王占旺

(北京京水建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100193)

1 概 述

進(jìn)入新時(shí)期以來，我國的水利工程建設(shè)不斷加快，對水工材料和施工技術(shù)也提出了更高的要求。在現(xiàn)階段，混凝土是水利工程建設(shè)中使用最廣泛、用量最大的人造材料，對水利工程建設(shè)具有不可或缺的重要作用[1]。干硬性混凝土是一種低水灰比混凝土材料，具有快硬早強(qiáng)的優(yōu)勢，將其用于水利工程砌塊的工業(yè)化生產(chǎn)具有重要意義，可以大幅縮短工期，降低工程成本[2]。當(dāng)然，干硬性混凝土的缺陷也十分明顯，主要是脆性大、易開裂，適應(yīng)變形能力不足，這也對其在水工砌塊生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用造成諸多困擾。因此，通過輔助材料添加改善其物理和力學(xué)性能就成為亟待解決的重要工程問題。另一方面，隨著合成纖維的大量生產(chǎn)和使用，廢棄化學(xué)纖維制品的污染治理已經(jīng)成為世界性的難題，而最理想的方法無疑是分類回收和資源化利用[3]。相關(guān)研究顯示，尼龍纖維織物具有抗拉強(qiáng)度高、耐磨損、耐腐蝕的特點(diǎn)，在混凝土中摻入一定量的尼龍纖維可以有效改善混凝土的物理力學(xué)性能，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化利用，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)價(jià)值?；诖?，本文擬通過室內(nèi)試驗(yàn)的方式，探討尼龍纖維對干硬混凝土性能的影響，為其工程應(yīng)用提供有益的借鑒[4]。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

水泥是干硬混凝土的主要膠凝材料，會(huì)對混凝土的性能產(chǎn)生直接影響。此次研究選擇唐山北方水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。對水泥樣品實(shí)驗(yàn)室測定結(jié)果顯示，其初凝和終凝時(shí)間分別為137和194 min；28 d抗壓和抗折強(qiáng)度分別為50.5和8.3 MPa；標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為28.5%，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

試驗(yàn)用粗骨料為人工碎石，巖性為石灰?guī)r，硬度較大，其粒徑范圍為5～10 mm，級(jí)配良好，其表觀密度為2 670 kg/m3，堆積密度為1 510 kg/m3，壓碎率小于3.5%，含泥量小于1%。試驗(yàn)用細(xì)骨料為天然河沙，其表觀密度為2 640 kg/m3，堆積密度為1 480 kg/m3，其含泥量為2.1%，細(xì)度模數(shù)為2.89，屬于級(jí)配良好的Ⅱ區(qū)中砂。試驗(yàn)用粉煤灰為華能集團(tuán)下屬的冀東發(fā)電廠生產(chǎn)的 F 類 I 級(jí)粉煤灰，其含水量為0.3%，燒失量不大于3.5%，密度為2.6 g/cm3。

試驗(yàn)用減水劑為青島匯南建材有限公司出品的聚羥酸高效減水劑，其減水率為28%，密度為1.033 g/cm3，pH值為3.88，含氣量為2.8%。試驗(yàn)用引氣劑采用的是SB-G 型混凝土引氣劑。試驗(yàn)用水為普通自來水。

試驗(yàn)中使用的尼龍纖維來自廢舊衣物中回收的尼龍織物，其平均長度為30 mm，其熔點(diǎn)為260℃，橫向抗拉力為510 N，縱向抗拉力為760 N。

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)的主要目的是探究尼龍纖維及其摻量對干硬性混凝土性能的影響，為工程應(yīng)用提供最佳摻量參考。因此，在試驗(yàn)中首先以相關(guān)的技術(shù)規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，確定干硬混凝土的基礎(chǔ)配合比，然后保持水灰比、骨料和水泥摻量不變，向混凝土中摻加不同比例的尼龍纖維進(jìn)行試驗(yàn)[5]。結(jié)合普通混凝土中摻加尼龍纖維的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論，設(shè)置在每立方米混凝土中摻加0、0.5、1、1.5、2、2.5和3 kg等7種不同尼龍纖維摻量進(jìn)行試驗(yàn)。具體的試驗(yàn)方案和配合比設(shè)計(jì)見表1。

2.3 試驗(yàn)方法

由于干硬性混凝土含水量小，流動(dòng)性較差，不適合采用傳統(tǒng)的混凝土試塊制作方式，而需要利用機(jī)械強(qiáng)制振動(dòng)使其成型[6]。結(jié)合上述要求和室內(nèi)試驗(yàn)條件，采用在模具上疊加重物然后再放到振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)的方式成型。試驗(yàn)中采用的150 mm×150 mm×150 mm的立方體標(biāo)準(zhǔn)試模，加壓裝置為配有加壓彈簧和壓力計(jì)的千斤頂，振動(dòng)臺(tái)為金禾牌混凝土振動(dòng)臺(tái)。在試驗(yàn)過程中，首先按照試驗(yàn)方案配置好干硬性混凝土，然后將其裝入試模并在振動(dòng)臺(tái)上加壓振動(dòng)50 s，將成型后的混凝土試塊立即拆模編號(hào)，然后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期[7]。對達(dá)到試驗(yàn)齡期的混凝土試塊進(jìn)行抗壓、抗折強(qiáng)度和劈裂性能試驗(yàn)，每種試驗(yàn)方案試驗(yàn)3個(gè)試塊，以其試驗(yàn)數(shù)據(jù)的均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。其中，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)使用2 000 kN壓力試驗(yàn)機(jī)，抗折試驗(yàn)使用300 kN 抗折試驗(yàn)機(jī)，混凝土的抗裂性能采用圓環(huán)法進(jìn)行[8]。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 抗壓強(qiáng)度

