纖維混凝土面板開裂條件下的滲透性特征研究

馮磊

（滄州水利勘測設(shè)計院，河北滄州061000）

0 引言

混凝土面板堆石壩是應用十分廣泛的一種壩型，其混凝土面板的設(shè)計和施工是大壩建設(shè)的關(guān)鍵內(nèi)容之一[1]。在當前的混凝土面板設(shè)計施工中，強度是最主要的控制指標，很少考慮環(huán)境因素造成材料結(jié)構(gòu)變化以及適用性的劣化。為了提高混凝土面板的耐久性和抗?jié)B性能，近年來在混凝土面板堆石壩的設(shè)計和施工中開始大量運用纖維混凝土[2]。這種以水泥基料為基礎(chǔ)適當添加各種纖維材料形成的新型材料，具有強度大、抗裂性強、耐久性好等諸多優(yōu)勢[3]。在北方寒區(qū)，由于氣候、水文、地質(zhì)以及施工等多種因素的影響。混凝土面板在施工運行期間極易產(chǎn)生性能劣化和腐蝕等問題，特別是在正常施工和工作的狀態(tài)下，纖維混凝土的表面和內(nèi)部仍舊存在部分微小的裂縫[4]。在諸多水工問題中，混凝土面板是降低其耐久性和安全性的重要因素，會對其滲透性造成顯著影響，并且還可能與其他問題耦合作用，從而產(chǎn)生疊加效應，加速混凝土面板的性能劣化。因此，本文通過劈裂試驗的方式，獲得纖維混凝土面板在開裂條件下的滲透性試驗，獲得相關(guān)的變化規(guī)律，力求為混凝土面板的設(shè)計施工和后期的維護管理提供必要的支持。

1 試驗設(shè)計

1.1 材料與試件

此次試驗采用的是金禺牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥；粗骨料為破碎的石灰石，粒徑范圍為5～20mm；使用的細骨料為天然河沙，其細度模數(shù)為2.6，使用的粉煤灰為電廠生產(chǎn)的F類Ⅱ級粉煤灰，拌合用水為普通自來水；試驗用纖維為聚丙烯纖維，單絲長度為19mm，直徑約30μm。試驗中采取的是混凝土面板常用的C30混凝土[5]。按照相關(guān)的工程技術(shù)規(guī)范，確定面板纖維混凝土的配合比；結(jié)合纖維混凝土的相關(guān)研究成果[6]，設(shè)置X40，X55，X70等3種不同的聚丙烯纖維摻量水平。為了對比研究纖維混凝土面板開裂滲透性能，相同配比（水泥，石子，砂，水，減水劑分別為425.0，1195.0，621.0，163.5，34.5kg/m3）的普通混凝土試件進行對比研究。

研究中的試件制作利用鼓式攪拌機干拌法進行[7]。其中，普通混凝土試件制作中將材料和水全部倒入攪拌機，攪拌3min；纖維混凝土制作時，首先將聚丙烯纖維、砂子、石子、水泥和粉煤灰一起攪拌，時間為2min；然后將水分3個時段倒入，并攪拌1min。在裝模之前清理干凈模具,并在其內(nèi)壁涂刷1層脫模劑，將攪拌制作完成的混凝土分3層裝模，并人工搗固，待初凝之后放入養(yǎng)護箱養(yǎng)護，24h后脫模，之后繼續(xù)養(yǎng)護至28d齡期。

1.2 試驗方法與步驟

為了研究損傷后面板混凝土試件的滲透性特征，研究中利用劈拉試驗的方法制備帶有裂縫的試件[8]。使用3000kN的試驗機對試件進行加載，并利用試驗機自帶的位移傳感器測量裂縫的寬度。

試驗中的滲透系數(shù)測定采用的是南通市測量儀器儀表廠生產(chǎn)的SL352-01滲透系數(shù)測定儀，該儀器主要由試件密封容器和水壓穩(wěn)定平衡兩大系統(tǒng)組成，測量誤差在5%以內(nèi)，完全可以滿足試驗測定要求。根據(jù)試驗目的和實驗設(shè)備的使用要求，確定試驗步驟

