張桂金

(建平縣白山水庫管理處，遼寧 建平 122400)

1 概 述

水泥作為人工建筑材料，自19世紀(jì)20年代問世以來，已逐漸成為全球用量最大、使用最為廣泛的建筑材料。但是，受到自身材料特性的影響，混凝土的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其抗折強(qiáng)度，在結(jié)構(gòu)受彎時(shí)，受拉區(qū)往往會(huì)過早產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而造成結(jié)構(gòu)承載力的顯著下降，影響到混凝土抗壓性能的正常發(fā)揮[1]。鋼纖維混凝土是在普通混凝土中摻入一定數(shù)量的鋼纖維形成的，可以有效提升混凝土的抗拉強(qiáng)度和變形能力，已經(jīng)得到理論和工程實(shí)踐層面的廣泛驗(yàn)證[2]。但是，相關(guān)研究也顯示，在受拉破壞過程中，鋼纖維往往被整根拔出，而不是被拉斷，因此，對(duì)控制混凝土初裂的貢獻(xiàn)并不大，沒有充分發(fā)揮鋼纖維的積極作用[3]?；诖?，易志堅(jiān)教授提出了使用聚合物乳液與水泥、集料、鋼纖維拌和而成的一種新型鋼纖維聚合物改性水泥混凝土，利用聚合物材料改善水泥的變形能力，利用鋼纖維提升混凝土的剛度強(qiáng)度，進(jìn)而充分提升混凝土材料的物理力學(xué)性質(zhì)[4]。此外，聚合物乳液可以顯著提升混凝土的和易性，完全可以利用普通設(shè)備進(jìn)行施工作業(yè)。因此，鋼纖維聚合物改性混凝土已經(jīng)成為新型混凝土材料領(lǐng)域的重要研究方向。顯然，將鋼纖維聚合物改性混凝土應(yīng)用于水工建設(shè)領(lǐng)域，會(huì)受到水、大氣、各類侵蝕以及正負(fù)溫度的反復(fù)作用，容易產(chǎn)生各種老化和病害[5]。特別是在北方地區(qū)，晝夜溫差和凍融循環(huán)都會(huì)考驗(yàn)其低溫性能。本文力求通過室內(nèi)試驗(yàn)方式，探索鋼纖維摻量對(duì)聚合物改性混凝土抗凍融性能的影響，為相關(guān)工程設(shè)計(jì)和建設(shè)提供必要的支持。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用水泥為鞍山瑞安水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥；試驗(yàn)用粗骨料為機(jī)制石灰?guī)r碎石，其粒徑范圍為5～10mm；試驗(yàn)用細(xì)集料為普通河砂，為中砂；聚合物乳液為環(huán)氧改性高分子聚合物乳液；研究中使用的鋼纖維為蘇州史尉康彎鉤型鋼纖維，其長度為30mm、直徑為0.5mm、彈性模量為200GPa、抗壓強(qiáng)度為1195MPa。

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了研究不同鋼纖維摻量對(duì)鋼纖維聚合物改性混凝土抗凍融性能的影響，結(jié)合相關(guān)研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)1%和2%兩種不同的鋼纖維摻量，并將沒有摻加鋼纖維的方案作為對(duì)比方案。具體的配合比設(shè)計(jì)見表1[6]。

表1 試驗(yàn)方案配合比設(shè)計(jì)

2.3 試件的制作和養(yǎng)護(hù)

在試件制作過程中，首先將試模清洗干凈；并在內(nèi)壁上均勻涂抹一層脫模劑；將粗集料、細(xì)集料以及水泥加入攪拌機(jī)中干拌1min，之后慢慢加入鋼纖維并攪拌2min，之后加入乳液和水并攪拌2min；將拌制好的混凝土裝入試模，并用鋼筋初步插搗，然后放到振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行振動(dòng)，然后刮去多余的混凝土并抹平試件的上表面[7]。對(duì)制作好的混凝土試件在常溫環(huán)境下蓋模養(yǎng)護(hù)24h脫模，然后移動(dòng)到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至28d齡期。

