水利工程纖維改良注漿材料工程性能研究

陳京林

（廣東水電二局股份有限公司，廣州 511340）

在水利工程的建設中，混凝土漿料是修建各種水工建筑物的重要材料，其強度和各方面物理性質(zhì)直接決定了工程竣工后的使用年限和安全運營［1］。然而當前普通注漿材料存在諸多缺陷，且水泥顆粒難以注入半徑小于0.2mm的孔隙或裂隙中［2］，導致漿料成型后的建筑結構強度低，抗凍抗腐蝕性低等問題突出，給水利工程的安全運行帶來阻礙。纖維材料是目前材料工程領域研究的重點，通常具有良好的拉伸強度、耐沖擊強度、剛性、耐磨性，因此將其應用于注漿材料的研究具有重大意義。

當前國內(nèi)外對纖維改良混凝土進行了相關研究，取得了一系列較好成果。趙宇石等［3］將鋼纖維引入到混凝土體系中，重點分析了擬用于預制地鐵盾構管片的鋼纖維混凝土性能特征，主要包括流動性、抗壓強度和抗拉強度；楊凌等［4］為揭示竹纖維含量和長度對混凝土力學性能的影響，提出了3種含量和3種規(guī)格竹纖維長度的竹纖維混凝土試件進行28 d抗壓、抗折、抗拉強度試驗；吉云鵬等［5］對24個鋼纖維再生混凝土試件進行單軸受壓試驗。通過分析鋼纖維摻量及再生骨料取代率對再生混凝土強度的影響，揭示了鋼纖維再生混凝土的損傷演化機理。此外還有學者通過室內(nèi)試驗對玄武巖纖維混凝土、新型聚丙烯纖維混凝土和聚丙烯粗纖維混凝土的力學性能進行了相關研究［6-8］。本文以玻璃纖維為改良材料，以地聚合物混凝土為改良對象，通過室內(nèi)試驗探究了不同纖維含量下纖維混凝土的抗壓和抗腐蝕性性能，最后還通過電鏡掃描技術分析了不同含量纖維混凝土的破壞方式，研究成果可為相關工程提供參考。

1 試樣原材料

本次試驗制備的復合纖維增強地聚合物混凝土由堿性溶液、中砂、粗骨料、玻璃纖維組成。其中地聚合物是從高爐渣中獲得的礦渣粉，是符合GB/T203標準規(guī)定的?；郀t礦渣，經(jīng)干燥、粉磨（或添加少量石膏一起粉磨）達到相當比表面積且符合相應活性指數(shù)的粉體，活性125，比表面積800，細度D90在10μm以下。氫氧化鈉溶液和硅酸鈉溶液的混合物用作堿活化溶液，摩爾濃度13，是通過將520g氫氧化鈉顆粒溶解在1L蒸餾水中制備的。氫氧化鈉溶液的堿度為2.1，硅酸鈉溶液的堿度為1.5。溶液的比重在試樣澆鑄前一天制備，并充分混合。本文的中砂是通過將堅硬的花崗石粉碎成小于4μm的細顆粒制作而成，細度模數(shù)為2.3，體積密度為1512kg/m3，比重為2.8，而粗骨料使用粒徑為20mm大小的骨料，比重2.7。此外試驗用的玻璃纖維長度直徑0.1mm，長度6mm，水泥采用GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》標準的硅酸鹽水泥。

圖1 聚酰胺類樹脂材料和混凝土漿液

2 實驗設計與試樣制備

試樣制備前先將用NaOH溶液浸泡6h。纖維浸泡后，用水沖洗，直至干凈干燥。干燥完成后，將按尺寸切割的纖維混合在試樣上。使用的試樣是直徑為100mm×100mm×100mm的立方體，養(yǎng)護28d后測試混凝土的抗壓強度。纖維混凝土采用強制式攪拌機攪拌，為使纖維能均勻分散于混凝土中，應通過搖篩或分散機加料。攪拌的投料順序與普通混凝土不同。一種方法是先將粗細骨料、水泥和水加入攪拌機，攪拌均勻后再將纖維加入攪拌。另一種方法分3步，第1步先將粗細骨料攪拌均勻，第2步加入纖維攪拌，第3步將水泥和水加入再攪拌。攪拌大約需要1～2min?；旌暇鶆蚝?，準備放入模具進行養(yǎng)護至28d后取出。本次試驗一共設置了5種纖維摻量，即4%，6%，8%，10%，12%5種摻量，同時還制備了對照組。進行了包括混凝土抗壓、抗腐蝕及斷裂方式的試驗研究?；炷猎O計配合比如表1。

