纖維改性面板混凝土鹽凍循環試驗研究

張 兵，陳 雷，劉家明，孫娟娟

(1.湖北省水利水電規劃勘測設計院，湖北 武漢 430064；2.鄂北地區水資源配置工程建設與管理局(籌)，湖北 武漢 430061)

面板堆石壩具有穩定性好、排水性能優越、施工導流方便等等諸多優點，在水利工程建設領域扮演著越來越重要的角色，是世界范圍內水利工程廣泛采用的壩型之一。混凝土面板作為堆石壩的重要防滲結構，其耐久性能直接決定了堆石壩的長期安全運營和使用年限[1- 3]。

在某些特殊的地域修建水利工程，不僅受地形地勢的影響，而且還受到惡劣環境的影響，如鹽侵蝕、凍融循環，在復雜環境下對面板混凝土會造成不可逆轉的損傷，導致堆石壩出現滲漏現象，從而影響堆石壩的正常使用[4- 5]。目前，已有一部分關于鹽凍融循環下面板混凝土的試驗研究，主要集中在纖維摻量的影響，根據相關研究表明，適量摻入纖維對面板混凝土的耐久性具有一定的提升作用[6- 10]，但是不同纖維種類對于面板混凝土耐久性的改良效果是有區別的，開展纖維摻用方式對面板混凝土抗鹽凍循環的試驗研究具有重要的工程實踐意義。

本文進行了聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維以及鋼纖維3種纖維改性面板混凝土的鹽凍循環試驗研究，對比分析了3種纖維對面板混凝土的改良效果，以期能為混凝土面板設計和施工提供指導。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

水泥為P.O42.5R普通硅酸鹽水泥，比表面積343m2/kg，平均密度為3.02g/cm3，28d抗壓和抗折強度分別為47.8和7.9MPa。粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰，細度(45μm方孔篩篩余)14%，需水量比為98%，燒失量為5%，二氧化硫含量為1.3%。細骨料為連續級配(Ⅱ區)的天然河砂，細度模數為2.5，粗骨料為人工碎石，粒徑范圍為5～30mm。外加劑包括聚羧酸系高性能減水劑和三萜皂甙高性能引氣劑。

根據對多個水電站面板壩混凝土中纖維種類和摻量調查，目前面板堆石壩工程中常用的纖維分別為聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維以及鋼纖維，聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維屬于合成纖維，而鋼纖維則屬于無機纖維。本文選用的聚丙烯纖維比重為0.91，抗拉強度492MPa，纖維直徑為18～48um，拉伸極限為18%；聚丙烯腈纖維比重1.18魔抗啦強度750MPa，纖維直徑10～15um，拉伸極限為19%；鋼纖維長度為30mm，直徑為0.5mm，彈性模量為230GPa，抗拉強度為1300MPa。

1.2 試驗方案

混凝土面板結構是面板堆石壩最重要的防滲結構之一，因此面板混凝土合理的配合比設計具有十分重要的意義。本試驗暫不考慮水灰比、粉煤灰以及外加劑的影響，從纖維種類和摻量方面對面板混凝土的抗鹽凍侵蝕性能進行分析。本試驗中面板混凝土水灰比均為0.38，粉煤灰摻量均為71kg/m3，減水劑和引氣劑摻量均為0.9%和0.02%，聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維摻量分別為0.5、1.0、1.5kg/m3，鋼纖維摻量分別為30、50、70kg/m3。具體試驗配合比方案見表1。

1.3 試驗方法

首先，按照表1配合比制作面板混凝土試件，試件標準尺寸分別為100mm×100mm×400mm的棱柱體和100mm×100mm×100mm的立方體，棱柱體主要用于質量損失和相對動彈性模量的測試，立方體主要用于抗壓強度測試。然后，將制作好的試件標準養護24d后，將試件放入20±2℃的清水中浸泡4d，然后取出試件清除多余水分，對初始的時間質量、橫向振動基頻以及抗壓強度進行測試。接著，將試件放入3.5%的NaCl溶液中，采用快速凍融法進行鹽凍循環試驗，試件中心溫度設置為-18～5℃，試件表面溫度設置為-25～20℃，每一次凍融循環周期為4h，每進行25次凍融循環對試件進行一次質量、相對動彈性模量和抗壓強度測試，總共進行200次鹽凍循環試驗。最后，對試驗數據進行整理分析。

