纖維改性混凝土在水利工程中的應用研究

鄭學云

（博樂市水利管理站小營盤水管所，新疆 博樂 833400）

0 引言

中國地域遼闊，河流眾多，自然可以利用的水資源也很多，據相關調查研究發現，我國水資源可利用量居世界首位，水資源相對于其他能源來說，不僅可再生，而且清潔和高效，因此越來越多的國家去開發和利用水資源[1]。而在中國，主要的河流都集中在西部地區，而且西部也是許多河流的發源地，西部地區相比于其他地區，主要有海拔變化快、溫差變化快以及地勢復雜等特點，這些特點對水資源的開發和利用提出了嚴峻的考驗。

混凝土很多優良的特點，使得其作為水利工程中不可或缺的一種建筑材料[2]，在我國這種資源大國中，其使用量也是不斷的增加，其建筑材料的霸主地位短時間內還是無法被撼動[3]。但是混凝土也是有一定缺點的，那就是在特殊的環境下，如低溫、高鹽和高沖刷等情況下，其耐久性得不到保障，后期的維修和拆除重建會造成大量的資源浪費。

混凝土的耐久性研究相對較晚，而耐久性是集抵抗碳化、滲透、腐蝕和沖刷等的一個綜合指標，研究材料的耐久性和提高材料的耐久性對于保障工程的安全性是一個必不可少的階段[4～5]。水化熱是由于局部升溫導致混凝土開裂是影響混凝土耐久性的一種重要原因[6～11]。本文以高海拔和低溫的水利工程為研究對象，研究面板混凝土中摻入纖維后耐久性的變化[12]，以期為類似工程提供借鑒意義。

1 原材料及試驗試樣

本次試驗除了應用常規混凝土所需的一些基本材料，如水泥和骨料等，主要的區別在于加入了纖維素纖維，本次試驗選用的纖維是專門為改良混凝土而生產的，這種纖維混合進混凝土以后不會成團，而且隨著攪拌時間越長，其均勻分布效果越好。它的主要優點在于其彈性模量高、比表面積相對較寬，親水性能好和成本低等，傳統的纖維加入混凝土中不是成團就是不能與混凝土很好的結合，這樣的情況在纖維素纖維中幾乎不存在，因此這種材料得到越來越廣泛的用途。其表觀形態見圖1。

圖1 纖維素纖維表觀圖

本次試驗試樣制作的過程參照混凝土制作標準完成，只需在中途加入纖維即可，為了研究不同纖維參量對混凝土性能的影響，制作了幾組不同參量的試樣，分別編號為A0、A1、A2、A3和A4，具體的各組分參量見表1。

表1 纖維混凝土配比表

2 試驗結果分析

2.1 抗壓和劈裂抗拉強度

混凝土的抗壓強度是其主要指標，因此測量其抗壓強度是必不可少的，雖然混凝土的抗拉強度很低，但是也是一個必不可少的測量指標，為了研究不同纖維參量對于混凝土抗拉和抗壓強度的影響，對不同纖維參量混凝土進行試驗得到其抗拉和抗壓強度，見圖2。從圖中可以看出，沒有加入纖維的混凝土的抗壓強度為36.4 MPa，劈裂抗拉強度為2.92 MPa，但是加入纖維過后，抗壓強度增幅很小，抗拉強度在纖維摻量為1.2 kg/m3時，增加了0.58 MPa，增加了19.9%。總的來說，纖維的加入對于混凝土抗壓強度增幅較少，對于其抗拉強度較為明顯，最優的參量為1.2 kg/m3。

圖2 不同纖維摻量混凝土的抗壓和抗拉強度

2.2 抗滲性能

抗滲性能是衡量混凝土耐久性的一個重要指標，尤其當混凝土應用于水環境比較豐富的工程中，如水利工程和海洋工程等。因為在這種環境下，抗滲性與抗凍及抗碳化等性能也存在一些內在聯系，因此對于水利工程中面板抗滲混凝土的抗滲性能研究是必不可少的。因為滲透后對于大壩的影響是很大的，如整體抗滑穩定性[13]、大壩的耐久性和凍脹凍融破壞等。

