混摻纖維對復(fù)合鹽侵蝕環(huán)境下水工混凝土性能的影響

唐英權(quán)

(東莞市正源工程質(zhì)量檢測有限公司,廣東 東莞 523012)

1 概述

我國的西北和東部沿海地區(qū)有大面積的鹽漬區(qū)分布，其土壤和水體中的含鹽量較高，會對水利工程結(jié)構(gòu)，特別是大體積混凝土結(jié)構(gòu)造成比較明顯的侵蝕，不利于工程耐久性的提升[1]。而鹽漬區(qū)的水利工程服役年限普遍較低，且經(jīng)常需要修繕加固，造成了比較大的人力和物力浪費[2]。因此，提高水利工程結(jié)構(gòu)鹽類侵蝕作用下的耐久性具有十分重要的意義。

鹽湖和濱海鹽漬區(qū)的水體和土壤中所含的鹽分是復(fù)雜的，屬于十分典型的復(fù)合鹽環(huán)境條件，其對水工混凝土的侵蝕作用與單一鹽環(huán)境存在一定的差別[3]。從目前的研究現(xiàn)狀來看，關(guān)于水工混凝土侵蝕作用的研究主要針對單一鹽類開展，針對復(fù)合鹽的研究不多。另一方面，諸多學(xué)者也在水工混凝土抗侵蝕作用方面進行了研究和探索。相關(guān)成果和工程經(jīng)驗顯示，在水工混凝土中加入一定的纖維材料，可以顯著改善水工混凝土在鹽類侵蝕作用下的物理和力學(xué)性能，而此類研究主要針對單一纖維展開，針對混摻纖維的研究不多[4]。基于此，本次研究選擇硫酸鈉、氯化鎂和氯化鈉3種鹽類，鋼纖維和聚丙烯纖維2種常用纖維，展開復(fù)合鹽侵蝕條件下混摻纖維對水工混凝土力學(xué)性能試驗，以期為理論建設(shè)和工程應(yīng)用提供支持和借鑒。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

研究中選擇水工建設(shè)領(lǐng)域常用的C30混凝土。在混凝土制作過程中使用水泥和粉煤灰2種主要膠凝材料。其中水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰為電廠二級粉煤灰。對試驗樣品進行測定，2種主要膠凝材料的物理性質(zhì)和化學(xué)組成見表1—2。

表1 試驗用膠凝材料物理性能

表2 膠凝材料化學(xué)組成

試驗中的骨料包括粗骨料和細骨料，其中，細骨料為天然河沙，其粒徑范圍為0.15～4.75mm，為中砂，其堆積密度為2260kg/m3，含泥量不超過3.5%。粗骨料為人工石灰?guī)r碎石，其堆積密度為2372kg/m3；壓碎指標為6.5%。

試驗用纖維為鋼纖維和聚丙烯纖維。其中，鋼纖維為波浪形鋼纖維。長度為38mm，彈性模量為200GPa，抗拉強度為1250MPa；聚丙烯纖維抗拉強度為1550MPa，彈性模量為36GPa，密度為0.89g/cm3。

試驗用水為普通自來水，試驗用減水劑聚羥酸高效減水劑，其推薦摻量為0.2%。

2.2 試驗方案

在試驗設(shè)計過程中，按照DL/T 5330—2015《水工混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》中的相關(guān)要求確定水工C30普通混凝土的基礎(chǔ)配合比[5]。其中，水泥、粉煤灰、水、砂、粗骨料的每1m2用量分別為305、85、175、837、1020kg。由于聚丙烯纖維和鋼纖維的密度相差較大，為保證試驗結(jié)果的科學(xué)性和有效性，在試驗中以體積比確定纖維的具體摻量水平[6]。為了對比單摻纖維和混摻纖維的工程效果，試驗中以單摻0%、0.5%、1.0%和1.5%的摻加比例進行摻加，獲得7種單摻試驗方案。然后保持總摻加量為0.5%、1.0%和1.5%，設(shè)置鋼纖維和聚丙烯纖維以4∶1(比例1)、2∶1(比例2)、1∶1(比例3)、1∶2(比例4)、1∶4(比例5)等5種不同的摻加比例確定15種纖維混摻方案。對上述22種試驗方案進行復(fù)合鹽侵蝕條件下的質(zhì)量損失率、相對動彈模量以及抗壓強度損失率的試驗，以探討混摻纖維對水工混凝土抗復(fù)合鹽侵蝕性能的影響。

2.3 試驗方法

試驗中結(jié)合我國鹽漬區(qū)土壤和水體中鹽類分布的實際情況，選擇硫酸鈉、氯化鎂和氯化鈉等3種巖類制作復(fù)合鹽溶液，3種鹽類的質(zhì)量分數(shù)分別為5%、5%和3.5%。為了減小酸堿度對試驗結(jié)果的影響，試驗期間要利用pH試紙對混合溶液的pH值進行測量，偏差較大時利用純濃硫酸進行調(diào)整[7]。侵蝕試驗采用干濕交替的方式進行，其中1個干濕試驗循環(huán)浸泡15h，室溫晾干1h，烘干7h，室內(nèi)降溫1h，共24h，試驗中進行150次循環(huán)試驗[8]。試驗前后需要測量試件的質(zhì)量、抗壓強度和相對動彈模量。其中，試件質(zhì)量使用天平測量；動彈模量使用非金屬超聲波檢測儀測試；抗壓強度使用全自動壓力機測試。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 質(zhì)量損失率

