孫乙庭，王樹武，劉建新

（1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春130061；2.山東文登抽水蓄能有限公司，山東威海264200）

0 引言

混凝土面板作為堆石壩上游的薄壁混凝土結(jié)構(gòu)，對(duì)壩體的防滲起到關(guān)鍵作用，而解決面板裂縫問題一直是國(guó)內(nèi)外研究面板混凝土的主要方向。目前常用的辦法是混凝土中摻加聚丙烯合成纖維，雖可減少混凝土塑性收縮，提高混凝土早期抗裂能力，但由于密度小，分散性較差，不易攪拌均勻，影響混凝土和易性，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量下降[1]。

本文旨在引用耐堿玻璃纖維，實(shí)現(xiàn)纖維在面板混凝土中均勻分散、增韌耐久，提高水工混凝土抗裂能力。耐堿玻璃纖維是一種專門用來增強(qiáng)膠凝材料的加筋材料，其優(yōu)點(diǎn)在于耐堿、抗腐蝕、高強(qiáng)、抗裂，密度與混凝土相當(dāng)，拌和時(shí)不會(huì)發(fā)生上浮或下沉，可均勻地分散在混凝土中，在混凝土塑性階段減少收縮和裂縫生成，在硬化階段抑制干縮裂縫，達(dá)到阻裂效果[2]。而且經(jīng)過耐堿處理，可以有效抵抗混凝土堿性環(huán)境下的化學(xué)侵蝕，這是普通玻璃纖維不具備的[3]。耐堿玻璃纖維的應(yīng)用為今后水工面板混凝土的配合比設(shè)計(jì)、施工提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

1.1 原材料

水泥采用P·O42.5 普通硅酸鹽水泥；摻合料采用F 類I 級(jí)粉煤灰；細(xì)骨料采用人工砂，細(xì)度模數(shù)為 2.7；粗骨料采用5～20，20～40 mm 人工碎石；外加劑采用緩凝高效減水劑、引氣劑。纖維分別采用聚丙烯纖維、分散型耐堿玻璃纖維以及集束型耐堿玻璃纖維，其技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 耐堿玻璃纖維技術(shù)指標(biāo)

1.2 配合比與試驗(yàn)方案

面板混凝土配合比技術(shù)要求為C30W10F200，坍落度為50～70 mm。配合比試驗(yàn)主要依據(jù)DL/T 5330-2015《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[4]，采用“絕對(duì)體積法”計(jì)算，骨料均為飽和面干狀態(tài)?？箟簭?qiáng)度保證率取95%，t=1.645（標(biāo)準(zhǔn)差為4.5 MPa），C30W10F200 配制強(qiáng)度為 37.4 MPa。

根據(jù)前期試驗(yàn)總結(jié)，優(yōu)選出以0.37 水膠比的配合比作為基準(zhǔn)配合比，調(diào)整纖維摻量，分析其對(duì)混凝土力學(xué)性能、變形性能、耐久性能的影響，試驗(yàn)配合比方案如表2 所示。

表2 混凝土配合比方案 kg/m3

1.3 混凝土性能試驗(yàn)方法

混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能試驗(yàn)、早期抗裂試驗(yàn)、快速凍融試驗(yàn)、逐級(jí)加壓滲透試驗(yàn)均依據(jù)DL/T 5150-2017《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[5]進(jìn)行。其中早期抗裂試驗(yàn)鋼制模具尺寸為800 mm×600 mm×100 mm，試件表面中心處風(fēng)速不小于5 m/s，24 h 后及時(shí)觀測(cè)表面裂縫情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 纖維摻量對(duì)混凝土拌和狀態(tài)的影響

不同纖維摻量對(duì)混凝土拌和狀態(tài)的影響如表3 所示。在坍落度和含氣量滿足要求的情況下，隨著纖維用量逐漸增加，單位用水量明顯增加，膠凝材料量也隨之增加，這是由于纖維具有一定吸水性，在拌和過程中增加了漿體用量。

表3 纖維用量與混凝土性能

2.2 纖維摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

混凝土力學(xué)性能的測(cè)試結(jié)果如表3所示。在水膠比不變情況下，隨著纖維用量的增加，抗壓強(qiáng)度逐漸降低，說明纖維會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度損失。纖維摻量與混凝土性能改善有直接關(guān)系，摻量太少，達(dá)不到增強(qiáng)增韌效果；摻量太多，纖維之間會(huì)相互搭接，增多混凝土孔隙，影響混凝土密實(shí)程度，降低纖維與膠凝材料的粘結(jié)強(qiáng)度，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低[6]。

與O1 基準(zhǔn)相比，各纖維混凝土的劈裂強(qiáng)度均有效提高，如圖1 所示。摻耐堿玻璃纖維的G3～G7 整體表現(xiàn)為3 d 內(nèi)逐漸增長(zhǎng)，7 d 內(nèi)增長(zhǎng)率達(dá)到最大，之后穩(wěn)定增長(zhǎng)，28 d 劈裂強(qiáng)度均高于摻聚丙烯纖維的P2。此外，纖維摻量過低或過高均會(huì)降低混凝土劈裂強(qiáng)度。

