尼龍纖維對水工砌塊干硬混凝土性能影響的試驗研究

王占旺

(北京京水建設集團有限公司，北京 100193)

1 概 述

進入新時期以來，我國的水利工程建設不斷加快，對水工材料和施工技術也提出了更高的要求。在現(xiàn)階段，混凝土是水利工程建設中使用最廣泛、用量最大的人造材料，對水利工程建設具有不可或缺的重要作用[1]。干硬性混凝土是一種低水灰比混凝土材料，具有快硬早強的優(yōu)勢，將其用于水利工程砌塊的工業(yè)化生產(chǎn)具有重要意義，可以大幅縮短工期，降低工程成本[2]。當然，干硬性混凝土的缺陷也十分明顯，主要是脆性大、易開裂，適應變形能力不足，這也對其在水工砌塊生產(chǎn)領域的應用造成諸多困擾。因此，通過輔助材料添加改善其物理和力學性能就成為亟待解決的重要工程問題。另一方面，隨著合成纖維的大量生產(chǎn)和使用，廢棄化學纖維制品的污染治理已經(jīng)成為世界性的難題，而最理想的方法無疑是分類回收和資源化利用[3]。相關研究顯示，尼龍纖維織物具有抗拉強度高、耐磨損、耐腐蝕的特點，在混凝土中摻入一定量的尼龍纖維可以有效改善混凝土的物理力學性能，同時還可以實現(xiàn)廢棄物的資源化利用，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟價值和生態(tài)價值。基于此，本文擬通過室內(nèi)試驗的方式，探討尼龍纖維對干硬混凝土性能的影響，為其工程應用提供有益的借鑒[4]。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

水泥是干硬混凝土的主要膠凝材料，會對混凝土的性能產(chǎn)生直接影響。此次研究選擇唐山北方水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。對水泥樣品實驗室測定結果顯示，其初凝和終凝時間分別為137和194 min；28 d抗壓和抗折強度分別為50.5和8.3 MPa；標準稠度用水量為28.5%，各項指標均滿足相關規(guī)范的要求。

試驗用粗骨料為人工碎石，巖性為石灰?guī)r，硬度較大，其粒徑范圍為5～10 mm，級配良好，其表觀密度為2 670 kg/m3，堆積密度為1 510 kg/m3，壓碎率小于3.5%，含泥量小于1%。試驗用細骨料為天然河沙，其表觀密度為2 640 kg/m3，堆積密度為1 480 kg/m3，其含泥量為2.1%，細度模數(shù)為2.89，屬于級配良好的Ⅱ區(qū)中砂。試驗用粉煤灰為華能集團下屬的冀東發(fā)電廠生產(chǎn)的 F 類 I 級粉煤灰，其含水量為0.3%，燒失量不大于3.5%，密度為2.6 g/cm3。

試驗用減水劑為青島匯南建材有限公司出品的聚羥酸高效減水劑，其減水率為28%，密度為1.033 g/cm3，pH值為3.88，含氣量為2.8%。試驗用引氣劑采用的是SB-G 型混凝土引氣劑。試驗用水為普通自來水。

試驗中使用的尼龍纖維來自廢舊衣物中回收的尼龍織物，其平均長度為30 mm，其熔點為260℃，橫向抗拉力為510 N，縱向抗拉力為760 N。

2.2 試驗方案

試驗的主要目的是探究尼龍纖維及其摻量對干硬性混凝土性能的影響，為工程應用提供最佳摻量參考。因此，在試驗中首先以相關的技術規(guī)范和工程經(jīng)驗為基礎，確定干硬混凝土的基礎配合比，然后保持水灰比、骨料和水泥摻量不變，向混凝土中摻加不同比例的尼龍纖維進行試驗[5]。結合普通混凝土中摻加尼龍纖維的試驗數(shù)據(jù)和結論，設置在每立方米混凝土中摻加0、0.5、1、1.5、2、2.5和3 kg等7種不同尼龍纖維摻量進行試驗。具體的試驗方案和配合比設計見表1。

2.3 試驗方法

由于干硬性混凝土含水量小，流動性較差，不適合采用傳統(tǒng)的混凝土試塊制作方式，而需要利用機械強制振動使其成型[6]。結合上述要求和室內(nèi)試驗條件，采用在模具上疊加重物然后再放到振動臺上振動的方式成型。試驗中采用的150 mm×150 mm×150 mm的立方體標準試模，加壓裝置為配有加壓彈簧和壓力計的千斤頂，振動臺為金禾牌混凝土振動臺。在試驗過程中，首先按照試驗方案配置好干硬性混凝土，然后將其裝入試模并在振動臺上加壓振動50 s，將成型后的混凝土試塊立即拆模編號，然后放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至規(guī)定齡期[7]。對達到試驗齡期的混凝土試塊進行抗壓、抗折強度和劈裂性能試驗，每種試驗方案試驗3個試塊，以其試驗數(shù)據(jù)的均值作為最終試驗結果。其中，抗壓強度試驗使用2 000 kN壓力試驗機，抗折試驗使用300 kN 抗折試驗機，混凝土的抗裂性能采用圓環(huán)法進行[8]。