2.4 試驗(yàn)方法

將達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期的試件編號(hào)并擦拭試件表面的水分稱重，然后放入凍融試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行凍融循環(huán)。在-20℃的環(huán)境下凍3h后在常溫水中浸泡1h為一次凍融循環(huán)。本文試驗(yàn)共進(jìn)行200次凍融循環(huán)，每25次凍融試驗(yàn)擦去表面水分并逐一稱重，計(jì)算質(zhì)量損失。為了揭示鋼纖維摻量對(duì)鋼纖維混凝土基本力學(xué)性能的影響，在50次、100次、150次和200次凍融次數(shù)下進(jìn)行混凝土的三軸壓縮試驗(yàn)。根據(jù)纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(CECS 13—2009)中的相關(guān)要求，采用微機(jī)伺服粗粒土動(dòng)靜三軸儀進(jìn)行試驗(yàn)[8]。在試驗(yàn)過程中，首先將混凝土試件放在試驗(yàn)儀器上，用膠帶將接口部位密封，以防密閉不嚴(yán)造成試驗(yàn)失效[9]。將唯一傳感器與三軸試驗(yàn)儀連接好，并進(jìn)行歸零調(diào)整；手動(dòng)控制壓力缸，使其能夠完全罩住試件；設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行試驗(yàn)，并做好試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄工作。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 質(zhì)量損失試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用上節(jié)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)不同鋼纖維摻量方案下的鋼纖維聚合物改性混凝土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果，計(jì)算出相應(yīng)的質(zhì)量損失率(見圖1)。由圖可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件的質(zhì)量損失率呈現(xiàn)出先小幅下降后持續(xù)增長的特點(diǎn)，在凍融循環(huán)25次時(shí)，混凝土的質(zhì)量損失率為負(fù)值。究其原因，主要是在循環(huán)試驗(yàn)的初期，外部的水分會(huì)進(jìn)入混凝土的表面裂縫，導(dǎo)致質(zhì)量有所增大。之后，隨著凍融循環(huán)的影響，試件表面的砂漿開始脫落，因此質(zhì)量損失率逐漸增大。從不同的試驗(yàn)方案來看，鋼纖維摻量為1%時(shí)的質(zhì)量損失率最小，鋼纖維摻量為2%時(shí)的質(zhì)量損失率次之，沒有摻加鋼纖維的質(zhì)量損失率最大。由此可見，添加鋼纖維有利于減小試件的質(zhì)量損失率，但是摻量過大反而不利。究其原因，主要是過大的鋼纖維摻量會(huì)影響混凝土的均勻性，造成內(nèi)部有害孔隙增多。

圖1 不同計(jì)算方案質(zhì)量損失率變化曲線

3.2 相對(duì)動(dòng)彈模量計(jì)算結(jié)果與分析

利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算獲取不同計(jì)算方案、不同凍融循環(huán)次數(shù)下的混凝土試件相對(duì)動(dòng)彈模量(見表2)。由表中結(jié)果可知，由于受到凍融循環(huán)作用的影響，不同鋼纖維摻量的混凝土試件，相對(duì)動(dòng)彈模量均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，在達(dá)到一定次數(shù)之后，其降幅明顯增大。從不同計(jì)算方案的對(duì)比來看，在200次凍融循環(huán)試驗(yàn)后沒有摻加鋼纖維的混凝土試件為79.5%、1%鋼纖維摻量混凝土為87.1%、2%鋼纖維摻量混凝土為85.5%。由此可見，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土試件的砂漿和骨料產(chǎn)生明顯的流失，因此，結(jié)構(gòu)逐漸變得松散，因此相對(duì)動(dòng)彈模量逐漸減小。在摻加鋼纖維之后，可以對(duì)混凝土基體的破壞起到十分顯著的限制作用，因而緩解混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈模量損傷。由于鋼纖維不易在混凝土中充分分散，較高的摻量會(huì)影響混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實(shí)性。過高的鋼纖維摻量反而不利于試件動(dòng)彈模量損失率的控制。