圖1 各方案混凝土劈裂強(qiáng)度增長(zhǎng)率

與基準(zhǔn)混凝土相比，各纖維混凝土的抗折強(qiáng)度均有效提高，如圖2 所示。摻耐堿玻璃纖維的G3～G7 的抗折強(qiáng)度均優(yōu)于摻聚丙烯纖維的P2，主要是由于集束型纖維的摻入，起到了拉結(jié)的作用，抗折能力逐漸提升，當(dāng)達(dá)到6.7 kg/m3時(shí)，如G6 所示抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)率為26.7%。但繼續(xù)增加，如G7所示，強(qiáng)度反而降低。

圖2 各方案混凝土抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)率

2.3 纖維摻量對(duì)混凝土變形性能的影響

對(duì)滿足力學(xué)性能要求的配合比繼續(xù)進(jìn)行變形性能試驗(yàn)，主要進(jìn)行早期抗裂試驗(yàn)?；炷猎缙诹芽p主要是由于混凝土失水收縮并受到約束引起，混凝土早期抗拉強(qiáng)度較低，當(dāng)收縮應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度時(shí)便產(chǎn)生裂縫。混凝土早期裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性不利，早期裂縫加速腐蝕介質(zhì)侵入、鋼筋銹蝕及混凝土碳化，而且當(dāng)大壩服役后，在外力或大壩沉降作用下，早期裂縫成為面板結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，裂縫會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展，對(duì)耐久性的威脅更大[7]。

早期抗裂測(cè)試結(jié)果如表4 所示，其中O1 基準(zhǔn)混凝土裂縫最多、寬度最大且總開裂面積最大；P2摻加聚丙烯纖維，有效降低了裂縫數(shù)量、寬度和總開裂面積；G3～G6 摻加耐堿玻璃纖維，裂縫數(shù)量、寬度以及總開裂面積逐漸降低，直至試件表面未出現(xiàn)裂縫。

表4 混凝土早期抗裂測(cè)試結(jié)果

由P2，G3，G4 可知，過少的分散型耐堿玻璃纖維對(duì)裂縫的控制效果不如聚丙烯纖維，但足量的分散型耐堿玻璃纖維抗裂效果明顯優(yōu)于聚丙烯纖維。由G4，G5，G6 可知，隨著集束型耐堿玻璃纖維逐漸增加，早期抗裂有所提升，但不如分散型作用顯著。雙摻纖維在混凝土表面和內(nèi)部形成有效的抵消拉應(yīng)力體系，改善了混凝土抗裂能力，可知G6 方案摻量最佳，抗裂效果最好。

為進(jìn)一步驗(yàn)證G6 方案變形性能，進(jìn)行抗壓彈性模量試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見表5。彈性模量表征材料抵抗彈性應(yīng)變的能力，其值越低越容易發(fā)生彈性形變，通過形變做的功將內(nèi)應(yīng)力消耗；若彈性模量高，基體無法有足夠形變，會(huì)在基體內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過塑性變形范圍后即發(fā)生斷裂，也就是脆斷，這也是傳統(tǒng)混凝土的特點(diǎn)[8]。通過比對(duì)GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]中的混凝土彈性模量，G5，G6 分別達(dá)到普通 C20，C15 混凝土等級(jí)，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)低彈的目的，可見摻加纖維后，混凝土可以獲得較低的彈性模量，有利于混凝土抗裂能力的提升。

表5 混凝土抗壓彈性模量測(cè)試結(jié)果

2.4 纖維摻量對(duì)混凝土耐久性的影響

對(duì)滿足力學(xué)性能要求的配合比繼續(xù)進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，抗凍性能、抗?jié)B性能測(cè)試結(jié)果如表6 所示，不論是否增加纖維，各配合比均能滿足F200 和W10 設(shè)計(jì)要求，而且G5 與G6 混凝土凍融試件可滿足F300 要求，說明耐堿玻璃纖維可應(yīng)用于寒冷地區(qū)的高抗凍面板混凝土[10]。通過表6 中滲水平均高度可知，O1 混凝土滲水高度最低，這是由于該配合比未摻加纖維，混凝土更加致密，不易滲水；其他方案摻加纖維，滲水高度有所增加，雖形成個(gè)別孔隙，但由于異向排布并未影響混凝土抗?jié)B能力。

表6 混凝土耐久性試驗(yàn)結(jié)果

2.5 配合比確定

經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，本著降低施工成本，提高抗裂能力的原則，最終選取G6 配合比作為推薦配合比，見表7。

表7 推薦配合比 kg/m3

3 結(jié)論

1）隨著纖維摻量摻加，配合比單位用水量逐漸增加，膠凝材料量也逐漸增加。

2）在一定范圍內(nèi)，隨著纖維摻量的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度會(huì)有所降低，但劈裂強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度均明顯提高，這對(duì)面板混凝土抗裂是有利的。

3）耐堿玻璃纖維對(duì)混凝土開裂的抑制效果優(yōu)于聚丙烯纖維，當(dāng)分散型耐堿玻璃纖維摻量為0.6 kg/m3、集束型耐堿玻璃纖維摻量為6.7 kg/m3時(shí)，抗裂效果最好。

4）耐堿玻璃纖維在混凝土中起到增強(qiáng)增韌效果，隨著2 種耐堿玻璃纖維的增加，彈性模量明顯降低。

5）摻加纖維對(duì)混凝土抗凍性能、抗?jié)B性能改善不明顯。