基于硅粉對鋼纖維水工混凝土力學性能試驗研究

王恒林

(大連市碧流河水庫有限公司，遼寧 大連 116200)

隨著水利工程中硅酸鹽水泥的廣泛應用，在不利因素作用下未添加摻合料的混凝土均會受到不同程度的破壞[1]。水工隧洞受水流的長期沖刷易出現空蝕破壞，特別是北方寒冷地區凍融破壞還是誘發水工結構安全隱患的關鍵因素。硅粉作為納米級顆粒約為水泥的1/100，在混凝土中這種極細顆粒的作用機理包括微填料效應和火山灰效應。將適量硅粉摻入混凝土中有利于改善其耐久性和力學性能，而鋼纖維的摻入能夠改善混凝土密實性，可以控制早期硬化裂縫的形成與發展[2-6]。考慮到單摻硅粉或鋼纖維的水工混凝土缺陷，文章利用鋼纖維抑制硅粉混凝土早期干縮現象及硅粉增加混凝土與鋼纖維之間黏結力的優點，采用鋼纖維與硅粉混摻的方式達到兩者互補的目的，通過試驗研究設計力學性能最好的配合比。

1 混凝土配合比

1.1 試驗原材料

1)水泥。采用海螺P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，其物理力學性能及礦物化學組成按《通用硅酸鹽水泥》，力學性能符合安定性、凝結時間、標稠用水量等標準要求。

2)粗、細骨料。碎石選用石灰巖，堆積體密實干密度1.70g/cm3，松散干密度1.56g/cm3，表觀密度2.80g/cm3，最大粒徑10mm，壓碎值符合建筑用碎石和卵石要求。細骨料選用河砂，細度模數2.80，表觀密度2.65g/cm3，堆積體密實干密度1.62g/cm3，松散干密度1.45g/cm3。

3)硅粉。硅粉密度為2.10g/m3，考慮到硅粉摻量不超過20t，故按照硅粉品質標準暫行規定不檢測其均勻性，質量指標如表1所示。

表1 硅粉質量參數

4)鋼纖維。試驗所用波浪型鋼纖維力學性能指標如表2所示，由河北漢東鋼纖維有限公司提供。

表2 鋼纖維力學性能

5)外加劑。采用科諾QW-4聚羧酸高效減水劑，28d抗壓強度比110%，摻量為0.5%-0.7%時減水率達到15%-20%。

1.2 配合比設計

控制混凝土坍落度200±20mm以滿足施工要求，混凝土中摻入硅粉后坍落度顯著降低，為了補償坍落度的下降可以調整高效減水劑摻量。研究表明，鋼纖維摻量不超過0.5%時的增強作用不明顯，而鋼纖維摻量過高又會加大施工攪拌難度，無法保證鋼纖維分布均勻性，摻量為0.8%時能夠使抗壓強度增強作用達到最佳，故選用80kg/m3作為鋼纖維摻量[7-8]。

采用等量取代的方式將硅粉摻入混凝土中，硅粉摻量取0%、10%、15%、20%四種，并利用正交法設計混凝土配合比，設計強度等級為C30、C35、C40，將試驗材料依據上述配比劃分成12組。科學計算混凝土中外加劑、拌合水和粗細骨料用量，試多次拌后測定其塌落度，觀察保水性和黏聚性均符合要求后確定基準配合比，以等量取代的方式將不同摻量的礦粉加入拌合物中，配置不同水灰比的混凝土，觀察其和易性并測定其塌落度，然后裝模成型放置標養室養護，摻硅粉配合比及基準配合比如表3所示。

表3 混凝土配合比

2 試驗與分析

2.1 抗壓試驗

抗壓強度選用150mm×150mm×150mm試樣檢測，按設計配合比配制成型后放入HBY-Ⅲ型標準養護室(濕度≥98%、溫度20℃±2℃)養護至28d，利用HYE-2000BD型壓力試驗機按《鋼纖維混凝土實驗方法》操作流程測試件強度，多次凍融循環后的鋼纖維硅粉混凝土抗壓強度也按該方法測試。

