李桂寶

（綏中水利電力建設(shè)有限公司，遼寧 綏中 125200）

干燥高溫施工條件下，大面積薄壁混凝土結(jié)構(gòu)面板堆石壩的混凝土面板層因內(nèi)外部約束和失水過(guò)快容易產(chǎn)生塑性收縮裂縫；混凝土硬化過(guò)程中，因養(yǎng)護(hù)期已過(guò)或養(yǎng)護(hù)不到位、不及時(shí)混凝土繼續(xù)失水，在內(nèi)外部的約束條件以及毛細(xì)管張力、凝膠分子表面張力等因素作用下易形成干燥收縮裂縫；在季節(jié)性或日溫差環(huán)境下，因干燥收縮和塑性收縮引起的裂縫將產(chǎn)生相應(yīng)的收縮或膨脹，這些裂縫受溫差應(yīng)力作用進(jìn)一步擴(kuò)展。對(duì)于堆石壩面板，裂縫會(huì)降低結(jié)構(gòu)耐久性能和面板的抗?jié)B性能[1-3]。在北方嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，反復(fù)的凍融循環(huán)也會(huì)對(duì)混凝土面板產(chǎn)生影響，混凝土受凍脹應(yīng)力作用形成裂縫甚至出現(xiàn)剝落，對(duì)面板服役性能及結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。

面板混凝土質(zhì)量與抗凍性、抗?jié)B性、抗裂性密切相關(guān)，通過(guò)改善混凝土性能夠有效延長(zhǎng)面板結(jié)構(gòu)的服役年限，切實(shí)保證其安全穩(wěn)定性[4]。目前，采用纖維來(lái)改善混凝土性能已得到工程技術(shù)領(lǐng)域的普遍認(rèn)可，纖維素纖維因具有良好的相容性以及天然的保水性、親水性等被廣泛應(yīng)用于混凝土領(lǐng)域[5]。鑒于此，文章通過(guò)試驗(yàn)分析探討了大壩面板混凝土中纖維的使用性能，深入揭示了其對(duì)面板混凝土抗凍性、抗?jié)B性的影響及其早期干縮裂縫、塑性裂縫的作用。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

試驗(yàn)選用渤海P·O 42.5 級(jí)水泥，5~20mm、20~40mm 二級(jí)配花崗巖碎石，六股河中砂，細(xì)度模數(shù)2.6，混凝土配合比及其原材料與小湯河中游的關(guān)門山水庫(kù)大壩面板相同，配合設(shè)計(jì)比，如表1所示。經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)，纖維的力學(xué)性能及物理參數(shù)，如表2 所示。

表1 配合比設(shè)計(jì)

表2 纖維的主要性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》和《纖維混凝土塑性裂縫標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法》的規(guī)定測(cè)試混凝土的工作性能、力學(xué)性能、抗凍抗?jié)B性能及其受約束作用下的塑性收縮裂縫。

試驗(yàn)參照以下流程測(cè)試硬化早期砂漿基體的干燥收縮裂縫，具體如下：①砂漿配合比為水：砂：粉煤灰：水泥=0.42 : 1.70 : 0.25 : 1，其中纖維、引氣劑、減水劑摻量與表1 相同；②精準(zhǔn)稱量所需的原材料，利用砂漿攪拌機(jī)均勻攪拌180s 后澆筑到硬化早期收縮開(kāi)裂試模中，對(duì)試件分組編號(hào)B0、B1、B2；③砂漿試件為厚度20mm、高150mm、內(nèi)徑150mm 的圓筒體，在其內(nèi)部放置厚度30mm、高度150mm、外徑150mm 的鋼制圓筒體作為約束；④成型標(biāo)養(yǎng)3d 后，取出試件放入濕度20%、溫度80℃的箱體內(nèi)，設(shè)定恒溫1h 升溫至80℃(升溫速度10℃/h)開(kāi)展加速干燥失水收縮開(kāi)裂試驗(yàn)；⑤觀察試件開(kāi)裂情況并測(cè)定其失水速度，失水速度減小到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)終止試驗(yàn)，利用顯微鏡測(cè)定裂縫寬度d，分段測(cè)定裂縫長(zhǎng)度Li。干燥收縮裂縫的權(quán)重值，如表3 所示。根據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照表3 中的權(quán)重值利用下式計(jì)算開(kāi)裂系數(shù)C，即：

表3 干燥收縮裂縫的權(quán)重值

2 結(jié)果與分析

2.1 面板混凝土力學(xué)性能

混凝土摻不同纖維的力學(xué)性能及工作性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4 所示。結(jié)果表明，摻聚丙烯纖維和纖維素纖維組相較于基準(zhǔn)組的混凝土坍落度減小25mm、10mm，混凝土坍落度受聚丙烯纖維的影響程度要高于纖維素纖維；另外，摻纖維組合基準(zhǔn)組混凝土含氣量相差不大，說(shuō)明拌合物含氣量受纖維的影響較低；對(duì)于抗壓和劈拉強(qiáng)度，纖維的摻入可在一定程度上提高混凝土強(qiáng)度，并且纖維素纖維的提升作用高于聚丙烯纖維[7-8]。