表1 混凝土各組分配合比設計

3 混凝土抗壓強度

圖2給出了不同纖維含量下混凝土養(yǎng)護7，14，28d時的抗壓強度。由圖可知，隨著纖維含量的增加，不同養(yǎng)護時期的混凝土強度均呈增長趨勢，其中普通混凝土28d強度為35.6MPa，纖維含量為4%，6%，8%，12%時，混凝土28d強度為38.7，40.1，43.6，44.9MPa。當纖維含量為12%時，7，14，28d的抗壓強度最大，分別為20.4，29.1，45.8MPa。出現(xiàn)這一增長趨勢是由于在水泥混凝土中摻入短而細且均勻分布的纖維，具有明顯的阻裂效果。纖維摻入水泥混凝土后，這種阻裂作用既存在于混凝土的未硬化的塑性階段，也存在于混凝土的硬化階段。水泥基體在澆筑后的24h內(nèi)抗拉強度很低，若處于約束狀態(tài)，當其所含水分急劇蒸發(fā)時，極易生成大量裂縫，此時，均勻分布于混凝土中的纖維可承受因塑性收縮引起的拉應力，從而阻止或減少裂縫的生成?；炷劣不?，若仍處于約束狀態(tài)，因周圍環(huán)境溫度與濕度的變化而使干縮引起的拉應力超過其抗拉強度時，也極易生成大量裂縫，在此情況下纖維仍可阻止或減少裂縫的生成，因此制作而成的復合纖維混凝土具有較好的抗壓強度。

圖2 不同纖維含量且不同混凝土養(yǎng)護天下混凝土抗壓強度

4 混凝土耐腐蝕性研究

當混凝土塊養(yǎng)護齡期達到28d后，將其分別浸泡在HCI溶液中，濃度分別為5%，8%，10%，浸泡時間為28d。試驗中，普通硅酸鹽混凝土將作為對照組，不進行浸泡，試驗前后主要觀察指標為立方體抗壓強度損失比。圖3為混凝土在酸溶液中的強度損失比。由圖可知，隨著鹽酸溶液的增加，混凝土的強度均出現(xiàn)了損失，但纖維混凝土具有明顯的抗腐蝕性。當鹽酸溶液含量為5%時候，普通混凝土抗壓強度損失比為0.12，而纖維含量為4%，6%，8%，10%，12%的損失比分別為0.08，0.075，0.07，0.061，0.054；當鹽酸溶液含量為8%時候，普通混凝土抗壓強度損失比為0.16，纖維含量為4%，6%，8%，10%，12%的損失比分別為0.09，0.08，0.072，0.065，0.055；當 鹽 酸 溶 液 含 量 為12%時候，普通混凝土抗壓強度損失比為0.19，纖維含量為4%，6%，8%，10%，12%的損失比分別為0.1，0.09，0.082，0.069，0.058。

圖3 混凝土在酸溶液中的強度降低比

5 纖維混凝土破壞方式

圖4為微觀混凝土破壞放大1000倍的SEM圖。由圖可知，普通混凝土的SEM測試結果表明混合物上有氣泡，但沒有分散的纖維，氣泡中也會出現(xiàn)微裂紋。當加入纖維時，混合物中的氣泡量很高，表明有纖維，也有氣泡。氣泡上有微裂紋?；炷粱旌衔锖屠w維之間出現(xiàn)強黏結，因此纖維不會從混凝土混合物中擠出。此外由圖還可看到，混凝土的破壞主要是微裂隙的發(fā)育造成，而纖維連接處的破壞情況較少，說明纖維增韌作用明顯。纖維混凝土在荷載的作用下，即使混凝土發(fā)生開裂現(xiàn)象，纖維還可橫跨裂縫承受拉應力，使混凝土具有良好的韌性。韌性是表征材料抵抗變形性能的重要指標，一般用混凝土的荷載-撓度曲線或拉應力-應變曲線下的面積來表示。此外在具體運用復合材料機理時，應當考慮復合體在拉伸應力方向上有效纖維量的比例和非連續(xù)短纖維的長度修正，盡量同實際情況相符。

圖4 微觀混凝土破壞放大1000倍的SEM圖

6 結語

本文以玻璃纖維為改良材料，以地聚合物混凝土為改良對象，通過室內(nèi)試驗探究了不同纖維含量下纖維混凝土的抗壓和抗腐蝕性性能，最后還通過電鏡掃描技術分析了不同含量纖維混凝土的破壞方式，結果表明，隨著纖維含量的增加，不同養(yǎng)護時期的混凝土強度均呈增長趨勢，當纖維含量為12%時，7，14，28d的抗壓強度最大，分別為20.4，29.1，45.8 MPa。隨著鹽酸溶液的增加，混凝土的強度均出現(xiàn)了損失，但纖維混凝土具有明顯的抗腐蝕性。當鹽酸溶液含量為12%時候，普通混凝土抗壓強度損失比為0.19，纖維含量為4%，6%，8%，10%，12%時，損失比分別為0.1，0.09，0.082，0.069，0.058。此外，混凝土的破壞主要是微裂隙的發(fā)育造成，而纖維連接處的破壞情況較少，說明纖維增韌作用明顯。