表2 相對(duì)動(dòng)彈模量計(jì)算結(jié)果

3.3 抗壓強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果與分析

利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算獲取不同計(jì)算方案、不同凍融循環(huán)次數(shù)下的混凝土試件的抗壓強(qiáng)度(見表3)。由表中結(jié)果可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，各方案混凝土試件的抗壓強(qiáng)度值均呈現(xiàn)出不斷減小的變化特征。在相同的凍融循環(huán)次數(shù)下，摻加鋼纖維混凝土試件的抗壓強(qiáng)度明顯偏大，說明摻加鋼纖維可以有效提升混凝土的抗壓強(qiáng)度。具體來看，在沒有凍融時(shí)，方案2和方案3的抗壓強(qiáng)度值分別為50.0MPa和47.6MPa，與方案1的45.1MPa相比分別提高約10.86%和5.54%。在200次凍融之后，方案2和方案3的抗壓強(qiáng)度值分別為41.2MPa和38.4MPa，與方案1的34.1MPa相比分別提高約20.82%和12.6%。究其原因，在摻加鋼纖維之后，混凝土內(nèi)部的裂紋形成和拓展速度明顯減緩，最終表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度的提高。但是，隨著鋼纖維摻量的增加，會(huì)出現(xiàn)少量聚集成團(tuán)現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土漿體的包裹不足，因此，方案3的抗壓強(qiáng)度值低于方案2。

表3 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

4 實(shí)際工程應(yīng)用效果分析

白山水庫位于遼寧省建平縣白山鄉(xiāng)，在松遼河流域老哈河干流海棠河支流四漢城河中上游，控制流域面積235km2，樞紐主要由均質(zhì)土壩(最大壩高20.90m，壩頂寬3.50m，壩頂長度1030m)、開敞式溢洪道(溢流堰底寬40m，全長360m，設(shè)計(jì)泄量608m3/s)、輸水涵洞(φ1.20m，長96m，最大設(shè)計(jì)流量7.70m3/s)組成。總庫容3352.10萬m3。是一座以灌溉為主，兼有防洪、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用的中型水利樞紐。經(jīng)過多年的運(yùn)行，存在“防洪能力偏低；水庫壩基滲漏嚴(yán)重；溢洪道年久失修，基礎(chǔ)滲漏嚴(yán)重；輸水洞破損嚴(yán)重，工作閘門嚴(yán)重漏水，輸水能力降低；觀測(cè)設(shè)施年久失修，全部報(bào)廢”等諸多工程隱患，尤其溢洪道損毀現(xiàn)象十分嚴(yán)重，因此，進(jìn)行了除險(xiǎn)加固處理。在溢洪道除險(xiǎn)加固施工過程中，根據(jù)工程病險(xiǎn)程度和北方氣候特點(diǎn)，使用了鋼纖維聚合物改性混凝土。溢洪道加固施工完成后，經(jīng)過多年運(yùn)行，經(jīng)歷了十幾個(gè)冬季低溫凍融環(huán)境的影響與考驗(yàn)，混凝土結(jié)構(gòu)部分性狀良好，沒有出現(xiàn)明顯的凍融破壞和碳化現(xiàn)象，顯示出鋼纖維聚合物改性混凝土在北方高寒地區(qū)水利工程領(lǐng)域的良好應(yīng)用效果及價(jià)值。

5 結(jié) 論

本文通過室內(nèi)試驗(yàn)及實(shí)際工程應(yīng)用效果分析，探討了鋼纖維摻量對(duì)鋼纖維聚合物改性混凝土抗凍融性能的影響，獲得的主要結(jié)論如下：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件的質(zhì)量損失率呈現(xiàn)出先小幅下降后持續(xù)增長，從不同鋼纖維摻量的試驗(yàn)結(jié)果來看，1%鋼纖維摻量的質(zhì)量損失率最小，2%鋼纖維摻量的質(zhì)量損失率次之，沒有摻加鋼纖維的質(zhì)量損失率最大；不同鋼纖維摻量的混凝土試件，相對(duì)動(dòng)彈模量均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，在達(dá)到一定次數(shù)之后，其降幅明顯增大，從最終試驗(yàn)結(jié)果來看，1%鋼纖維摻量的相對(duì)動(dòng)彈模量最大，2%鋼纖維摻量的相對(duì)動(dòng)彈模量次之，沒有摻加鋼纖維的相對(duì)動(dòng)彈模量最??；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，各方案混凝土試件的抗壓強(qiáng)度值均呈現(xiàn)出不斷減小的變化特征。從最終試驗(yàn)結(jié)果來看，1%鋼纖維摻量的抗壓強(qiáng)度值最大，2%鋼纖維摻量的抗壓強(qiáng)度值次之，沒有摻加鋼纖維的抗壓強(qiáng)度值最小。

綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建議在工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用中選擇1%的鋼纖維摻量，不僅可以獲得較好的抗凍融性能，還可以有效控制施工成本。