2 試驗結果分析

2.1 質量損失率

不同纖維摻量下面板混凝土質量損失率隨鹽凍循環次數變化規律如圖1所示。

從圖1可知：在0～25次鹽凍循環下，面板混凝土的質量損失率呈負增長變話趨勢，且不同纖維摻量之間并沒有明顯差異，這主要是因為混凝土內部存在原生孔隙間隙，在初始鹽凍循環下，部分水分進入試件，在試件內部形成結晶，因而導致混凝土質量增大；在25～50次鹽凍循環下，面板混凝土的質量損失率呈逐漸增大趨勢，且未摻加纖維的面板混凝土質量損失率增長速度明顯快于摻入纖維的面板混凝土質量損失率，不同纖維摻量下混凝土質量損失率基本相同；當鹽凍次數超過50次以后，不同纖維摻量面板混凝土的質量損失率逐漸出現差異，具體表現為：當摻入聚丙烯纖維或者聚丙烯腈纖維時，纖維摻量為1%時，質量損失率增長速率最慢，即隨著纖維摻量增加，質量損失率呈先減小后增大變化特征；當摻入鋼纖維時，纖維摻量越高，質量損失率越小。

圖1 質量損失率變化特征

表1 纖維改性面板混凝土試驗配比方案 單位：kg/m3

聚丙烯纖維與聚丙烯腈纖維對于面板混凝土鹽凍循環質量損失率的影響基本相似，當摻入適量纖維后，由于纖維具有很強的拉伸強度和拉伸延展性，可以減緩面板混凝土內部結構裂縫的產生和擴展，同時在混凝土結構表層的纖維對表面砂漿具有一定的黏結作用，可以減少混凝土在鹽凍環境下表層的脫落情況，因而質量損失率減小，但是當纖維摻量超過一定量后，會在面板混凝土中形成團聚現象(分布不均勻)，反而在混凝土試件內部形成缺陷，在鹽凍環境下更容易被侵蝕，因而質量損失率會增大。但是鋼纖維并不會在混凝土中形成明顯的團聚現象(或者說團聚現象不占主導地位)，因此同時鋼纖維具備更強的抗拉強度和較強的黏結作用，有利于阻止混凝土裂縫的擴展，故而隨著摻量增加質量損失率逐漸減小。

2.2 相對動彈性模量

不同纖維摻量下面板混凝土相對動彈性模量隨鹽凍循環次數變化規律如圖2所示。

圖2 相對動彈性模量變化特征

由圖2可知：隨著鹽凍循環次數的增加，面板混凝土的相對動彈性模量逐漸減小，未摻入纖維的混凝土相對動彈性模量近似呈線性降低，摻入纖維后，相對動彈性模量降低速率均有不同程度減小，且鹽凍次數越多，相對動彈性模量下降速度越快；鹽凍循環200次后，未摻入纖維的面板混凝土相對動彈性模量僅為63%，當摻入0.5、1、1.5kg/m3的聚丙烯纖維后，面板混凝土相對動彈性模量分別為69.5%、75%和73%，當摻入0.5、1、1.5kg/m3的聚丙烯腈纖維后，面板混凝土相對動彈性模量分別為71.5%、77.5%和74.5%，當摻入30、50、70kg/m3的鋼纖維后，面板混凝土相對動彈性模量分別為80%、88%和93.2%；鋼纖維對于面板混凝土抗鹽凍性能的提升作用明顯強于聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維，后兩者的改善作用基本相似，聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維的最佳摻量為1kg/m3。