按照上節(jié)的試驗(yàn)方案和方法，對各試驗(yàn)方案的干硬混凝土試塊7、14和28 d齡期的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表2。根據(jù)表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出試塊的抗壓強(qiáng)度隨尼龍纖維摻量的變化曲線，結(jié)果見圖1。

表2 各方案抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖1 抗壓強(qiáng)度隨尼龍纖維摻量變化曲線

由表2可以看出，摻加尼龍纖維各方案干硬混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度均大于不摻加尼龍纖維方案，且增幅比較明顯。由此可見，在干硬混凝土中摻加一定量的尼龍纖維可以顯著提升其抗壓強(qiáng)度。從圖1可以看出，在不同齡期條件下，隨著尼龍纖維摻量的增加干硬混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)出先迅速增大后緩慢減小的變化特點(diǎn)。在7和28 d齡期，當(dāng)尼龍纖維的摻量為1.5 kg時(shí)抗壓強(qiáng)度最大；在14 d齡期，當(dāng)尼龍纖維的摻量為2.0 kg時(shí)抗壓強(qiáng)度最大。究其原因，在干硬混凝土中摻加尼龍纖維，可以有效提高混凝土的整體性，因此抗壓強(qiáng)度獲得顯著提升。但是，隨著摻加量的進(jìn)一步增加，較多的尼龍纖維在混凝土中不易分散，且容易出現(xiàn)聚團(tuán)現(xiàn)象，抗壓強(qiáng)度反而會(huì)有所降低。

3.2 抗折強(qiáng)度

對各試驗(yàn)方案的干硬混凝土試塊7、14和28 d齡期的抗折強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表3所示。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出抗折強(qiáng)度隨尼龍纖維摻量的變化曲線，結(jié)果見圖2。由表3和圖2可以看出，與抗壓強(qiáng)度類似，摻加尼龍纖維各方案干硬混凝土試塊的抗折強(qiáng)度均顯著大于未摻加尼龍纖維方案，說明在干硬混凝土中摻加一定量的尼龍纖維可以顯著提升其抗折強(qiáng)度。從抗折強(qiáng)度的變化趨勢來看，各齡期干硬混凝土的抗折強(qiáng)度均隨著尼龍纖維的摻量先迅速增大后逐步減小，其原因與抗壓強(qiáng)度相同，這里不再贅述。與抗壓強(qiáng)度不同的是，當(dāng)尼龍纖維摻量為1.5 kg時(shí)所有齡期的試塊抗折強(qiáng)度均最大。

表3 各方案抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖2 抗折強(qiáng)度隨尼龍纖維摻量變化曲線

3.3 抗裂性能

混凝土為典型的塑性材料，在其制作過程中會(huì)受到溫度荷載、水化熱以及自收縮性能等諸多因素的影響，往往會(huì)出現(xiàn)一些裂縫，對混凝土的物理力學(xué)性能和滲透性造成不利影響。對水工混凝土而言，其抗裂性能顯得尤為重要。基于此，此次研究中利用圓環(huán)法對不同試驗(yàn)方案干硬混凝土的抗裂性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，獲得不同尼龍摻量和不同齡期條件干硬混凝土試塊的開裂時(shí)間，結(jié)果見表4。根據(jù)表4中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出試塊開裂時(shí)間隨尼龍纖維摻量的變化曲線，見圖3。由表4可以看出，在干硬混凝土中摻入尼龍纖維，可以顯著改善其抗裂性能，特別是對混凝土早期抗裂性能的改善作用比較明顯，這對于干硬混凝土砌塊的制作較為有利。由圖3可以看出，隨著尼龍纖維摻量的增大，干硬混凝土的開裂時(shí)間呈現(xiàn)出迅速增大并逐步趨于穩(wěn)定的變化特點(diǎn)。由此可見，大量增加尼龍纖維的摻量并不能顯著提升其抗裂性能。

表4 各方案抗裂性能試驗(yàn)結(jié)果

圖3 開裂時(shí)間隨尼龍纖維摻量變化曲線

4 結(jié) 論

此次研究通過室內(nèi)試驗(yàn)的方式，探討了尼龍纖維摻量對干硬混凝土力學(xué)性能的影響，主要結(jié)論如下：

1) 隨著尼龍纖維摻量的增大，干硬混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)出先迅速增大后逐漸減小的變化特點(diǎn)，當(dāng)尼龍纖維摻加量為1.5%時(shí)，抗壓和抗折強(qiáng)度值最大。

2) 試件的開裂時(shí)間隨著尼龍纖維摻量的增加呈現(xiàn)出先迅速增加后逐漸趨于穩(wěn)定的變化特點(diǎn)。

3) 綜合研究成果，建議在干硬混凝土制作過程中，摻加1.5%的尼龍纖維。