(山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002)

山西省大水網(wǎng)工程正在建設(shè)的關(guān)鍵時(shí)刻，混凝土是在水利工程大水網(wǎng)建設(shè)中用量最多的建筑材料。但其具有脆性大、易開裂、抗沖擊性能較低等缺陷。采用有機(jī)合成纖維對(duì)混凝土進(jìn)行改性，可明顯提高和改善混凝土的耐久性、抗裂性、抗凍性以及抗?jié)B性等性能，從整體上提高混凝土的綜合性能。纖維混凝土中纖維的作用與纖維品種、纖維性能、纖維與混凝土界面間的黏結(jié)狀況以及基體混凝土的類別和強(qiáng)度等級(jí)等因素密切相關(guān)。

聚丙烯纖維是以丙烯聚合得到的等規(guī)聚丙烯為原料紡制而成的合成纖維。聚丙烯纖維有以下特點(diǎn)：?有較高的強(qiáng)度和彈性模量，有利于提高混凝土的力學(xué)性能；?與水泥表面握裹力強(qiáng)，親水性處理利于掛灰，提高混凝土強(qiáng)度；?分散性好，可有效保證混凝土防裂性能的發(fā)揮；?化學(xué)性能穩(wěn)定，耐酸堿性極強(qiáng)。由于聚丙烯纖維的特點(diǎn)以及價(jià)格優(yōu)勢(shì)，本文將對(duì)不同長度聚丙烯纖維在水工混凝土抗沖磨強(qiáng)度的變化進(jìn)行對(duì)比分析，為山西省大水網(wǎng)水利工程建設(shè)提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

1 研究內(nèi)容

課題試驗(yàn)研究的纖維是聚丙烯纖維。依照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352—2006)和混凝土抗沖磨性能相關(guān)理論相結(jié)合的方法，研究水工混凝土分別在相同摻量時(shí)摻入不同長度聚丙烯纖維后對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，得出抗沖磨性能最佳的聚丙烯纖維長度。主要研究步驟有：

?抗沖磨混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)為C40，主要材料是在普通混凝土中摻入外加劑、硅粉和纖維等。依據(jù)《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(DLT 5330—2015)，得出試驗(yàn)所需配合比基本參數(shù)。

?經(jīng)過試配確定最優(yōu)配合比，分別摻入長度為3mm、6mm、9mm、12mm、18mm的聚丙烯纖維混凝土試件，進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

?對(duì)達(dá)到齡期的試件進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，對(duì)抗沖磨混凝土試件采用水下鋼球法進(jìn)行混凝土抗沖磨性能試驗(yàn)，對(duì)比分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)原材料分析

水工混凝土抗沖磨試驗(yàn)配合比所用材料包括膠凝材料(水泥、粉煤灰、硅粉)、高效減水劑和粗細(xì)骨料等，原材料檢測(cè)均在水工實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。

2.1 水泥

試驗(yàn)所用水泥為普通硅酸鹽水泥P.O 42.5。該水泥物理力學(xué)性能檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果見表1，各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)均符合國標(biāo)要求。

表1 水泥物理力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

2.2 粉煤灰

粉煤灰為Ⅱ級(jí)粉煤灰，檢測(cè)結(jié)果詳見表2。

表2 粉煤灰物理性能指標(biāo) 單位：%

2.3 硅粉

硅粉檢測(cè)結(jié)果詳見表3。

表3 硅粉的理化性能指標(biāo) 單位：%

2.4 纖維的檢測(cè)

聚丙烯纖維結(jié)果詳見表4，檢測(cè)合格并附有合格證。

表4 聚丙烯纖維的性能指標(biāo)

3 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)與力學(xué)性能分析

3.1 配合比設(shè)計(jì)

水工抗沖磨混凝土設(shè)計(jì)等級(jí)一般在C40以上，依據(jù)《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(DLT5330-2015)，C40抗沖磨混凝土的配制強(qiáng)度應(yīng)不小于48.2 MPa(混凝土強(qiáng)度保證率為95%)。

本試驗(yàn)按C40混凝土的配制要求進(jìn)行抗沖磨混凝土的試配，粉煤灰摻量控制在10%～30%，硅粉摻量4%～8%，聚羧酸減水劑試驗(yàn)摻量為膠料的2%～2.5%；砂率為30%～40%，經(jīng)過多次試配最終得到能滿足試驗(yàn)要求的配合比參數(shù)，見表5。

表5 水工混凝土抗沖磨配合比基本參數(shù)

在配合比試驗(yàn)中考慮到聚羧酸高效減水劑中水的含量以及細(xì)骨料砂的含水量，得到抗沖磨水工混凝土配合比，見表6。

表6 水工混凝土抗沖磨配合比 單位：kg/m3

其中，試驗(yàn)用聚丙烯纖維長度為3mm、6mm、9mm、12mm和18mm五種規(guī)格，按以上規(guī)格順序排列試驗(yàn)試件編號(hào)為BKM-01、BKM-02、BKM-03、BKM-04、BKM-05。