而混凝土抗滲性大小主要取決于混凝土內部孔隙的大小，因此改善內部孔隙是改善混凝土抗滲性能的主要方法，目前主要有兩種方法，一是加入外摻劑或者憎水性材料，使得內部孔隙率降低[14～15]；再有就是加入纖維，達到減少內部缺陷的目的。

圖3 不同纖維摻量混凝土的滲透系數

圖3是不同纖維摻量混凝土的滲透系數柱狀圖，從圖中可以看出，隨著纖維的增加，混凝土的滲透系數在逐漸降低，纖維摻量分別為 0、0.6 kg/m3、0.9 kg/m3、1.2 kg/m3和 1.5 kg/m3時，滲透系數分別為 1.91×10-10cm/s、1.67×10-10cm/s、1.43×10-10cm/s、1.29×10-10cm/s和1.19×10-10cm/s，最高降低了37.7%，可見纖維的加入對于改善混凝土的抗滲性還是有非常明顯的效果的。

2.3 抗凍性能

凍融破壞常出現在高海拔和低溫地區的水利工程中，因為在這樣的工況之下，混凝土經常與水接觸，長期處于飽水狀態，且隨著季節和溫度的變化會出現凍融循環，經歷過凍融循環的混凝土的性能變化直接影響著工程的安全性[16]，因此，研究凍融循環對于混凝土的影響是必不可少的。

首先制作五組不同纖維摻量的混凝土試樣，每組試樣3個，制作完成后養護90 d，然后泡水4天使其成為飽水狀態后開始進行凍融循環試驗，將凍融循環的溫度分別設置為-18℃±2℃和8℃±2℃，每個溫度是試驗時間為3 h，一個循環時間為6h，分別進行0～300次凍融循環，每個循序次數相差25次，測量每次循環過后試樣的相對動彈性模量，見圖4。

動彈性模量不僅可以反應試樣強度的變化還可反應試樣內部經歷過凍融循環后的損傷情況，與初始的動彈性模量比值即是相對動彈性模量，一般認為，相對動彈性模量低于60%時，試樣破壞。相對動彈性模量計算公式見式（1）。

其中：Pn為經歷過n次循環后的相對動彈性模量；fn為經歷過n次循環后的自振頻率；f0為初始的自振頻率。

圖4 凍融循環對不同纖維摻量混凝土的影響

圖4是不同纖維摻量的混凝土在經歷不同凍融循環次數后的相對動彈模量圖，從圖中可以看出，當循環次數低于75次時，凍融循環對所有的試樣影響都較小，但是當循環次數大于75次后，纖維摻量為0的試樣相對動彈模量開始出現急劇下降，當循環次數達到250次時，此時相對動彈模量已經低于60%，可以認為凍融循環已經造成了試樣的破壞。從圖中還可以看出，當加入纖維過后，凍融循環對其影響較小，當凍融循環次數達到300次時，相對動彈模量仍然高于80%。

纖維的加入能明顯的改善混凝土的內部結構，因為纖維在混凝土內部呈三維亂象分布，能降低內部的孔隙率，減小骨料的沉降和裂縫的產生，而且還能減小外部水分的流入以及內部空氣的流出，也能有效的抵抗凍融循環的影響。

2.4 抗干縮變形

混凝土的干縮變形主要是由于混凝土內部的水分溢出，由于內外濕度的差別以及變形就會使得混凝土內部產生應力，對于混凝土的長期穩定性具有不利的影響[17]。圖5是不同纖維摻量混凝土在不同齡期下的干縮變形圖，從圖中可以出，纖維的加入可以有效的抵制混凝土的干縮變形，但是并不是加入纖維越多，效果越好，當纖維摻量為1.2 kg/m3時，28天齡期下干縮變形最小，比沒有加入纖維的混凝土干縮變形減少了29.8%。

圖5 不同齡期下不同纖維摻量混凝土干縮變形

3 結論

本文以高海拔低溫下的水利工程為背景，對纖維改性混凝土的耐久性進行了一系列研究，研究結果表明：不同纖維摻量對于混凝土的抗壓強度影響不大，當纖維摻量為1.2 kg/m3時，抗拉強度增加最多為19.9%；纖維改性混凝土能明顯的改進混凝土的抗滲性和抗凍性；當纖維摻量為1.2 kg/m3時，干縮變形最小，降低了29.8%。因此纖維能明顯改進混凝土的耐久性且最優摻量為1.2 kg/m3。