纖維在面板混凝土中以三維亂向的分布狀態存在，可以很好地起到填充裂隙的作用，從而阻斷了裂縫的擴展路徑，降低了混凝土中的孔隙率，使得混凝土更加密實，面板混凝土密實性提高之后，便具有更好的抗滲性能，延緩和降低了水分進入混凝土內部結構的數量，從而在低溫作用下冰對混凝土骨料結構的膨脹損傷也隨之減小，進而削弱了鹽溶液對混凝土結構的侵蝕，因為摻入纖維可以有效改善混凝土的抗鹽凍性能。

2.3 抗壓強度

不同纖維摻量下面板混凝土抗壓強度隨鹽凍循環次數變化規律如圖3所示。

圖3 抗壓強度變化特征

由圖3可知：面板混凝土抗壓強度隨鹽凍循環次數增加呈兩階段變化特征，在0～50次鹽凍次數內，抗壓強度呈緩慢降低趨勢，這是因為鹽凍初期進入試件內部的氯離子較少，面板混凝土以凍循環損傷為主，在50次鹽凍循環之后，抗壓強度開始加速下降，在這一階段由于內外鹽濃度差的作用，氯離子沿著凍損傷裂縫加速滲入混凝土結構中，面板混凝土不僅受凍循環作用，還更多地收到鹽侵蝕的耦合損傷作用，使損傷發展速度加快。

與相對動彈性模量表現一致，當摻入聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維時，最佳摻量為1kg/m3，此時抗壓強度最高，纖維過多會導致局部的團聚現象，使得混凝土內部出現受力不均和應力集中現象，反而導致強度下降；鋼纖維能夠有效改善混凝土的粘結特性雖然摻量過多也會導致一部分分散不均的情況，但對于性能的改善作用占據了主導地位，因而才會呈現隨摻量增加而強度越高的情況。

3 微觀機理分析

對普通面板混凝土、聚丙烯纖維面板混凝土、聚丙烯腈纖維面板混凝土以及鋼纖維面板混凝土的界面過渡區(ITZ)微觀形態進行了對比分析，結果如圖4所示。

圖4 不同面板混凝土電鏡掃描結果

由圖4可知，水化產物大量附著在水泥砂漿表面，而在骨料上覆蓋的水化產物數量較少，其中普通面板混凝土的水化產物覆蓋層較厚，但是可以明顯看到界面過渡區在鹽凍之后存在明顯的裂縫，當摻入纖維之后，一部分水泥砂漿和水化產物附著在纖維上，但聚丙烯腈纖維相對于聚丙烯纖維和鋼纖維而言，附著的水化產物更少，說明其黏接性略差于后兩者；鋼纖維改性面板混凝土相比聚丙烯纖維面板混凝土和聚丙烯腈纖維面板混凝土，其結構分布更加均勻，纖維更加粗大且不彎曲，結構更加致密，微裂縫數量明顯減少，與水泥砂漿基本形成一個整體，因而具有更好的阻裂效果，從而提升自身的抗鹽凍特性。

4 結語

對不同纖維改性面板混凝土進行了抗鹽凍試驗，得出如下結論。

(1)纖維具有填充和黏結作用，同時自身具有較高的抗拉強度，可以抑制裂縫的擴展，相比普通面板混凝土，纖維改性面板混凝土抗鹽凍侵蝕性能有明顯的提升。

(2)鋼纖維在混凝土中分布更加均勻，相比聚丙烯纖維面板混凝土和聚丙烯腈纖維面板混凝土，其結構更加致密，氯離子滲透速度更小，故而抗鹽凍性能更好。

(3)聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維的最佳摻量均為1kg/m3，而面板混凝土抗鹽凍性能隨著鋼纖維摻量的增加而逐漸增強。

(4)本文僅考慮纖維種類和摻量的影響，未將水膠比、外加劑等影響因素考慮進去，這將在今后做進一步補充研究。