李永松，李建峰，劉 穎，劍 奎，王亞軍

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010；2.西藏自治區(qū)水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，西藏 拉薩 850000)

0 引 言

我國(guó)西部高寒地區(qū)水利工程建成后的運(yùn)行環(huán)境具有低溫寒冷、溫度日變幅大等特點(diǎn)。較大的晝夜溫差使水利工程混凝土構(gòu)建或建筑物長(zhǎng)期處于晝夜凍融循環(huán)的環(huán)境中，極易產(chǎn)生凍融破壞[1]，甚至危及工程安全運(yùn)行[2]。針對(duì)西部高寒地區(qū)水利工程運(yùn)行所處獨(dú)特氣候環(huán)境條件，水利水電工程凍融破壞防護(hù)措施缺乏，相關(guān)凍融破壞[3- 4]防護(hù)規(guī)程規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究滯后，可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)較少。

聚丙烯晴纖維具有良好的親和性[5]，摻入混凝土后可以提高混凝土的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度[6]。因此，通過(guò)對(duì)變溫條件下聚丙烯腈纖維混凝土抗裂、質(zhì)量損失率、力學(xué)特性等方面進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)，研究聚丙烯腈纖維混凝土在高寒地區(qū)的適用性具有重要意義。首先，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析高寒地區(qū)典型工程混凝土凍融破壞的原因和特征，通過(guò)試驗(yàn)研究不同溫度條件下、不同摻量的聚丙烯腈纖維混凝土的抗裂性能、力學(xué)性能、變形和耐久性等性能。之后在上述研究成果基礎(chǔ)上，提出聚丙烯腈纖維混凝土在高寒地區(qū)工程應(yīng)用的適宜性和最優(yōu)聚丙烯腈摻量。

1 常溫下聚丙烯腈纖維混凝土的抗裂特性研究

與其他地區(qū)相比，西部高寒地區(qū)特別是西藏地區(qū)的主要特點(diǎn)是嚴(yán)寒干燥、紫外線輻射強(qiáng)烈、日溫差大，如西藏那曲市和阿里地區(qū)多年1月～4月和10月～12月平均氣溫均在0 ℃以下，最低氣溫超過(guò)-40 ℃。從筆者調(diào)查的工程來(lái)看，凍融破壞是西部高寒地區(qū)水利水電工程中最常見(jiàn)的破壞現(xiàn)象，一般混凝土的凍融破壞，在其表面都可看到裂縫和剝落，一旦結(jié)構(gòu)表面混凝土剝蝕脫落嚴(yán)重，混凝土的使用壽命大為縮短，進(jìn)而威脅到工程運(yùn)行安全。

聚丙烯腈纖維摻入混凝土后，在混凝土凝固的過(guò)程中能增加混凝土的韌性，控制了混凝土的微細(xì)裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展?；炷灵_(kāi)裂時(shí)，聚丙烯腈纖維可以有效地跨接在裂縫兩側(cè)，有效減小混凝土的開(kāi)裂程度。通過(guò)進(jìn)行常溫下不同聚丙烯腈纖維摻量的抗裂性能試驗(yàn)，得到的相關(guān)規(guī)律和力學(xué)參數(shù)研究聚丙烯腈纖維混凝土的抗裂機(jī)理。

1.1 抗裂性能試驗(yàn)方法

水泥、砂、水按照1∶1.5∶0.5配比，先干拌30 s左右，再加水?dāng)嚢? min左右后，按照0、0.5%、0.8%和1.0%體積摻加量摻入聚丙烯腈纖維，經(jīng)砂漿攪拌機(jī)攪拌3 min，澆注并流滿整個(gè)帶有金屬網(wǎng)木模，用刮刀刮平試件表面后，通過(guò)電吹風(fēng)和碘鎢燈加熱烘干，測(cè)量加熱烘干后裂縫寬度及長(zhǎng)度。按照式(1)的寬度將裂縫分為四級(jí)，且對(duì)應(yīng)相應(yīng)的權(quán)值，所有不同等級(jí)的裂縫的長(zhǎng)度和對(duì)應(yīng)權(quán)值的乘積的總和稱為開(kāi)裂指數(shù)，以衡量砂漿/混凝土的開(kāi)裂程度。

(1)

