纖維混凝土抗裂防滲性能的試驗研究

李文濤

（新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 前言

引水隧洞受地下水影響非常嚴重，實際營運過程中會產生各種病害。根據調查，引水隧洞病害主要有滲漏、開裂及變形侵蝕等，其中滲水和混凝土開裂是最常見典型病害。

研究引水隧洞采用典型的一機一洞布置形式，尾水洞為變頂隧洞，單機最大引水流量為577 m3/s。引水隧洞內徑為14 m。布置形式主要由進口漸變段-上平段-上彎段-豎井段等組成。自投產運營以來，受多種因素的影響，引水隧洞中部和頂部出現多條貫穿性裂縫，同時在流道放空檢查中，隧洞存在多處滲漏點和蜂窩狀腐蝕空洞，并伴隨露筋現象。

考慮實際工程需求，為提高混凝土的抗滲性能和抗沖擊性能，進行了三種摻合料（分別為鋼纖維、碳纖維和復合纖維）混凝土試樣的抗沖擊韌性和抗滲透試驗。此研究可為混凝土的抗裂防水性理論提供設計參數，提高引水隧洞的安全運營能力。

1 混凝土抗沖擊性能試驗

1.1 材料及性能

所用的水泥強度為C30；礦物摻合料選用粉煤灰；粗骨料和細骨料選用5～20 mm 的連續級配，級配合格產品；減水劑；碳纖維和鋼纖維具體物理性能參數見表1、表2、表3、表4。

表1 水泥物理力學性能表

表2 粉煤灰物理力學性能表

表3 碳纖維物理力學性能參數表

表4 鋼纖維物理力學性能參數表

1.2 試驗方法

采用沖擊韌性試驗的ACI 錘擊法進行測試。試驗的目的主要是研究混凝土的抗沖擊性能，以及分析混凝土的開裂情況。試驗采用標準落錘，質量5 kg，沖擊高度為48 cm，試件尺寸為200 NN 80 mm，試件編號分別為OF01-OF07，其中OF01為基本混凝土，試件2混凝土摻雜鋼纖維含量0.50%，試件3混凝土摻雜鋼纖維含量1.50%，試件4 混凝土摻雜碳纖維含量0.20%，試件5混凝土摻雜鋼纖維含量0.50%、碳纖維0.20%，試件6混凝土摻雜1.50%鋼材纖維和0.60%碳纖維。

2 混凝土抗滲性能試驗

根據目前研究，采用混凝土的抗滲性能描述混凝土結構耐久性比較合適。在此研究基礎上，通過抗滲透試驗獲取開裂混凝土的滲透系數，并進一步分析纖維混凝土的抗滲能力。

纖維混凝土摻雜纖維于上文試樣相同。試件尺寸半徑為9 cm，頂面半徑為8.50 cm，高16 cm，養護時間為30 d。養護完成后進行抗滲試驗，水壓恒定為1.50 MPa，持續時間為24 h，然后讀取滲透系數。

3 試驗結果

3.1 混凝土抗沖擊性能分析

抗沖擊試驗主要包含三個階段，分別為初裂階段、沖擊階段及終裂階段。通過三個階段求得各階段平均值以及差值對混凝土進行沖擊韌性評價，統計不同混凝土試驗的不同工況下的平均出裂次數以及抗沖擊耗能結果。不同纖維含量對混凝土沖擊韌性的影響見圖1、圖2。圖1結果表明，摻雜碳纖維、鋼纖維以及混合纖維的混凝土初裂沖擊次數不斷增多，這表明，纖維含量增多導致混凝土沖擊韌性性能不斷提升。導致這種現象的主要原因是纖維含量的破壞過程的耗能主要用于纖維粘結作用。

圖2 結果表明，三種纖維含量摻雜到混凝土中，混凝土的抗沖擊性能大幅增加，其中OF01-OF07 試件的沖擊韌性能量分別為355.20 J、620.40 J、858.50 J、679.50 J、951.10 J、905.20 J和1 346.80 J。其中摻雜復合纖維的混凝土抗沖擊性能最大，究其原因主要是復合纖維的材料性能決定的。

3.2 混凝土抗滲性能分析

混凝土的抗滲性能試驗結果表明，復合纖維混凝土的抗滲性能最優，而基本混凝土的抗滲性能最差。主要原因是：①水泥和纖維的粘結作用可以降低混凝土的收縮，對混凝土骨料起到較好的支撐作用，顯著降低混凝土孔隙比，提升混凝土抗滲透性能；②復合纖維混凝土的滲透系數最小，證明較其他兩種纖維，復合纖維易于形成強度較高的網絡孔隙，從而使得復合纖維混凝土的抗滲性能優于其他兩種纖維。

4 結論

為了研究引水隧洞混凝土的抗沖擊韌性和抗滲性能，開展多種工況下的混凝土抗沖擊和抗滲透試驗，得到以下結論：①抗沖擊試驗表明，與基本混凝土抗沖擊韌性相比，摻雜三種纖維混凝土的出裂次數不斷增大，其中復合纖維的混凝土抗沖擊性能最優，實際工程可選用摻雜復合纖維的混凝土進行工程建設。②滲透試驗表明，不摻和纖維的混凝土的滲透系數最大，而摻和混凝土纖維的混凝土滲透系數最小。這反映出，相較于其他兩種摻和纖維，復合纖維主要通過形成高強網絡孔隙提高混凝土的抗滲性能。