纖維素纖維水工混凝土力學與抗滲試驗研究

靳 璐

(新疆水利水電勘測設計研究院 檢測試驗研究中心，烏魯木齊 830000)

1 概 述

隨著我國水利工程建設規模的不斷提升，大型地下洞室工程的數量不斷增多。在地下洞室工程建設領域，襯砌結構滲漏水已經成為通病，不僅影響到工程建設的順利進行，同時也給后期的運行安全造成諸多困擾。從其原因和具體表征來看，襯砌結構開裂造成的滲漏水主要出現在澆筑后的服役階段，偶爾也會出現在澆筑期間[1]。因此，地下洞室工程的結構抗滲防水就成為工程設計和建設中所面監的重要問題。在具體施工過程中，一般采用多道設防、以防為主、剛柔結合、因地制宜、綜合治理的原則[2]，建立混凝土襯砌結構的自防水體系，通過優化混凝土材料及配合比，減少混凝土施工和工程運行期間的裂縫產生，提升襯砌結構的抗滲防水性能。在當前的水工混凝土防裂抗滲研究領域，纖維混凝土是重要的發展方向，而目前應用最為廣泛的是鋼纖維混凝土和聚丙烯纖維混凝土[3]。但是，相關研究表明，纖維素纖維混凝土與上述兩種纖維混凝土相比，其抗裂防滲性能更佳[4]。基于此，本文通過室內試驗的方式，探討不同纖維素纖維和膨脹劑摻量對混凝土力學性能和抗滲性能的影響，以期為相關研究和工程應用提供必要的支持和借鑒。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

水泥是水工混凝土的主要膠凝材料，對混凝土的物理力學性能和抗滲性具有重要影響。此次試驗配置的是C40水工抗滲防水混凝土，因此選用海螺水泥廠出品的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。經抽樣試驗，水泥樣品的初凝時間為180 min，終凝時間為225 min，28 d抗壓強度為52.3 MPa，28 d抗折強度為8.8 MPa，比表面積為368.4 m2/kg。

試驗用細骨料為級配良好、質地堅硬的河沙，其粒徑不大于4.75 mm，細度模數在2.73～2.85之間，含泥量小于1.6%；試驗用粗骨料為5～20 mm的連續級配人工石灰巖碎石，其堆積密度為1 450 kg/m3，壓碎指標為5.8%，各項指標均滿足試驗要求。

水工混凝土制作中可以用一定量的粉煤灰代替水泥，不僅可以提高混凝土的綠色環保屬性，還可以改善水工混凝土的物理力學性能和耐久性。此次試驗中采用的是平圩電廠生產的Ⅱ級粉煤灰，其細度模數為14%，需水量為98.7%，燒失量為2.25%，安定性良好。

在水工混凝土中加入適量的膨脹劑，可以使混凝土在硬化過程中產生一定量的膨脹，抵消混凝土的干縮效應，對防止混凝土的收縮開裂具有重要作用[5]。結合水工混凝土的工作環境，此次試驗選用的是合肥廬江創科牌膨脹劑，主要成分是氧化鈣、氧化鎂、鋁酸鈣熟料、硫鋁酸鈣熟料，具有低摻高效的特點。

試驗用纖維素纖維為武漢鼎強牌纖維素纖維，是選取高寒地區的特殊植物纖維經過機械加工和化學處理制成，具有良好的親水性和高彈性模量，可以有效防止混凝土的收縮裂縫。經過樣品檢驗，其密度為1.1 g/cm3、長度為2～3 mm、抗拉強度為950 MPa，彈性模量為9.2 GPa，極限伸長率為25%。

試驗用減水劑為江蘇蘇博特公司出品的聚羥酸高性能減水劑；試驗用水為普通自來水。

2.2 試驗方案和配合比

結合試驗場地以及各因素對混凝土物理力學性能和抗滲性的影響，此次試驗中選擇纖維素纖維和膨脹劑含量為主要變量[6]，設計0、10和20 kg/m3共3種不同水平的膨脹劑含量以及0、0.5、1.0、1.5和2.0 kg/m3共5種不同水平的纖維素纖維含量進行試驗。混凝土材料的水膠比為0.35，砂率為40%，水泥用量為285 kg/m3，粉煤灰用量為38 kg/m3，粗細骨料用量為726.9 kg/m3，粗骨料用量為1 090.3 kg/m3，用水量為172.4 kg/m3，減水劑用量為3.22 kg/m3。

2.3 試件制作

按照不同方案的配合比稱量好材料，利用二次投料預拌水泥砂漿法進行混凝土的制作，目的是實現各種材料的充分攪拌和均勻混合[7]。首先，將粗、細骨料導入攪拌機攪拌并均勻撒入纖維素纖維，然后繼續攪拌1 min；將水泥、粉煤灰、膨脹劑倒入攪拌機，攪拌3 min；最后，將減水劑和水倒入攪拌機攪拌1.5 min。將拌制好的混凝土倒入試模，然后放在振動臺上充分振搗，完畢之后用灰刀將表面抹平，放在背陰處靜置24 h拆模編號，再放進標準養護室養護至試驗規定齡期。

