不同纖維改良水下抗分散混凝土性能試驗研究

何喬意

(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)

1 材料與方法

1.1 原材料

水泥：P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，細度5%(80 μm篩余)，平均比表面積325.3 m2/kg，平均密度3200 kg/m3，氯離子含量0.04%，初凝和終凝時間分別為3 h 57 min和5 h 31 min，28 d抗折和抗壓強度分別為8.7 MPa和44.2 MPa。

骨料：粗骨料粒徑大小為5～20 mm，玄武巖材質，平均表觀密度2700 kg/m3，堆積密度1570 kg/m3，含泥量0.32%，空隙率45%，壓碎值3.73；細骨料為天然河砂，細度模數2.5，空隙率39%，堆積密度1560 kg/m3，表觀密度2600 kg/m3，含泥量1.2%。

添加劑：聚羧酸減水劑，固含量為10%，平均減水率為25%；抗分散劑，UWB-Ⅱ 型，主要成分為丙烯酸丁腈共聚物。

纖維：聚乙烯醇纖維(PVA纖維)，直徑37 μm，長度11 mm，抗拉強度1096 MPa，平均伸長率6%，平均密度1.28 g/cm3，模量為29.4GPa；鋼纖維，剪切波浪形，直徑為290 μm，長度32 mm，抗拉強度1270 MPa，平均伸長率3.8%，平均密度7.8 g/cm3，模量為210 GPa。

1.2 試驗方案

探討PVA纖維和鋼纖維對水下抗分散混凝土流動性、抗分散性和強度等指標的影響?；炷恋乃z比分為0.35和0.50兩種，在每種水膠比下，鋼纖維摻量分別為0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%，PVA纖維摻量分別為0%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%；水膠比為0.35時，抗分散劑摻量為2.0%，水膠比為0.5時，抗分散劑摻量為3.5%，減水劑摻量均為1.0%。具體試驗方案如表1所示。

表1 試驗方案單方配合比情況 kg

1.3 試件制備

本文相關試驗均按照《水下不分散混凝土試驗規程》(DL/T 5117—2021)中的相關規定進行。首先將膠凝材料、細骨料、粗骨料、纖維和抗分散劑等進行干拌，攪拌時間為3 min，然后向干拌料中摻入1/2(減水劑+水)，繼續攪拌1.5 min，接著再向干拌料中摻入剩余1/2(減水劑+水)，再繼續攪拌1.5 min，制得不分散混凝土拌合物。將拌合物進行水下澆筑成型，澆筑完2 d后拆模，然后將試件放入水槽中(水溫20℃)養護至對應齡期進行試驗[1-3]。

1.4 試驗內容

主要進行不同纖維摻量下混凝土的流動性、抗分散性和強度試驗[4]。流動性試驗主要包括新拌混凝土的坍落度和坍擴度，抗分散性試驗主要包括懸濁物含量測試和濁度測量，強度試驗主要包括28 d養護齡期下的抗壓強度和抗折強度。

2 鋼纖維對性能的影響

2.1 鋼纖維對流動性影響

不同鋼纖維摻量下水下抗分散混凝土的坍落度和坍擴度對比見圖1。從圖1中可知：在相同水膠比下，隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土的坍落度和坍擴度均呈逐漸減小的變化特征，且下降幅度會越來越大，這是因為纖維具有更大比表面積，需要更多的砂漿和膠凝材料進行包裹，同時鋼纖維增強了與骨料和膠凝材料的咬合力，導致漿液的流動性降低；當水膠比為0.35和0.50時，將鋼纖維摻量由0%增至1.00%后，坍落度分別下降了31%和35%，坍擴度分別下降了39%和38%，水膠比較小的試驗組流動性下降幅度更大。

圖1 鋼纖維對混凝土流動性的影響規律

2.2 鋼纖維對抗分散性影響

不同鋼纖維摻量下水下抗分散混凝土的懸濁物含量和濁度值對比見圖2。從圖2中可知：在相同水膠比下，隨著鋼纖維摻量的增加，懸濁物和濁度值均呈逐漸減小的變化特征，這是因為摻入鋼纖維后，可以黏聚更多的砂漿和膠凝材料，因而混凝土的抗分散性得到增強，纖維摻量越大，混凝土抗分散性提升幅度越大；水膠比為0.50時的懸濁物和濁度值的下降幅度明顯大于水膠比為0.35的下降幅度，前者懸濁物和濁度值分別降低了30.8%和23.9%，后者懸濁物和濁度值分別降低了12.9%和10.4%，這是因為低水膠比時，混凝土中的膠凝材料含量更多，更有利于與鋼纖維材料黏合，故而抗分散性下降幅度較小，當鋼纖維摻量超過0.8%后，水膠比為0.50的混凝土抗分散性才會強于水膠比為0.35的試驗組。

