東北地區(qū)水利工程中聚丙烯腈纖維混凝土的應(yīng)用分析

李春儂

(大洼區(qū)水利服務(wù)中心，遼寧 盤錦 124200)

我國(guó)東北地區(qū)氣候條件寒冷，水利工程建成后大都處于溫度日變幅大、低溫嚴(yán)寒的運(yùn)行環(huán)境，水工建筑物或混凝土構(gòu)件因較大的晝夜溫差而長(zhǎng)期受到凍融循環(huán)作用，加之各種荷載作用極易出現(xiàn)凍融破壞甚至危及工程穩(wěn)定運(yùn)行[1-2]。針對(duì)東北地區(qū)水利工程凍融破壞缺乏防護(hù)措施，水利工程所處的特殊氣候環(huán)境以及凍融破壞防護(hù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范規(guī)程研究等，可供參考的文獻(xiàn)資料還較少[3-6]。

在混凝土中摻入親和性良好的聚丙烯腈纖維能夠有效提高其抗壓、抗拉強(qiáng)度，通過(guò)試驗(yàn)分析系統(tǒng)研究變溫條件下聚丙烯腈纖維混凝土的力學(xué)特性、質(zhì)量損失率和抗裂性能等，對(duì)于促進(jìn)聚丙烯腈纖維的推廣使用具有積極作用[7-10]。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查，文章全面分析了東北地區(qū)水工混凝土凍融破壞的特征及其原因，通過(guò)試驗(yàn)分析聚丙烯腈纖維混凝土在不同摻量、不同溫度條件下的力學(xué)性能、變形特性、抗裂性及耐久性等，進(jìn)一步提出聚丙烯腈纖維的最優(yōu)摻量及其東北地區(qū)水利工程中的適用性。

1 聚丙烯腈纖維混凝土性能試驗(yàn)方法

1.1 抗裂性能試驗(yàn)

我國(guó)東北特別是遼寧地區(qū)的氣候環(huán)境，相比于其他地區(qū)具有日溫差大、嚴(yán)寒干燥等特點(diǎn)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，混凝土凍融破壞是東北地區(qū)水利工程最常見的破壞形式，普遍存在表面剝落和裂縫的現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)表面剝蝕脫落將大大縮短混凝土的使用壽命，對(duì)工程的安全運(yùn)行也造成潛在威脅。

混凝土中摻入聚丙烯腈纖維可以有效提升凝固過(guò)程中的韌性，對(duì)于混凝土微裂縫的形成與發(fā)展起到較好的控制作用。即使開裂時(shí)，跨接在裂縫兩側(cè)的聚丙烯腈纖維也可以有效減小混凝土的開裂程度[11]。因此，有必要通過(guò)試驗(yàn)研究不同摻量下的聚丙烯腈纖維混凝土抗裂性，揭示混凝土中聚丙烯腈纖維的抗裂機(jī)理和相關(guān)規(guī)律，試驗(yàn)過(guò)程如下：

步驟1：按0.5∶1∶1.5的配比稱取水、水泥、砂的用量，先干拌30s再加入濕拌1min。

步驟2：稱取質(zhì)量0%、0.4%、0.8%、1.2%的聚丙烯腈纖維摻入砂漿中，攪拌機(jī)攪拌3min后注入帶金屬網(wǎng)的木模，木模填充流滿后用刮刀將試件表面刮平。

步驟3：最后利用碘鎢燈和電吹風(fēng)加熱烘干，并測(cè)量試件表面的裂縫長(zhǎng)度與寬度。

文章采用開裂指數(shù)反映混凝土或砂漿的開裂程度，即各等級(jí)所有裂縫的寬度與對(duì)應(yīng)權(quán)值乘積的總和，不同裂縫等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)與權(quán)值如表1所示。

表1 裂縫的等級(jí)與權(quán)值

1.2 質(zhì)量損失率試驗(yàn)

依據(jù)相關(guān)資料合理確定試驗(yàn)配合比，如表2所示。稱取0%、0.4%、0.8%、1.2%的聚丙烯腈纖維摻入按試驗(yàn)配合比拌制的混凝土中，成型脫模后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28d，為了保證計(jì)算精度每3個(gè)試樣為一組。以0℃為基準(zhǔn)，在-20℃、-15℃、-10℃、-5℃、0℃、20℃變溫條件下測(cè)定聚丙烯腈纖維混凝土的質(zhì)量損失率，即每組試件在變溫循環(huán)前、后的飽和質(zhì)量變化率，設(shè)定變溫循環(huán)次數(shù)50次。

表2 試驗(yàn)配合比 kg/m3

1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)配合比同表1，稱取0.4%、0.8%、1.2%聚丙烯腈纖維摻入按試驗(yàn)配合比拌制的混凝土中，成型脫模后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28d，成型試件共24組(每組3個(gè))用于測(cè)試三軸壓縮強(qiáng)度。設(shè)定變溫循環(huán)次數(shù)50次，以0℃為基準(zhǔn)，在-20℃、-15℃、-10℃、-5℃、20℃的變溫條件下，采用RMT-401試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試不同低圍壓作用下各組試件的全過(guò)程壓縮曲線[12]。根據(jù)不同圍壓作用、不同溫度循環(huán)條件且不同聚丙烯腈纖維摻量下的三軸強(qiáng)度值，回歸分析圍壓——軸向應(yīng)力及強(qiáng)度參數(shù)之間的關(guān)系，試驗(yàn)步驟主要包括制樣→變溫循環(huán)→圍壓設(shè)定→控制加載方式→三軸加載，采用軸向位移的加載方式，設(shè)定速率為0.002mm/s。