2.4 試驗方法

在抗壓和抗折強度試驗之前，應該取出試件并擦拭表面水分晾干。試驗采用CSS-YAW3000電液伺服萬能試驗機進行。抗壓試驗的加載速率為0.5 MPa/s；抗折試驗的加載速率為0.08 MPa/s。

試驗中的抗滲性試驗采用滲透高度法進行。試驗中，將試件在0.8 MPa的恒定水壓下維持24 h，每個試件均布測量10個測點的滲水高度，每組試驗測試6個試樣，將其均值作為最終試驗結果，然后計算獲取試樣的相對滲透系數[8]。

3 試驗結果與分析

3.1 抗壓強度

對不同膨脹劑含量和纖維素纖維含量試件的抗壓強度進行測試，結果見圖1。由圖1可知，試件的抗壓強度隨著纖維素纖維含量的增加呈現出先迅速增加、后逐漸趨于平穩的變化趨勢。究其原因，主要是添加高彈模的纖維素纖維之后，混凝土的整體性可以得到顯著提升，并表現為抗壓強度的增加。但是，隨著纖維素纖維含量的進一步增大，拌和過程中纖維的均勻度會受到一定的影響，因此抗壓強度的提升明顯趨緩。從抗壓強度試驗結果和經濟性考慮，纖維素纖維的摻量以1.0 kg/m3為最佳。從不同膨脹劑含量的試驗結果來看，試件的抗壓強度隨著膨脹劑含量的增加呈現出先增大、后減小的變化特點。究其原因，主要是添加一定量的膨脹劑有助于提高混凝土的密實度，進而提高試件的抗壓強度，而過量的膨脹劑摻入反而會改變混凝土的內部結構，不利于抗壓強度的進一步提高。

圖1 抗壓強度隨纖維素纖維含量變化曲線

3.2 抗折強度

對不同膨脹劑含量和纖維素纖維含量試件的抗折強度進行測試，結果見圖2。由圖2可知，抗折強度的變化特征與抗壓強度類似。首先，試件的抗折強度隨著纖維素纖維含量的增加呈現出先迅速增加、后逐漸趨于平穩的變化特征，隨著膨脹劑含量的增加呈現出先增加、后減小的變化特點，其原因也與抗壓強度類似，這里不再敷述。因此，從抗折性能和經濟性的視角來看，在纖維素纖維抗裂混凝土的設計來看，推薦1.0 kg/m3的纖維素纖維含量和10 kg/m3的膨脹劑含量。

圖2 抗折強度隨纖維素纖維含量變化曲線

3.3 抗滲性

對不同膨脹劑含量和纖維素纖維含量試件的抗折強度進行測試，結果見圖3。由圖3可知，不同膨脹劑含量下的混凝土試件的相對滲透系數隨著纖維素纖維含量的增加呈現出先迅速減小、后緩慢增加的變化特征。究其原因，主要是隨著纖維素纖維含量的增加，混凝土的抗壓和抗折強度明顯增大，抗裂性能明顯增強，因此混凝土內部的孔隙和微裂縫明顯減少，試件的相對滲透系數迅速減小。但是，隨著纖維素纖維摻量的進一步增加，纖維素纖維在混凝土內部的分布均勻度會受到影響，特別是摻量過高的話，會出現在混凝土內部聚團現象，反而不利于混凝土內部密實度的提升，因此造成相對滲透系數的緩慢增加。從不同的膨脹劑含量來看，試件的相對滲透系數隨膨脹劑含量也呈現出先減小、后小幅增加的變化特點。究其原因，主要是隨著膨脹劑摻量的增加，其膨脹作用可以有效抵消混凝土的干縮效應，提高混凝土內部的密實度，減少干縮裂縫，因此相對滲透系數明顯減小。但是，進一步增加膨脹劑的含量，其過大的膨脹作用反而會影響混凝土的內部結構，不利于內部密實度的提升，因此相對滲透系數有所增大。

圖3 相對滲透系數隨纖維素纖維含量變化曲線

4 結 論

此次研究以室內試驗的方式，探討了纖維素纖維混凝土的力學和抗滲性能變化規律，主要結論如下：

1) 試件的抗壓強度和抗折強度隨著纖維素纖維含量的增加呈現出先迅速增加、后逐漸趨于平穩，隨著膨脹劑含量的增加呈現出先增加、后減小的變化特征。

2) 混凝土試件的相對滲透系數隨著纖維素纖維和膨脹劑含量的增加呈現出先迅速減小、后緩慢增加的變化特征。

3) 綜合力學性質和抗滲性試驗結果以及工程經濟性，建議在具體工程設計中添加1 kg/m3的纖維素纖維和10 kg/m3的膨脹劑。