式中，d為裂縫長(zhǎng)度，mm；k為相應(yīng)權(quán)重。

1.2 抗裂性能試驗(yàn)結(jié)果

圖1給出了不同聚丙烯腈纖維摻量砂漿的開(kāi)裂指數(shù)。由圖1可知，較之于不添加聚丙烯腈纖維的基準(zhǔn)砂漿，添加量為0.5 kg/m3聚丙烯晴纖維的砂漿開(kāi)裂指數(shù)降低了60.4%，添加0.8 kg/m3聚丙烯晴纖維的砂漿開(kāi)裂指數(shù)降低了65.9%，添加1.0 kg/m3聚丙烯晴纖維的砂漿開(kāi)裂指數(shù)降低了69.3%。因此，聚丙烯晴纖維具有顯著的阻止砂漿開(kāi)裂的效果，而且隨著纖維數(shù)量的增加，其抗裂效果越明顯。

圖1 開(kāi)裂指數(shù)和聚丙烯腈纖維摻量關(guān)系

2 變溫條件下聚丙烯腈纖維混凝土的質(zhì)量損失率

2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)混凝土配合比見(jiàn)表1。根據(jù)表1的配比，并按照0，0.5%，0.8%，1.0%體積摻加量摻入聚丙烯腈纖維制成聚丙烯腈纖維混凝土，制作和養(yǎng)護(hù)試樣，試驗(yàn)以3個(gè)試樣為一組，齡期28d。聚丙烯腈纖維混凝土在變溫作用下進(jìn)行20、0、-5、-10、-15、-20 ℃等不同溫度下質(zhì)量損失率測(cè)試，循環(huán)次數(shù)為常規(guī)次數(shù)50次。通過(guò)稱重每種溫度下循環(huán)作用前、后試件的飽和質(zhì)量測(cè)試出質(zhì)量損失率。

表1 混凝土配合比 kg/m3

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，丙烯腈纖維混凝土在20～0 ℃不同溫度循環(huán)作用下，其質(zhì)量損失率為0.007%～0.152%，質(zhì)量損失率均較小?；炷临|(zhì)量損失率最小的為聚丙烯腈纖維的摻量為0.8%，較不添加聚丙烯腈纖維降低了94.2%。在20～-20 ℃范圍內(nèi)不同溫度循環(huán)作用下其質(zhì)量損失率為0.212%～0.300%?；炷临|(zhì)量損失率最小的為聚丙烯腈纖維的摻量為0.5%，較不添加聚丙烯腈纖維纖降低了16%。

在20～-20 ℃范圍內(nèi)不同溫度循環(huán)作用下，并非聚丙烯腈纖維摻量越高質(zhì)量損失率越低，當(dāng)聚丙烯腈纖摻量為1%時(shí)，混凝土質(zhì)量損失率反而大于不添加聚丙烯腈纖維混凝土的質(zhì)量損失率。

3 變溫條件下聚丙烯腈纖維混凝土的力學(xué)特性研究

西部高寒地區(qū)水利工程建成后的運(yùn)行環(huán)境具有低溫寒冷、溫度日變幅大和日照紫外線強(qiáng)烈等特點(diǎn)，研究低溫條件下聚丙烯腈纖維混凝土的三軸壓縮強(qiáng)度及三軸剪切強(qiáng)度參數(shù)等力學(xué)性能，對(duì)聚丙烯腈纖維混凝土在高寒地區(qū)應(yīng)用的適宜性具有重要意義。

3.1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

本次試驗(yàn)混凝土配合比同表1。三軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)共開(kāi)展了24組，聚丙烯腈纖維的含量依次為0、0.5%、0.8%、1.0%?；赗MT- 401試驗(yàn)系統(tǒng)將不同溫度下循環(huán)作用完成的試件進(jìn)行不同低圍壓下壓縮全過(guò)程曲線試驗(yàn)研究。

每組3個(gè)試件，在-20～20 ℃的溫度范圍內(nèi)循環(huán)50次，根據(jù)不同聚丙烯腈纖維含量且不同溫度循環(huán)作用下的不同圍壓條件下試件的三軸強(qiáng)度值，回歸的強(qiáng)度參數(shù)及軸向應(yīng)力—圍壓關(guān)系按照制樣→循環(huán)→設(shè)定圍壓→設(shè)定加載控制方式→三軸加載試驗(yàn)的步驟進(jìn)行試驗(yàn)，加載方式采用軸向位移控制，速率為0.002 mm/s。