1）實驗前將開裂砌纖維混凝土試件放入水中浸泡2d，取出后擦拭掉表面的多余水分、松散物和雜質(zhì)。

2）將試件放入試驗容器，在其下部瀝入80℃的瀝青并在四周涂抹均勻，高度應為試件高度的2/3，在上部填入AB膠，保證試驗中的密封防水作用。

3）在密封材料徹底冷卻之后，將容器置于試驗儀器的支撐框架內(nèi)，并在頂面凹槽部位放好密封圈，然后緊固螺栓，使容器具有良好的密閉性。

4）接通水源管線和壓力源，對容器注水排出容器內(nèi)的空氣，待空氣完全排出后關(guān)閉排氣閥，將壓力調(diào)節(jié)至恒定值。

5）試驗壓力從0.2MPa開始，每間隔8h增加0.1MPa的壓力，直至試件底部全部滲水[8]。然后保持壓力值不變，每隔8h讀取一次滲透水量。當單位時間滲透水量不再增加時停止試驗。

6）所有試驗結(jié)束之后，對試驗數(shù)據(jù)進行整理，分析獲取研究成果。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 普通混凝土損傷滲透性試驗

研究中按照已設(shè)計的試驗思路和方法，對普通混凝土試件進行損傷條件下的滲透性試驗，根據(jù)試驗結(jié)果繪制出如圖1所示的不同有效裂縫寬度下的滲流量隨水壓變化曲線。由圖1可知，在同一水壓條件下，試件的滲流量隨著有效裂縫寬度的增加而增大，在水壓為0.1MPa時，流量的變化范圍為3.2×10-6～22.8×10-6m3/s，增加了約7倍；當水壓為0.6MPa時，滲流量的變化范圍為10.8×10-6～61.5×10-6m3/s，增加了約6倍。對裂縫寬度相同的試件，滲流量隨著水壓的增大而增大，且隨著水壓的增大，增加幅度逐漸降低，增加3倍左右。由此可見，試件的滲流量隨水壓和裂縫寬度的變化具有比較明顯的一致性。

圖1 普通混凝土試件滲流量變化曲線

2.2 纖維混凝土試驗

研究中按照已設(shè)計的試驗思路和方法，對3種不同聚丙烯纖維摻量的混凝土試件進行損傷條件下的滲透性試驗，根據(jù)試驗結(jié)果，繪制出如圖2所示的不同有效裂縫寬度下的滲流量隨水壓變化曲線。由圖2可知，在同一水壓條件下，試件的滲流量隨著有效裂縫寬度的增加而增大；對裂縫寬度相同的試件，滲流量隨著水壓的增大而增大；試件的滲流量隨水壓和裂縫寬度的變化具有比較明顯的一致性。且滲流量隨聚丙烯纖維摻量的增加而減小說明增加纖維含量有助于降低纖維混凝土在損壞條件下的滲流量。整體來看，在其他條件下相同時，纖維混凝土試件的滲流量明顯小于普通混凝土試件，說明在混凝土中添加聚丙烯纖維有助于控制損壞條件下的滲流作用。

圖2 不同聚丙烯摻量混凝土

3 結(jié)語

堆石壩混凝土面板的滲透性也是影響大壩安全穩(wěn)定的重要因素，需要在工程設(shè)計和建設(shè)中予以足夠的重視。基于此，通過實驗室試驗的方式，獲得面板纖維混凝土在損壞情況下的滲流特征：在同一水壓下，混凝土的滲流量隨著裂縫寬度的增加而增大；在同一裂縫寬度下，混凝土的滲流量隨著水壓的增大而增大，但是增加的幅度逐漸降低；整體來看，纖維混凝土試件的滲流量均小于普通混凝土，說明在面板混凝土中添加聚丙烯纖維有助于降低面板損壞條件下的滲流量；隨著纖維添加量的增加，纖維混凝土的滲流量總體呈減小態(tài)勢；建議在條件允許的情況下適當增加纖維摻量，提高混凝土面板的抗?jié)B性能。