宋文浚

（山西省水利水電科學(xué)研究院 山西太原 030002）

0 引言

大水網(wǎng)工程是“十二五”山西省委、省政府決策的重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，也是水利部確定的河湖水系連通試點(diǎn)工程。在大水網(wǎng)工程中有許多導(dǎo)流隧洞、溢洪道等受高速水流沖刷的水工建筑物都需要抗沖磨、抗裂性能強(qiáng)的混凝土。摻入有機(jī)合成纖維對(duì)混凝土進(jìn)行改性稱(chēng)作纖維混凝土，與普通混凝土相比纖維混凝土具有較高的抗沖磨、抗裂等性能。

在前期進(jìn)行過(guò)的試驗(yàn)中可以看出：水工混凝土中摻入常用纖維（鋼纖維、聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維等）后，從價(jià)格和摻量比較，聚丙烯短纖維性?xún)r(jià)比優(yōu)良。為此，本課題利用大水網(wǎng)建設(shè)中的原材料進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)聚丙烯短纖維水工混凝土的主要力學(xué)性能進(jìn)行細(xì)致分析，為大水網(wǎng)工程建設(shè)中需要抗沖磨、抗裂性能強(qiáng)的混凝土提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

課題試驗(yàn)研究的是聚丙烯短纖維水工混凝土。研究水工混凝土在摻入聚丙烯短纖維后對(duì)混凝土抗壓、劈裂抗拉和抗沖磨等性能的影響程度，對(duì)聚丙烯短纖維混凝土性能進(jìn)行分析。本課題試驗(yàn)研究步驟：

1）在水利工程應(yīng)用中特殊用途的纖維混凝土的設(shè)計(jì)等級(jí)一般在C30以上，本試驗(yàn)中混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)為C40，主要原材料包括聚丙烯短纖維、高效減水劑、膠凝材料（水泥、粉煤灰等）、細(xì)骨料（天然砂）和二級(jí)配的粗骨料等。依據(jù)《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（DLT5330-2015），得出試驗(yàn)所需混凝土配合比基本參數(shù)范圍。

2）經(jīng)過(guò)試配確定本次試驗(yàn)混凝土最優(yōu)配合比參數(shù)以及計(jì)算出每立方米水工混凝土配合比，成型基礎(chǔ)混凝土與聚丙烯短纖維混凝土多組試件，進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，對(duì)數(shù)據(jù)分析。

2 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)將所用原材料包括：聚丙烯短纖維、膠凝材料、粗細(xì)骨料、外加劑等在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了檢測(cè)。

聚丙烯短纖維（廊坊永旺建材化工廠）、水泥為普通硅酸鹽水泥P.O 42.5（中陽(yáng)縣桃園水泥有限公司）、外加劑為高效減水劑（萬(wàn)榮太興新型建材廠）、粉煤灰為Ⅱ級(jí)粉煤灰（山西省柳林電廠）、硅粉（四川朗天資源綜合有限公司）、細(xì)骨料為天然砂、粗骨料采用二級(jí)配5～20 mm、20～40 mm石子（粗細(xì)骨料均為石樓縣介板溝石料廠），經(jīng)檢測(cè)均滿(mǎn)足相關(guān)檢驗(yàn)依據(jù)要求。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

3.1 水工混凝土配合比參數(shù)范圍確定

依據(jù)《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（DLT5330-2015），水工混凝土配制強(qiáng)度按下式確定：

式中：σ——混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，MPa；

fcu，0——混凝土的配制強(qiáng)度，MPa；

fcu，k——混凝土設(shè)計(jì)齡期立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa；

本試驗(yàn)在配制C40水工混凝土?xí)r，σ的取值為5 MPa，即C40水工混凝土的配制強(qiáng)度應(yīng)不小于48.2 MPa（混凝土強(qiáng)度保證率95%）。

依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)程DLT5330-2015，對(duì)摻有摻合料的水工混凝土的水膠比先進(jìn)行初選，然后根據(jù)各摻合料的品質(zhì)試驗(yàn)確定。砂率也先初選，然后應(yīng)根據(jù)骨料品種、品質(zhì)、粒徑級(jí)配、水膠比和砂的細(xì)度模數(shù)等在試驗(yàn)試配中確定。

得出C40水工混凝土配合比參數(shù)范圍見(jiàn)表1。

3.2 水工混凝土配合比試驗(yàn)與力學(xué)性能分析

3.2.1 水工混凝土配合比確定

試驗(yàn)按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL352-2006）的技術(shù)要求并參考相關(guān)文獻(xiàn)資料進(jìn)行，在試驗(yàn)過(guò)程中，5～20 mm碎石與20～40 mm碎石的比例約為2∶3時(shí)，混合石料可以緊密堆積。坍落度在20～40 mm時(shí)混凝土和易性、保水性適宜。經(jīng)過(guò)多次試配、調(diào)整，最終確定本次試驗(yàn)C40水工混凝土最優(yōu)配合比參數(shù)見(jiàn)表2以及每立方米C40水工混凝土配合比見(jiàn)表3。

表1 C40水工混凝土配合比基本參數(shù)范圍

表2 C40水工混凝土最優(yōu)配合比參數(shù)