2 結(jié)果與分析

2.1 常溫下的抗裂特性

常溫下，不同摻量的聚丙烯腈纖維砂漿開裂指數(shù)如圖1所示。試驗(yàn)表明，較基準(zhǔn)砂漿的開裂指數(shù)，摻0.4%、0.8%、1.2%聚丙烯腈纖維的砂漿開裂指數(shù)依次減小了61.2%、66.1%、70.1%。可見，聚丙烯腈纖維能夠明顯改善砂漿的抗裂性能，并且纖維摻量越高則抗裂效果越好。

圖1 不同聚丙烯腈纖維摻量的砂漿開裂指數(shù)

2.2 變溫下的質(zhì)量損失率

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，在0～20℃變溫循環(huán)條件下聚丙烯腈纖維混凝土的質(zhì)量損失率只有0.006%～0.151%，整體處于較低水平，其中以摻量0.8%的聚丙烯腈纖維混凝土質(zhì)量損失率最小，較基準(zhǔn)對(duì)照組減小了94.6%；在-20～20℃變溫循環(huán)條件下聚丙烯腈纖維混凝土的質(zhì)量損失率處于0.207%～0.302%范圍，其中以摻量0.4%的聚丙烯腈纖維混凝土質(zhì)量損失率最小，較基準(zhǔn)對(duì)照組減小了15%。另外，在-20～20℃變溫循環(huán)條件下，混凝土質(zhì)量損失率并非隨聚丙烯腈纖維摻量的增加而增大，如摻量達(dá)到1.2%的聚丙烯腈纖維混凝土質(zhì)量損失率反而>基準(zhǔn)對(duì)照組。

2.3 變溫下的抗剪參數(shù)值

統(tǒng)計(jì)不同圍壓作用、不同溫度循環(huán)條件且不同聚丙烯腈纖維摻量下的三軸壓縮試驗(yàn)抗剪參數(shù)值，如圖2所示。

(a)摩擦系數(shù)f (b)黏聚力C

從圖2可以看出，不同溫度循環(huán)條件下，常溫環(huán)境下隨聚丙烯腈纖維摻量的增加混凝土黏聚力C略微上升，但摩擦系數(shù)f逐漸減小，由此表明聚丙烯腈纖維的摻入在一定程度上弱化了混凝土的抗剪強(qiáng)度；低溫環(huán)境下，經(jīng)凍融循環(huán)后摻聚丙烯腈纖維混凝土的摩擦系數(shù)f和黏聚力C均表現(xiàn)出上升趨勢(shì)。其中，聚丙烯腈纖維摻量為0.8%時(shí)黏聚力C的上升幅度最高接近14%，聚丙烯腈纖維為1.2%時(shí)摩擦系數(shù)f的上升幅度最高達(dá)到18%。由此表明，摻入適量的聚丙烯腈纖維可以有效提高混凝土的低溫力學(xué)性能和抗凍融性能。

2.4 低溫下的抗壓強(qiáng)度

在圍壓2MPa、凍融循環(huán)低溫-20℃條件下，摻量0.4%的聚丙烯腈纖維混凝土變形模量、彈性模量和抗壓強(qiáng)度均高于其它組，相對(duì)于基準(zhǔn)對(duì)照組依次提高了8%、9%、9%。混凝土受凍融循環(huán)產(chǎn)生的損傷利用彈性模量來(lái)衡量時(shí)，則認(rèn)為摻0.4%聚丙烯腈纖維混凝土經(jīng)低溫-20℃的50次凍融循環(huán)的損傷最輕，該變化特征與質(zhì)量損失率相同。因此，聚丙烯腈纖維混凝土摻量越高其力學(xué)特性并非越好[13-15]。

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，摻0.4%聚丙烯腈纖維時(shí)可以有效提高混凝土的抗凍性、抗裂性和低溫力學(xué)性能，在水工混凝土中可以摻入適量聚丙烯腈纖維來(lái)改善其性能。

3 結(jié) 論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)調(diào)查，文章深入分析了高寒地區(qū)水工混凝土的凍融破壞的特征，試驗(yàn)研究了聚丙烯腈纖維的最優(yōu)摻量及其在東北地區(qū)水利工程中的適用性，主要結(jié)論有：

1)聚丙烯腈纖維能夠明顯改善砂漿的抗裂性能，并且纖維摻量越高則抗裂效果越好；不同溫度下的變溫循環(huán)作用所引起的質(zhì)量損失率不同，混凝土質(zhì)量損失率并非隨聚丙烯腈纖維摻量的增加而增大。在0～20℃變溫循環(huán)條件下?lián)?.8%的聚丙烯腈纖維混凝土質(zhì)量損失率最小，在-20～20℃變溫循環(huán)條件下?lián)?.4%的聚丙烯腈纖維混凝土質(zhì)量損失率最小。

2)常溫條件下，聚丙烯腈纖維的摻入在一定程度上弱化了混凝土的抗剪強(qiáng)度；而低溫條件下，混凝土中摻入聚丙烯腈纖維可以有效提高其抗凍融性。總體而言，摻入適量的聚丙烯腈纖維可以有效改善混凝土的低溫力學(xué)性能和抗凍融性能。

3)在圍壓2MPa、凍融循環(huán)低溫-20℃條件下，摻量0.4%的聚丙烯腈纖維混凝土變形模量、彈性模量和抗壓強(qiáng)度較高。因此，對(duì)于寒冷地區(qū)摻0.4%聚丙烯腈纖維時(shí)可以有效提高混凝土的抗凍性、抗裂性和低溫力學(xué)性能，在水工混凝土中摻入適量聚丙烯腈纖維改善其性能。