表4 混凝土力學(xué)性能及工作性能

2.2 面板混凝土塑性收縮裂縫

混凝土摻不同纖維的塑性收縮裂縫試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表5 所示。結(jié)果表明，纖維的摻入可以有效抑制混凝土塑性裂縫的延伸和擴(kuò)張，這表現(xiàn)為摻入纖維的A1、A2 組相較于基準(zhǔn)組A0 組的混凝土板裂縫長(zhǎng)度、寬度明顯減小。其中，聚丙烯纖維和纖維素纖維混凝土板的裂縫長(zhǎng)度依次減少17.9%、77.0%，裂縫寬度依次減少39.6%、45.1%。對(duì)于裂縫面積，聚丙烯纖維和纖維素纖維混凝土板相較于基準(zhǔn)組依次減少50.4%、87.3%。

表5 塑性收縮裂縫及纖維的分布參數(shù)

纖維的累計(jì)長(zhǎng)度∑L、平均中心間距S和單位體積混凝土中纖維的根數(shù)N在很大程度上決定了塑性狀態(tài)混凝土中纖維的阻裂作用，并且∑L值越大、S值越小、N值越大則纖維的阻裂效果越顯著[9]。從表5 可以看出，纖維素纖維是聚丙烯纖維∑L值、S值、N值的2.14 倍、0.36 倍、18.67 倍，結(jié)合以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在塑性狀態(tài)混凝土中纖維素纖維明顯優(yōu)于聚丙烯纖維的阻裂作用，該變化規(guī)律與實(shí)際情況相符。

2.3 砂漿基體的干燥收縮裂縫

砂漿基體摻不同纖維的早期干燥收縮裂縫試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表6 所示。結(jié)果表明，聚丙烯纖維和纖維素纖維均會(huì)在不同程度上抑制早期干燥收縮裂縫的形成，減裂率為51.9%、66.2%，說(shuō)明纖維素纖維的防裂效果更加明顯。究其原因，纖維素纖維的抗拉強(qiáng)度及彈性模量更高（如表1），這直接決定了形成早期干燥收縮裂縫的難易程度。因此，通過(guò)提高纖維的強(qiáng)度指標(biāo)和彈性模量是控制早期干燥收縮裂縫的有效途徑，但高強(qiáng)度、高彈性模量的纖維成本較大，實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)大大增加工程成本，所以研發(fā)高強(qiáng)度、高彈性模量且成本更加合理的纖維具有重要意義[10]。

表6 早期干燥收縮裂縫試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.4 面板混凝土抗?jié)B抗凍性

混凝土摻不同纖維的抗?jié)B抗凍性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表7 所示。結(jié)果顯示，混凝土中摻入纖維能夠明顯改善其抗?jié)B性能，其中聚丙烯纖維和纖維素纖維可以提高1 個(gè)、2 個(gè)標(biāo)號(hào)的抗?jié)B等級(jí)，試驗(yàn)水壓1.1MPa下兩者的滲水高度比依次為56.6%、33.0%。究其原因，在早齡期抗拉強(qiáng)度較低時(shí)混凝土內(nèi)部的微裂縫易發(fā)生擴(kuò)展，而纖維的摻入可以發(fā)揮搭接僑聯(lián)作用，對(duì)抑制微裂縫的連通及擴(kuò)展發(fā)揮積極作用，有利于減少滲水通道；另外，纖維素纖維還存在一定吸水特性，可以促進(jìn)水泥水化和毛細(xì)孔的細(xì)化，在阻礙微裂縫連通、擴(kuò)展的同時(shí)將有害孔轉(zhuǎn)變成無(wú)?？眨瑥亩沟没炷量?jié)B性明顯提高。

表7 抗?jié)B抗凍性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

混凝土中摻入纖維能夠明顯改善其抗凍性能，聚丙烯纖維和纖維素纖維均可以提高50 個(gè)標(biāo)號(hào)的抗凍等級(jí)。這是由于受凍時(shí)混凝土產(chǎn)生凍脹應(yīng)力促進(jìn)內(nèi)部微裂縫的形成與擴(kuò)展，而纖維的摻入可以消耗凍融循環(huán)過(guò)程中所產(chǎn)生的能量，有利于延緩損傷速度以及抑制微裂縫的形成擴(kuò)展，有效改善其抗凍性能，保證面板混凝土結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[11-13]。

3 結(jié) 論

1）混凝土坍落度受聚丙烯纖維的影響程度要高于纖維素纖維，拌合物含氣量受兩種纖維的影響較低，纖維的摻入可在一定程度上提高混凝土強(qiáng)度，并且纖維素纖維的增強(qiáng)作用高于聚丙烯纖維。

2）在混凝土塑性階段聚丙烯纖維和纖維素纖維的減裂率依次為50.4%、87.3%，究其原因是纖維素纖維優(yōu)于聚丙烯纖維的累計(jì)長(zhǎng)度∑L、平均中心間距S和單位體積混凝土中纖維的根數(shù)N等參數(shù)。

3）聚丙烯纖維和纖維素纖維均會(huì)在不同程度上抑制早期干燥收縮裂縫的形成，減裂率為51.9%、66.2%，纖維素纖維的防裂效果更加明顯。纖維能夠改善混凝土抗?jié)B抗凍性，其中聚丙烯和纖維素可以提升1 個(gè)、2 個(gè)標(biāo)號(hào)的抗?jié)B等級(jí)，兩種纖維均可以提升50 個(gè)標(biāo)號(hào)的抗凍等級(jí)。