掺不同纤维的水工混凝土性能研究

李彦锋

(盘锦市水利服务中心,辽宁 盘锦 124000)

纤维是有效改善水泥基复合材料韧性和强度的重要方法之一,目前比较常用的纤维类型有碳纤维、钢纤维、天然纤维、聚合物和玻璃纤维等。不同纤维的性能存在明显差异,混杂纤维相较于单一纤维可能会产生协同的混杂效应,充分发挥各种纤维的增韧和增强效应[1]。有学者探索性研究了水泥基复合材料与混杂纤维的协同关系,利用聚乙烯或聚丙烯等高延性纤维以及玻璃纤维、钢纤维等高弹性模量纤维改性水泥基材料,从而获取单掺纤维难以达到的综合性能[2-4];也有研究者试验探讨了纤维混杂对混凝土抗冲击、抗弯和抗拉强度的影响,结果显示纤维混杂能够发挥协同作用,有利于阻止裂缝的形成与发展,增强混凝土的抗冲击性能[5-6]。然而,现有研究大多利用弹性模量不同的混杂纤维,而对于几何尺寸不同的纤维混杂来改善水工混凝土性能的研究较少。鉴于此,文章通过合理设计多组配合比,全面分析单掺或二元混掺聚丙烯纤维、HPMC纤维素纤维、镀铜钢纤维水工混凝土抗渗性、工作性及力学性能,并进一步解释不同纤维的影响机理。

1 试验方法

1.1 原材料

1)水泥:金隅P·O 42.5级普通硅酸盐水泥,细度2.4%,密度3.11g/cm2,比表面积355m2/kg,安定性(沸煮法)合格,3d、28d抗压强度31.6MPa和49.5MPa。

2)粗骨料:连续级配5～25mm花岗岩碎石,吸水率1.2%,压碎指标7%,堆积密度为1490kg/m3。

3)细骨料:浑河天然河沙,细度模数2.7,含泥量1.0%,密度1.64g/cm3,孔隙率12%。

4)减水剂:聚羧酸高性能减水剂(液态),推荐掺量0.6%～2.0%(以胶凝材料量计),固含量18%,减水率≥25%。

5)纤维:徐水正达钢纤维厂生产的端钩型镀铜钢纤维,大连建材厂提供的聚丙烯纤维和HPMC纤维素纤维,纤维的性能参数,见表1。

表1 纤维的性能参数

1.2 试验配合比

拌合物的工作性能是影响水工混凝土使用范围及其施工质量的关键因素,其中坍落度是反映拌合物工作性的主要指标。因此,为了能够顺利浇筑成型,本试验控制拌合物坍落度≥120mm,单掺纤维配合比设计,见表2。一般地,单掺纤维对增强水工混凝土抗压强度效应不够显著,而纤维素纤维增强混凝土抗折强度明显高于聚丙烯纤维和镀铜钢纤维,为了充分发挥两种纤维的优势,试验设计镀铜钢纤维或聚丙烯纤维+HPMC纤维素纤维两种混掺类型。纤维掺量越大则混凝土力学性能越好,相应的坍落度越小,为满足拌合物坍落度≥120mm的要求以及配制性能更优的混凝土,综合考虑以上条件确定纤维混掺配合比,单掺纤维配合比设计,见表2。

表2 单掺纤维配合比设计

1.3 测试方法

本试验利用强制式搅拌机拌和混凝土,主要流程如下:先将纤维、粗细骨料和水泥加入搅拌机混合搅拌30s,使混合料中的纤维充分均匀分散,然后倒入减水剂与水的混合液搅拌150s。根据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》、《水工混凝土试验规程》中推荐的方法测定拌合物坍落度和混凝土抗折、抗压强度以及抗渗性能,采用渗水高度法一次加压到1.2MPa,稳压24h后降压劈开混凝土试件,按照等间距的方式沿水痕布设10个测点,最终的渗水高度取各测点的平均值。

2 试验结果与分析

2.1 单掺纤维试验分析

将镀铜钢纤维、聚丙烯纤维和HPMC纤维素纤维单掺到水工混凝土中,并测定拌合物坍落度,单掺纤维拌合物坍落度,见图1。结果表明,单掺纤维混凝土相较于基准混凝土坍落度较低,并且掺量越高掺纤维混凝土坍落度越底。这是因为在拌合物中聚丙烯纤维和镀铜钢纤维可以组成网状结构,从而增大了内部摩擦阻力,降低拌合物流动度,并且纤维表面对水泥浆体具有一定吸附作用,使得混凝土流动度进一步下降;由于非常细小HPMIC纤维素纤维很难组成网状结构,但其良好的吸水性和较大的比表面积可以吸附大量水泥浆体,大大降低浆体的润滑作用和拌合物流动度[7]。由于H4、H3、J4组的拌合物坍落度不符合≥120mm的要求,故不参与后续有关试验。

图1 单掺纤维拌合物坍落度

将镀铜钢纤维、聚丙烯纤维和HPMC纤维素纤维单掺到水工混凝土中,测定28d龄期抗折、抗压强度,单掺纤维28d力学性能,见图2。

(a)抗压强度

从图2可以看出,单掺纤维混凝土相较于基准混凝土28d抗压、抗折强度均有所增加,且混凝土力学性能随纤维掺量的增加而增大,并以G4、J3和H2混凝土的力学性能最优,与P0基准混凝土相比G4试件的抗压、抗折强度增加12.84%和32.29%,J3试件的抗压、抗折强度增加15.71%和34.50%,H2式样的抗压、抗折强度增加14.36%和12.84%。