根據(jù)試驗過程中各方案的質(zhì)量測試數(shù)據(jù)，計算出不同試驗方案的質(zhì)量損失率，然后繪制出單摻和混摻纖維條件下的質(zhì)量損失率變化曲線，結(jié)果如圖1—2所示。由圖1可見，與鋼纖維相比，單摻聚丙烯纖維在降低混凝土在復(fù)合鹽侵蝕條件下的質(zhì)量損失率具有顯著的優(yōu)勢，其最佳摻量為0.5%，再增加摻量質(zhì)量損失率反而會明顯增大。

圖1 單摻方案質(zhì)量損失率變化曲線

由圖2可見，與單摻纖維相比，混摻纖維方案在降低復(fù)合鹽侵蝕條件下水工混凝土的質(zhì)量損失率方面的作用更為明顯。究其原因，主要是摻入2種纖維時可以充分發(fā)揮2種纖維各自的性能優(yōu)勢，從而提高混凝土的密實度，有效抑制內(nèi)部不同性質(zhì)裂縫的發(fā)展，從而提高混凝土的抗復(fù)合鹽侵蝕作用。從不同摻加比例方案的試驗結(jié)果來看，在比例1、比例4和比例5條件下，試件的質(zhì)量損失率隨著纖維總摻量的增加呈現(xiàn)出波動減小的變化趨勢。要獲得比較良好的質(zhì)量損失率控制效果，需要較大的纖維總摻量，這顯然不利于工程經(jīng)濟性的發(fā)揮。在比例2和比例3條件下，質(zhì)量損失率呈現(xiàn)出穩(wěn)步減小的變化特點。其中，比例2要取得良好的工程效果，也需要較大的摻入量，而比例3條件下僅需要較小的摻入量即可獲得明顯的質(zhì)量損失率控制效果。

圖2 混摻方案質(zhì)量損失率變化曲線

3.2 抗壓強度損失率

根據(jù)試驗過程中各方案的抗壓強度數(shù)據(jù)，計算出不同試驗方案的抗壓強度損失率，繪制出單摻和混摻纖維條件下的抗壓強度損失率變化曲線，結(jié)果如圖3—4所示。由圖3和圖4可以看出，抗壓強度損失率和質(zhì)量損失率的變化特征類似。首先，在單摻纖維條件下，聚丙烯纖維具有顯著的優(yōu)勢，其最佳摻量為0.5%。其次，混摻纖維在降低復(fù)合鹽侵蝕條件下水工混凝土的抗壓強度損失率方面的作用更為明顯，其原因和質(zhì)量損失率類似，這里不再敷述。最后，從不同摻加比例方案對比來看，在比例1、比例4和比例5條件下，試件的抗壓強度損失率隨著纖維總摻量的增加呈現(xiàn)出波動減小的變化趨勢；在比例2和比例3條件下，抗壓強度損失率呈現(xiàn)出穩(wěn)步減小的變化特點。此外，比例1、比例2、比例4和比例5方案要獲得比較良好的抗壓強度損失率控制效果，需要較大的纖維總摻量，而比例3條件下僅需要較小的摻入量即可獲得明顯的抗壓強度損失率控制效果。

圖3 單摻方案抗壓強度損失率變化曲線

圖4 混摻方案抗壓強度損失率變化曲線

3.3 相對動彈模量

根據(jù)試驗結(jié)果計算出不同方案試驗結(jié)束后試件的相對動彈模量，如圖5所示，在水工混凝土中摻加纖維可以顯著提高其復(fù)合鹽侵蝕作用下的相對動彈模量，且相對動彈模量隨著2種纖維單摻摻量的增加而增大。2種纖維相比，鋼纖維具有對比優(yōu)勢，但是優(yōu)勢并不明顯。根據(jù)試驗結(jié)果繪制出單摻和復(fù)摻纖維方案下相對動彈模量變化曲線，如圖6所示，混摻纖維與單摻纖維相比，可以更有效提升復(fù)合鹽侵蝕作用下水工混凝土相對動彈模量。從具體的變化趨勢來看，隨著總摻量的增大，除比例5外，其余各種不同摻加比例方案的相對動彈模量均呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢。因此，大幅提高纖維摻量并不能獲得更好的相對動彈模量改善效果，原因是過多的纖維摻入會影響混凝土內(nèi)部的密實度以及纖維的均勻分布。從不同方案的對比來看，比例3在總摻量為1%時的相對動彈模量最大，為最優(yōu)摻加比例和摻加量。

圖5 單摻方案相對動彈模量變化曲線

圖6 混摻方案相對動彈模量變化曲線

4 結(jié)語

在水工混凝土中摻入一定量的纖維可以有效改善混凝土的性能，具有廣闊的發(fā)展前景和工程應(yīng)用空間。本文以室內(nèi)試驗的方式，探討了復(fù)摻聚丙烯纖維和鋼纖維對復(fù)合鹽侵蝕條件下水工混凝土性能的影響，結(jié)果顯示復(fù)摻纖維的效果明顯優(yōu)于單摻纖維，并給出了最佳的復(fù)摻方案，可以給工程應(yīng)用和相關(guān)理論研究提供有益的借鑒和思考。此次研究僅針對聚丙烯纖維和鋼纖維展開，而目前用于水工混凝土的纖維種類較多，在今后的研究中需要針對其他纖維種類復(fù)摻方案展開更廣泛的研究，以便獲得更具有理論和工程實用價值的研究成果。