2.2 凍融試驗

在養護至規定齡期的前4d，從養護室內至取出試件檢查其外觀，然后放入15℃-20℃水中浸泡至規定齡期，完成浸泡后稱重，并利用HDK-9型快速凍融試驗機開始凍融試驗，試驗過程中將原配套橡膠桶模具改裝成鋼板模具，尺寸從原來的400mm×100mm×100m改為150mm×150mm×150mm，在機器右臂中間及底板位置處HDK-9型快速凍融試驗機有3個冷凍劑循環通道，試件放置時要防止通道被堵塞，以防出現高壓保護影響試驗數據。凍、融循環過程中控制試樣中心溫度為-16℃±2℃和8℃±2℃，凍融循環時溫度從-15℃逐漸上升到6℃，控制內外溫差≤28℃。

2.3 動彈性模量試驗

凍融循環每隔25次利用DT-W18動彈模量測定儀測定一次橫向基頻，每次測量前除去混凝土表面浮渣和積水，結合外部損傷情況測定其重量損失。結合測量結果，利用下式計算動彈性模量，即：

Ed=13.244×10-4WL3f2/a4

(1)

式中：W為試件的質量，kg；L為高度，mm；a為截面長度，mm；f為試件的基振頻率，Hz。

2.4 結果與分析

混凝土試件的相對動彈性模量損失率、凍融循環質量損失率以及抗壓強度數據如表4所示。從表4可以看出，較基準組試件摻硅粉的鋼纖維混凝土強度有所增大，并且隨硅粉摻量增加表現出先增大后減少的變化趨勢，抗壓強度值在10%硅粉摻量時達到最大。由于混凝土中摻入的硅粉顆粒與水接觸后能夠快速溶解，并與水化產物Ca(OH)2反應生成C-S-H凝膠均勻分布于水泥顆粒之間，凝膠增強了骨料與鋼纖維間的黏結力，從而使得試件的抗壓強度有所提高。隨著硅粉摻量的不斷增加水泥水化生成的Ca(OH)2完全反應，因無法形成新的凝膠使得試件抗壓強度下降。

表4 試驗數據統計表

通過分析凍融循環下抗壓強度數據可知，凍融循環達到50次時混凝土抗壓強度值有所增大，混凝土內部受凍融循環作用開始出現損傷，損傷不斷積累內部出現裂縫，但并未擴展連通，該階段混凝土試件還具備一定的剛度；凍融循環超過50次時抗壓強度值明顯下降，凍融循環達到75次時摻10%、15%、20%硅粉的鋼纖維混凝土強度下降了約8%、26%、26%。深入分析，混凝土內部孔徑因硅粉的填充作用明顯減小，通道變細增加了水分轉移難度，但硅粉摻量達到一定界限時，隨硅粉摻量的增加混凝土抗凍性不再提高。凍融循環達到150次時3種硅粉摻量的抗壓強度均下降了近50%，混凝土抗凍性隨凍融次數的增加快速下降。隨凍融次數的增加混凝土試件表面開始變得粗糙，水泥砂漿逐漸脫落，部分鋼纖維和細骨料裸露在外，混凝土表面開始脫落個別試件甚至出現棱角掉落。此外，相對動彈性模量和質量損失率均隨著凍融系數的增加而增大，由于混凝土試件的水泥砂漿未產生剝落而吸水率增加使得部分質量損失率為負值。

3 結 論

1)將硅粉摻入鋼纖維混凝土中能夠生成凝膠，凝膠的存在增大了混凝土骨料與鋼纖維之間的黏結力，從而使得抗壓強度提高，混凝土抗壓強度隨硅粉摻量的增加表現出先增大后減小的變化趨勢。

2)將硅粉摻入鋼纖維混凝土中能夠充分發揮硅粉的填充作用，從而改善其抗凍性能。隨凍融次數的增加混凝土相對動彈性模量損失率和質量損失率隨之增大，硅粉摻量為10%時混凝土抗凍性最好，抗壓強度值最高。