圖2 鋼纖維對混凝土抗分散性的影響規律

2.3 鋼纖維對強度影響

不同鋼纖維摻量下水下抗分散混凝土的抗壓和抗折強度對比見圖3。從圖3中可知：在相同水膠比下，隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土的28 d抗壓和抗折強度均近似呈線性增大的變化特征；相較于不摻鋼纖維試驗組，當摻入1.0%的鋼纖維后，水膠比為0.35和0.50的試驗組抗壓強度分別增加了34%和35%，抗折強度分別增加了40%和42%；相同鋼纖維摻量下，水膠比越低，強度越高。

圖3 鋼纖維對混凝土強度的影響規律

3 PVA纖維對性能的影響

3.1 PVA纖維對流動性影響

不同PVA纖維摻量下水下抗分散混凝土的坍落度和坍擴度對比見圖4。從圖4中可知：隨著PVA纖維增加，混凝土的流動性也是呈逐漸減小的變化特征，當PVA纖維由0%增至0.25%時，水膠比0.35和0.50試驗組的坍落度分別降低了45%和41%，坍擴度分別降低了44%和41%，這是因為PVA纖維表面存在大量的親水基團羥基，因而親水性很強，可以保證骨料被牢牢吸附住，使得漿液更加黏稠。水膠比對坍落度的影響不大，但對坍擴度有一定影響，水膠比大的試驗組坍擴度大。

圖4 PVA纖維對混凝土流動性的影響規律

3.2 PVA纖維對抗分散性影響

不同PVA纖維摻量下水下抗分散混凝土的懸濁物和坍濁度值對比見圖5。從圖5中可知：在相同水膠比下，隨著PVA纖維摻量增加，懸濁物和坍濁度值也是呈逐漸減小的變化特征，PVA摻量越大，下降幅度越大，表明混凝土的抗分散性越來越強；與鋼纖維表現一致的是，PVA纖維對水膠比大的抗分散性的影響程度要明顯大于對水膠比小的影響程度。

圖5 PVA纖維對混凝土抗分散性的影響規律

3.3 PVA纖維對強度影響

不同PVA纖維摻量下水下抗分散混凝土的抗壓和抗折強度對比見圖6。從圖6中可知：相同水膠比下，隨著PVA纖維摻量的增加，混凝土的抗壓強度和抗折強度呈先增大后減小的變化特征，水膠比越大，強度越低，當PVA摻量為0.15%時，抗壓強度達到最大值，當PVA摻量為0.10%時，抗折強度達到最大值。

圖6 PVA纖維對混凝土強度的影響規律

4 經濟性分析

由于水下混凝土一般要求坍落度為210～250 mm，坍擴度為430～470 mm，因此從滿足流動性這一條件，再確保其他性能達到最佳的基礎上，在每種水膠比下各優選了一組鋼纖維和PVA纖維的最佳配合比，見表2。查閱相關資料，對不分散的原材料價格進行了統計，結果為：水泥520元/t，天然河砂360元/t，粗骨料240元/t，抗分散劑價格15 000元/t，聚羧酸減水劑價格為18 000元/t，鋼纖維價格為9000元/t，PVA纖維價格為18 000元/t，將表1中的材料用量乘以價格，可以得到優選配合比的材料造價，從經濟性來講：選用PVA纖維進行水下抗分散混凝土改良的經濟性要高于鋼纖維，且當水膠比為0.35，PVA纖維摻量為0.15時的經濟性最佳。

表2 不同優選配合比經濟性對比

5 結 論

(1)不管是摻入鋼纖維還是摻入PVA纖維，起到提升不分散混凝土抗分散性和強度的效果，但也會降低混凝土的流動性。

(2)隨著纖維摻量的增加，混凝土的抗分散性越來越好，強度隨著鋼纖維摻量增加呈線性增大趨勢，隨著PVA纖維摻量增加呈先增大后減小變化趨勢，并在0.15%和0.10%時，抗壓和抗折強度分別達到最大值。

(3)在滿足流動性指標前提下，優選了4組水下抗分散混凝土配合比，并對其進行經濟性分析，結果表明：當水膠比為0.35，PVA纖維摻量為0.10%時，水下抗分散混凝土造價最低，宜在工程中予以優先選用。