒土動靜三軸儀進行試驗[8]。在試驗過程中，首先將混凝土試件放在試驗儀器上，用膠帶將接口部位密封，以防密閉不嚴造成試驗失效[9]。將唯一傳感器與三軸試驗儀連接好，并進行歸零調(diào)整；手動控制壓力缸，使其能夠完全罩住試件；設(shè)置試驗參數(shù)，進行試驗，并做好試驗數(shù)據(jù)的記錄工作。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 質(zhì)量損失試驗結(jié)果與分析

利用上節(jié)的試驗設(shè)計，對不同鋼纖維摻量方案下的鋼纖維聚合物改性混凝土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的質(zhì)量進行測量，并根據(jù)測量結(jié)果，計算出相應(yīng)的質(zhì)量損失率(見圖1)。由圖可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件的質(zhì)量損失率呈現(xiàn)出先小幅下降后持續(xù)增長的特點，在凍融循環(huán)25次時，混凝土的質(zhì)量損失率為負值。究其原因，主要是在循環(huán)試驗的初期，外部的水分會進入混凝土的表面裂縫，導(dǎo)致質(zhì)量有所增大。之后，隨著凍融循環(huán)的影響，試件表面的砂漿開始脫落，因此質(zhì)量損失率逐漸增大。從不同的試驗方案來看，鋼纖維摻量為1%時的質(zhì)量損失率最小，鋼纖維摻量為2%時的質(zhì)量損失率次之，沒有摻加鋼纖維的質(zhì)量損失率最大。由此可見，添加鋼纖維有利于減小試件的質(zhì)量損失率，但是摻量過大反而不利。究其原因，主要是過大的鋼纖維摻量會影響混凝土的均勻性，造成內(nèi)部有害孔隙增多。

圖1 不同計算方案質(zhì)量損失率變化曲線

3.2 相對動彈模量計算結(jié)果與分析

利用試驗數(shù)據(jù)，計算獲取不同計算方案、不同凍融循環(huán)次數(shù)下的混凝土試件相對動彈模量(見表2)。由表中結(jié)果可知，由于受到凍融循環(huán)作用的影響，不同鋼纖維摻量的混凝土試件，相對動彈模量均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，在達到一定次數(shù)之后，其降幅明顯增大。從不同計算方案的對比來看，在200次凍融循環(huán)試驗后沒有摻加鋼纖維的混凝土試件為79.5%、1%鋼纖維摻量混凝土為87.1%、2%鋼纖維摻量混凝土為85.5%。由此可見，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土試件的砂漿和骨料產(chǎn)生明顯的流失，因此，結(jié)構(gòu)逐漸變得松散，因此相對動彈模量逐漸減小。在摻加鋼纖維之后，可以對混凝土基體的破壞起到十分顯著的限制作用，因而緩解混凝土試件的相對動彈模量損傷。由于鋼纖維不易在混凝土中充分分散，較高的摻量會影響混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實性。過高的鋼纖維摻量反而不利于試件動彈模量損失率的控制。

表2 相對動彈模量計算結(jié)果

3.3 抗壓強度計算結(jié)果與分析

利用試驗數(shù)據(jù)，計算獲取不同計算方案、不同凍融循環(huán)次數(shù)下的混凝土試件的抗壓強度(見表3)。由表中結(jié)果可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，各方案混凝土試件的抗壓強度值均呈現(xiàn)出不斷減小的變化特征。在相同的凍融循環(huán)次數(shù)下，摻加鋼纖維混凝土試件的抗壓強度明顯偏大，說明摻加鋼纖維可以有效提升混凝土的抗壓強度。具體來看，在沒有凍融時，方案2和方案3的抗壓強度值分別為50.0MPa和47.6MPa，與方案1的45.1MPa相比分別提高約10.86%和5.54%。在200次凍融之后，方案2和方案3的抗壓強度值分別為41.2MPa和38.4MPa，與方案1的34.1MPa相比分別提高約20.82%和12.6%。究其原因，在摻加鋼纖維之后，混凝土內(nèi)部的裂紋形成和拓展速度明顯減緩，最終表現(xiàn)為抗壓強度的提高。但是，隨著鋼纖維摻量的增加，會出現(xiàn)少量聚集成團現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土漿體的包裹不足，因此，方案3的抗壓強度值低于方案2。

表3 抗壓強度試驗結(jié)果

4 實際工程應(yīng)用效果分析

白山水庫位于遼寧省建平縣白山鄉(xiāng)，在松遼河流域老哈河干流海棠河支流四漢城河中上游，控制流域面積235km2，樞紐主要由均質(zhì)土壩(最大壩高20.90m，壩頂寬3.50m，壩頂長度1030m)、開敞式溢洪道(溢流堰底寬40m，全長360m，設(shè)計泄量608m3/s)、輸水涵洞(φ1.20m，長96m，最大設(shè)計流量7.70m3/s)組成?？値烊?352.10萬m3。是一座以灌溉為主，兼有防洪、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用的中型水利樞紐。經(jīng)過多年的運行，存在“防洪能力偏低；水庫壩基滲漏嚴重；溢洪道年久失修，基礎(chǔ)滲漏嚴重；輸水洞破損嚴重，工作閘門嚴重漏水，輸水能力降低；觀測設(shè)施年久失修，全部報廢”等諸多工程隱患，尤其溢洪道損毀現(xiàn)象十分嚴重，因此，進行了除險加固處理。在溢洪道除險加固施工過程中，根據(jù)工程病險程度和北方氣候特點，使用了鋼纖維聚合物改性混凝土。溢洪道加固施工完成后，經(jīng)過多年運行，經(jīng)歷了十幾個冬季低溫凍融環(huán)境的影響與考驗，混凝土結(jié)構(gòu)部分性狀良好，沒有出現(xiàn)明顯的凍融破壞和碳化現(xiàn)象，顯示出鋼纖維聚合物改性混凝土在北方高寒地區(qū)水利工程領(lǐng)域的良好應(yīng)用效果及價值。

5 結(jié) 論

本文通過室內(nèi)試驗及實際工程應(yīng)用效果分析，探討了鋼纖維摻量對鋼纖維聚合物改性混凝土抗凍融性能的影響，獲得的主要結(jié)論如下：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件的質(zhì)量損失率呈現(xiàn)出先小幅下降后持續(xù)增長，從不同鋼纖維摻量的試驗結(jié)果來看，1%鋼纖維摻量的質(zhì)量損失率最小，2%鋼纖維摻量的質(zhì)量損失率次之，沒有摻加鋼纖維的質(zhì)量損失率最大；不同鋼纖維摻量的混凝土試件，相對動彈模量均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，在達到一定次數(shù)之后，其降幅明顯增大，從最終試驗結(jié)果來看，1%鋼纖維摻量的相對動彈模量最大，2%鋼纖維摻量的相對動彈模量次之，沒有摻加鋼纖維的相對動彈模量最?。浑S著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，各方案混凝土試件的抗壓強度值均呈現(xiàn)出不斷減小的變化特征。從最終試驗結(jié)果來看，1%鋼纖維摻量的抗壓強度值最大，2%鋼纖維摻量的抗壓強度值次之，沒有摻加鋼纖維的抗壓強度值最小。

綜合實驗數(shù)據(jù)，建議在工程設(shè)計和應(yīng)用中選擇1%的鋼纖維摻量，不僅可以獲得較好的抗凍融性能，還可以有效控制施工成本。