表3 C40水工混凝土配合比/（每立方米混凝土）單位：kg

3.2.2 試驗(yàn)試件成型

在聚丙烯短纖維水工混凝土配合比試驗(yàn)中，沒(méi)有摻短纖維的水工混凝土稱(chēng)基礎(chǔ)水工混凝土，試驗(yàn)編號(hào)JP、摻聚丙烯短纖維的水工混凝土，試驗(yàn)編號(hào)JK。水工混凝土抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)試件成型尺寸為150 mm×150 mm×150 mm立方體，抗沖磨性能試驗(yàn)試件成型尺寸為Φ300 mm×100 mm圓柱體。本次試驗(yàn)試件成型每組三塊，JP與JK兩種水工混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)試件各成型三組進(jìn)行平行對(duì)照試驗(yàn)。

試驗(yàn)將各種原材料分別稱(chēng)取后，先將膠凝材料、纖維、粗細(xì)骨料等裝入小型攪拌機(jī)干拌使其均勻分散，再將聚羧酸高效減水劑溶入水后緩緩倒入小型攪拌機(jī)濕拌（攪拌時(shí)間控制在120～180 s）；試件適宜采用振動(dòng)臺(tái)振實(shí)成型（振動(dòng)時(shí)間控制在30 s左右），當(dāng)振動(dòng)至混凝土表面出漿時(shí)用抹刀抹平試件表面，按照試驗(yàn)規(guī)程試件脫模后在養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行恒溫養(yǎng)護(hù)。對(duì)于抗沖磨混凝土試件，當(dāng)其達(dá)到齡期做試驗(yàn)前，應(yīng)浸泡水中至少48 h使其吸水充分飽和。

3.2.3 水工混凝土力學(xué)性能分析

試驗(yàn)將成型三組基礎(chǔ)水工混凝土試件編為JP01、JP02、JP03，摻聚丙烯纖維的水工混凝土試件編為JK01、JK02、JK03。本試驗(yàn)主要研究水工混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗沖磨強(qiáng)度三種力學(xué)性能。

水工混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)備為混凝土液壓式Y(jié)E-2000型壓力試驗(yàn)機(jī)，水工混凝土抗沖磨試驗(yàn)設(shè)備為HKCM-2水下鋼球法混凝土抗沖磨試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)照片見(jiàn)圖1、圖2，C40水工混凝土抗壓與劈裂抗拉性能情況見(jiàn)表4，C40水工混凝土抗沖磨性能情況見(jiàn)表5。

表4 C40水工混凝土抗壓、劈裂抗拉性能情況

表5 C40水工混凝土抗沖磨性能情況

3.3 結(jié)論

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出：1）每組數(shù)據(jù)單測(cè)值與平均值容許差值都在±%15以?xún)?nèi)，沒(méi)有出現(xiàn)偏離值較大的數(shù)據(jù)，再對(duì)比三組平行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，也沒(méi)有出現(xiàn)偏離值較大的數(shù)據(jù)，可以說(shuō)明數(shù)據(jù)可信度高；2）摻入聚丙烯短纖維對(duì)水工混凝土抗壓強(qiáng)度影響不明顯；3）水工混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度有了顯著提高；4）水工混凝土抗沖磨強(qiáng)度也顯著提高。

圖1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

圖2 抗沖磨試驗(yàn)

在本次試驗(yàn)中聚丙烯短纖維摻入水工混凝土中后，通過(guò)充分?jǐn)嚢钑?huì)大數(shù)量均勻分布在水工混凝土中，聚丙烯短纖維與水工混凝土和易性非常好，提高了水工混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度，劈裂抗拉強(qiáng)度對(duì)于混凝土的抗開(kāi)裂性有重要意義，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中混凝土抗拉強(qiáng)度是確定混凝土抗裂能力的重要指標(biāo)。因此，摻聚丙烯短纖維后提高了水工混凝土抗裂性能；對(duì)于水工混凝土抗沖磨強(qiáng)度，摻聚丙烯短纖維后在水工混凝土中聚丙烯短纖維呈三維亂向分布，纖維與水工混凝土緊密包裹相互牽扯，阻礙了高速水流對(duì)混凝土的沖刷，進(jìn)而提高了水工混凝土的抗沖磨性能。

4 結(jié)語(yǔ)

聚丙烯短纖維混凝土可以很好地改善常規(guī)混凝土的脆性，使其的韌性增強(qiáng)，劈裂抗拉強(qiáng)度與抗沖磨性能增強(qiáng)。本文對(duì)摻聚丙烯短纖維的水工混凝土進(jìn)行多數(shù)據(jù)平行對(duì)比分析，在滿(mǎn)足試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求的情況下，摻聚丙烯短纖維的水工混凝土抗裂性能與抗沖磨性能都有顯著提高。另外，聚丙烯短纖維摻入水工混凝土試驗(yàn)時(shí)，混凝土拌和工藝、試件的成型過(guò)程、養(yǎng)護(hù)方法也很關(guān)鍵，只有這樣在實(shí)際水利工程施工中才能保證質(zhì)量。本次研究還有一些不足，如摻入纖維后水工混凝土的抗?jié)B性能、抗凍性能變化情況等需后續(xù)繼續(xù)研究。