3.2 變溫條件下的抗剪參數(shù)特征

不同聚丙烯腈纖維含量且不同溫度循環(huán)作用下的不同圍壓條件下的三軸壓縮試驗(yàn)抗剪參數(shù)統(tǒng)計(jì)值見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 凍融循環(huán)后摩擦系數(shù)f的變化曲線

圖3 凍融循環(huán)后粘聚力C的變化曲線

從圖2、3可知，不摻入聚丙烯腈纖維(即含量為0)的混凝土在不同溫度下的循環(huán)作用后，在常溫20 ℃情況下，隨著聚丙烯腈纖維摻量的增加，聚丙烯腈纖維混凝土的抗剪強(qiáng)度f(wàn)依次降低，抗剪強(qiáng)度參數(shù)中的粘聚力C略微上升，說(shuō)明常溫下在混凝土中摻入聚丙烯腈纖維對(duì)混凝土有少許的弱化作用。而低溫情況下，摻入不同比例的聚丙烯腈纖維混凝土經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后，其抗剪參數(shù)粘聚力C和摩擦系數(shù)f均呈上升趨勢(shì)。其中，粘結(jié)力C在聚丙烯腈纖維摻量為0.8%時(shí)提高最多，約為12%；摩擦系數(shù)f在聚丙烯腈纖維摻量為1%時(shí)提高最多，約為43%；摻量為0.8%時(shí)，摩擦系數(shù)f提高了16%。這表明，在合理?yè)搅肯戮郾╇胬w維具有顯著提高混凝土低溫力學(xué)性能的作用，聚丙烯腈纖維的加入使得混凝土的抗凍融性能得到提高。

3.3 低溫條件下的抗壓強(qiáng)度和模量

在低溫-20 ℃情況下凍融循環(huán)、圍壓為2 MPa時(shí)，聚丙烯腈纖維混凝土摻量為0.5%時(shí)的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和變形模量均高于其他摻量；相對(duì)不添加聚丙烯腈纖維，抗壓強(qiáng)度提高了10%，彈性模量提高了10%，變形模量提高了9%。如果用彈性模量表示凍融循環(huán)產(chǎn)生的混凝土損傷，則可以認(rèn)為經(jīng)過(guò)低溫-20 ℃下的凍融循環(huán)50次以后，聚丙烯腈纖維混凝土摻量為0.5%時(shí)混凝土的凍融損傷度最小，該規(guī)律與質(zhì)量損失率試驗(yàn)結(jié)果一致。因此，并非聚丙烯腈纖維摻量越高混凝土的力學(xué)特性越好。

結(jié)合上述各種試驗(yàn)結(jié)果，在西部高寒地區(qū)，聚丙烯腈纖維摻量為0.5%時(shí)，能顯著提高混凝土的抗裂性能、低溫力學(xué)性能和抗凍性，聚丙烯腈纖維混凝土可用于工程項(xiàng)目中。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析高寒地區(qū)典型工程混凝土凍融破壞的特征，通過(guò)試驗(yàn)研究聚丙烯腈纖維混凝土在高寒地區(qū)工程應(yīng)用的適宜性和最優(yōu)聚丙烯腈摻量，得到結(jié)論如下：

(1)聚丙烯晴纖維具有顯著的阻止砂漿開(kāi)裂的效果，而且隨著纖維數(shù)量的增加，其抗裂效果越明顯。

(2)變溫條件下的質(zhì)量損失率根據(jù)溫度的不同而不同，并非摻量越高質(zhì)量損失率越低。在20～0 ℃范圍內(nèi)不同溫度循環(huán)作用下?lián)搅繛?.8%的混凝土質(zhì)量損失率最小，而-20～0 ℃范圍內(nèi)摻量為0.5%的混凝土質(zhì)量損失率最小。

(3)常溫情況下在混凝土中摻入聚丙烯腈纖維對(duì)混凝土有少許的弱化作用。而低溫情況下，聚丙烯腈纖維的加入使得混凝土的抗凍融性能得到提高。在合理?yè)搅肯戮郾╇胬w維具有顯著提高混凝土低溫力學(xué)性能的作用。

(4)在低溫-20 ℃下凍融循環(huán)、圍壓為2 MPa時(shí)，聚丙烯腈纖維混凝土摻量為0.5%時(shí)的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和變形模量較高。

(6)在西部高寒地區(qū)，聚丙烯腈纖維摻量為0.5%時(shí)，能提高混凝土的抗裂性能、低溫力學(xué)性能和抗凍性，聚丙烯腈纖維混凝土可用于工程項(xiàng)目中。