聚丙烯纤维、镀铜钢纤维相较于HPMC纤维素纤维的抗折强度增强作用更明显,究其原因是HPMC纤维素纤维的长度较短,当其长度小于基体内裂纹扩展宽度时就失去了增强作用,裂纹不断扩展加速混凝土的破坏,而长度较长的聚丙烯纤维和钢纤维依然能够跨越裂缝,通过自身的断裂和拔出作用吸收能量,从宏观上表现出明显的塑性,即“裂而不断”的情况[8-9]。总体而言,3种纤维的增强作用并不十分明显,这是由于掺入的纤维制约了受压过程中混凝土的体积变形,通过消耗部分能量增加抗压强度;然而,掺入的纤维使得基体—纤维界面薄弱区也有所增多,使得抗压强度反而有所下降。所以,在以上两种因素的共同作用下纤维的增强效果并不明显[10-12]。

2.2 混杂纤维试验分析

将镀铜钢纤维或聚丙烯纤维+HPMC纤维素纤维两种混掺到水工混凝土中,测定拌合物坍落度,混掺纤维拌合物坍落度,见图3。

图3 混掺纤维拌合物坍落度

从图3可以看出,混掺纤维对拌合物坍落度的影响与单掺纤维基本相同,随纤维掺量的增加拌合物坍落度逐渐减小。由于GP3、GH4、JH4、JH8组的拌合物坍落度不符合≥120mm的要求,故不参与后续有关试验。

将镀铜钢纤维或聚丙烯纤维+HPMC纤维素纤维混掺到水工混凝土中,并测定28d龄期抗折、抗压强度,混掺纤维28d力学性能,见图4。

(a)抗压强度

从图4(a)可以看出,混掺纤维混凝土相较于基准混凝土28d抗压、抗折强度均有所增加,且混凝土力学性能随纤维掺量的增加而增大,并以GH7、JH3混凝土的增幅最大,与P0基准混凝土相比GH7试件的抗压强度增加12.84%,JH3试件的抗压强度增加17.57%,相较于单掺混凝土有降有升,说明混掺纤维无法大幅增强抗压强度。从图4(b)可以看出,随着纤维掺量的增加混掺纤维混凝土抗折强度整体表现出增大趋势,混掺纤维相较于单一纤维对抗折强度的增强作用更明显,究其原因是在裂纹形成、扩展、破坏过程中两种纤维能够发挥各自的优势,共同增强抗折强度。其中,以GH7、JH3混凝土的增幅最高,与P0基准混凝土相比GH7试件的抗折强度增加54.86%,JH3试件的抗压强度增加57.43%。综上分析,混掺纤维可以明显增强水工混凝土的整体性能,并以GH7和JH3混掺纤维混凝土性能最优。

2.3 抗渗试验分析

采用单掺和混掺纤维力学性能最优的H2、J3、G4、JH3、GH7组及基准组混凝土作为抗渗试验对象,通过渗水高度测试反映水工混凝土抗渗性受纤维的影响,水工混凝土抗渗高度,见图5。

图5 水工混凝土抗渗高度

从图5可以看出,水工混凝土掺入镀铜钢纤维、聚丙烯纤维和HPMC纤维素纤维可以在不同程度上降低其最大渗水高度,相较于基准混凝土依次减少11.8%、33.8%和52.2%,这是由于纤维的掺入有利于阻碍裂缝的形成与发展,减小基体孔隙率,改善混凝土密实度和力学性能;另外,大量纤维分布于基体中可以缩小混凝土失水范围,有效提高水分迁移难度,减小毛细管失收缩所产生的张力,明显增强基体的抗渗性能。对于不同纤维类型,HPMC纤维素纤维对抑制裂缝的形成具有显著成效,加之其比较细小分布于基体内的数量较多,可有效减少失水范围,故单掺条件下抗渗性能最优的是HPMC纤维素纤维混凝土。

混掺条件下,JH3、GH7组混凝土相较于基准混凝土的最大渗水高度依次减少81.6%、66.9%,相较于单掺纤维组具有更优的抗渗性能,这是由于在混凝土中不同性质、不同尺度的两种纤维可以组成空间网络结构,不仅能够减少混凝土孔隙率,有效增大基体密实度,还可以在三维空间上产生诸界面叠加效应,明显增强基体的抗渗性。

3 结 论

1)将适量纤维掺入水工混凝土体系会降低拌合物坍落度,坍落度降幅随纤维掺量的增加而增大,这与混掺方式及纤维的类型基本不相关。单掺纤维混凝土相较于基准混凝土的抗压、抗压强度均有所提高,混凝土力学性能随纤维掺量的增加而增大,并以G4、J3和H2混凝土的力学性能最优,与基准混凝土相比G4试件的抗压、抗折强度增加12.84%和32.29%,J3试件的抗压、抗折强度增加15.71%和34.50%,H2式样的抗压、抗折强度增加14.36%和12.84%。

2)混掺纤维混凝土相较于基准混凝土抗压、抗折强度均有所增加,并以GH7、JH3混凝土的增幅最大,与P0基准混凝土相比GH7试件的抗压、抗折强度增加12.84%和54.86%,JH3试件的抗压强度增加17.57%、57.43%,相较于单掺混凝土有降有升,说明混掺纤维对混凝土抗压强度增幅有限,可以进一步增强抗折强度。

3)水工混凝土掺入镀铜钢纤维、聚丙烯纤维和HPMC纤维素纤维可以在不同程度上降低其最大渗水高度,相较于基准混凝土依次减少11.8%、33.8%和52.2%;混掺条件下JH3、GH7组混凝土相较于基准混凝土的最大渗水高度依次减少81.6%、66.9%,折说明混掺纤维混凝土能够更加显著地改善混凝土抗渗性。