3.2 力學(xué)性能試驗(yàn)及分析

聚丙烯纖維水工混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352—2006)的技術(shù)要求進(jìn)行，抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)采用150mm×150mm×150mm立方體試件，抗沖磨性能試驗(yàn)試件尺寸為300mm×100mm。試件的成型適宜采用振動(dòng)臺(tái)振實(shí)，振動(dòng)至混凝土表面出漿(振動(dòng)時(shí)間控制在30s左右)后抹刀將模具抹平，養(yǎng)護(hù)過程按照試驗(yàn)規(guī)程要求進(jìn)行，抗沖磨試件在達(dá)到齡期做試驗(yàn)前將試件放入水中浸泡至少48h使其吸水飽和。

抗沖磨試驗(yàn)依據(jù)采用水下鋼球法進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)所用主要設(shè)備為型號(hào)為HKCM-2的混凝土抗沖磨試驗(yàn)儀。試驗(yàn)中成型多組抗沖磨混凝土試件，試件為三個(gè)一組，試件規(guī)格為直徑300mm,高100mm的圓柱體?；炷猎嚰尚秃蠓湃霕?biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d，并在水中浸泡3d后開始抗沖磨試驗(yàn)。抗沖磨試驗(yàn)儀的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速1200r/min，累計(jì)沖磨72h后，取出試件擦去表面水后，取出試件擦去表面水分后稱量試件重量，計(jì)算抗沖磨強(qiáng)度。

試驗(yàn)中摻不同尺寸聚丙烯纖維水工混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)見表7；摻不同尺寸聚丙烯纖維水工混凝土的抗沖磨性能情況見表8；摻不同尺寸聚丙烯纖維水工混凝土抗沖磨性能對(duì)比圖見下頁圖。

表7 不同尺寸聚丙烯纖維水工混凝土抗壓、劈裂抗拉性能情況

表8 不同尺寸聚丙烯纖維水工混凝土抗沖磨性能情況

不同尺寸聚丙烯纖維水工混凝土試件抗沖磨性能對(duì)比圖

試驗(yàn)中同時(shí)對(duì)不摻聚丙烯纖維的水工混凝土進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，經(jīng)測(cè)試對(duì)比組不摻聚丙烯纖維的水工混凝土的28d抗壓強(qiáng)度為48.9MPa，劈裂抗拉強(qiáng)度為3.75MPa，抗沖磨強(qiáng)度為6.43 h/(kg/m2)；而摻加聚丙烯纖維可以使水工混凝土抗壓強(qiáng)度提高15%以上，劈裂抗拉強(qiáng)度提高3%以上，抗沖磨強(qiáng)度提高14%以上。

聚丙烯纖維質(zhì)量輕，纖維直徑小，摻加聚丙烯纖維的水工混凝土經(jīng)攪拌后，每立方米水工混凝凝土中的聚丙烯纖維的數(shù)量可達(dá)到數(shù)千萬根，聚丙烯纖維在混凝土中呈均勻亂向分布相互交叉搭接；由于聚丙烯纖維本身具有良好的抗拉強(qiáng)度，同時(shí)其與混凝土又有良好的黏結(jié)力，所以有效束縛了混凝土的微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，使混凝土整體強(qiáng)度得到提高。少量聚丙烯纖維的摻入可提高水工混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度以及抗沖磨強(qiáng)度。

3.3 數(shù)據(jù)分析

從上述的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：?水工混凝土抗壓強(qiáng)度強(qiáng)度受聚丙烯纖維的長度影響不明顯；?在水工混凝土中摻入聚丙烯纖維后，水工混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨聚丙烯纖維長度改變有明顯變化，在聚丙烯纖維長度從3mm到18mm時(shí)，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸增大而后再減小；?隨著聚丙烯纖維長度從3mm到12mm逐漸變大，水工混凝土失重率逐漸變小，而抗沖磨強(qiáng)度逐漸變大，然后由12mm到18mm時(shí)，失重率變大抗沖磨強(qiáng)度變小。

4 結(jié) 語

聚丙烯纖維能很好地改善混凝土的和易性，數(shù)以千萬計(jì)的纖維均勻分布在混凝土中，能保持混凝土結(jié)構(gòu)的整體性，提高混凝土的抗沖擊能力，延長混凝土的使用壽命，降低維護(hù)成本。本文在按照設(shè)計(jì)要求的前提下，研究水工混凝土中摻入不同長度聚丙烯纖維后抗沖磨性能變化情況，試驗(yàn)可知：聚丙烯纖維的尺寸對(duì)水工混凝土抗壓強(qiáng)度的影響不明顯；在水工混凝土中分別摻入3mm、6mm、9mm、12mm、18mm五種聚丙烯纖維，摻入12mm的聚丙烯纖維混凝土抗沖磨強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度最高。

本次研究還有一些不足，如摻入纖維后混凝土的抗裂性、抗凍性變化情況等都有待進(jìn)行下一步的試驗(yàn)探討。