3 試驗結果與分析

3.1 抗壓強度

按照上節(jié)的試驗方案和方法，對各試驗方案的干硬混凝土試塊7、14和28 d齡期的抗壓強度進行試驗，結果見表2。根據(jù)表2中的試驗數(shù)據(jù)，繪制出試塊的抗壓強度隨尼龍纖維摻量的變化曲線，結果見圖1。

表2 各方案抗壓強度試驗結果

圖1 抗壓強度隨尼龍纖維摻量變化曲線

由表2可以看出，摻加尼龍纖維各方案干硬混凝土試塊的抗壓強度均大于不摻加尼龍纖維方案，且增幅比較明顯。由此可見，在干硬混凝土中摻加一定量的尼龍纖維可以顯著提升其抗壓強度。從圖1可以看出，在不同齡期條件下，隨著尼龍纖維摻量的增加干硬混凝土試塊的抗壓強度均呈現(xiàn)出先迅速增大后緩慢減小的變化特點。在7和28 d齡期，當尼龍纖維的摻量為1.5 kg時抗壓強度最大；在14 d齡期，當尼龍纖維的摻量為2.0 kg時抗壓強度最大。究其原因，在干硬混凝土中摻加尼龍纖維，可以有效提高混凝土的整體性，因此抗壓強度獲得顯著提升。但是，隨著摻加量的進一步增加，較多的尼龍纖維在混凝土中不易分散，且容易出現(xiàn)聚團現(xiàn)象，抗壓強度反而會有所降低。

3.2 抗折強度

對各試驗方案的干硬混凝土試塊7、14和28 d齡期的抗折強度進行試驗，結果見表3所示。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制出抗折強度隨尼龍纖維摻量的變化曲線，結果見圖2。由表3和圖2可以看出，與抗壓強度類似，摻加尼龍纖維各方案干硬混凝土試塊的抗折強度均顯著大于未摻加尼龍纖維方案，說明在干硬混凝土中摻加一定量的尼龍纖維可以顯著提升其抗折強度。從抗折強度的變化趨勢來看，各齡期干硬混凝土的抗折強度均隨著尼龍纖維的摻量先迅速增大后逐步減小，其原因與抗壓強度相同，這里不再贅述。與抗壓強度不同的是，當尼龍纖維摻量為1.5 kg時所有齡期的試塊抗折強度均最大。

表3 各方案抗折強度試驗結果

圖2 抗折強度隨尼龍纖維摻量變化曲線

3.3 抗裂性能

混凝土為典型的塑性材料，在其制作過程中會受到溫度荷載、水化熱以及自收縮性能等諸多因素的影響，往往會出現(xiàn)一些裂縫，對混凝土的物理力學性能和滲透性造成不利影響。對水工混凝土而言，其抗裂性能顯得尤為重要。基于此，此次研究中利用圓環(huán)法對不同試驗方案干硬混凝土的抗裂性能進行試驗研究，獲得不同尼龍摻量和不同齡期條件干硬混凝土試塊的開裂時間，結果見表4。根據(jù)表4中的試驗數(shù)據(jù)，繪制出試塊開裂時間隨尼龍纖維摻量的變化曲線，見圖3。由表4可以看出，在干硬混凝土中摻入尼龍纖維，可以顯著改善其抗裂性能，特別是對混凝土早期抗裂性能的改善作用比較明顯，這對于干硬混凝土砌塊的制作較為有利。由圖3可以看出，隨著尼龍纖維摻量的增大，干硬混凝土的開裂時間呈現(xiàn)出迅速增大并逐步趨于穩(wěn)定的變化特點。由此可見，大量增加尼龍纖維的摻量并不能顯著提升其抗裂性能。

表4 各方案抗裂性能試驗結果

圖3 開裂時間隨尼龍纖維摻量變化曲線

4 結 論

此次研究通過室內(nèi)試驗的方式，探討了尼龍纖維摻量對干硬混凝土力學性能的影響，主要結論如下：

1) 隨著尼龍纖維摻量的增大，干硬混凝土的抗壓強度和抗折強度呈現(xiàn)出先迅速增大后逐漸減小的變化特點，當尼龍纖維摻加量為1.5%時，抗壓和抗折強度值最大。

2) 試件的開裂時間隨著尼龍纖維摻量的增加呈現(xiàn)出先迅速增加后逐漸趨于穩(wěn)定的變化特點。

3) 綜合研究成果，建議在干硬混凝土制作過程中，摻加1.5%的尼龍纖維。