纤维类型对塑性混凝土基本性能的影响

2013-08-28宋帅奇高丹盈

华北水利水电大学学报(自然科学版) 2013年1期

宋帅奇，高丹盈，杨林

(1.郑州大学新型建材与结构研究中心，河南郑州450002;2.河南城建学院交通工程系，河南平顶山467036)

塑性混凝土是以膨润土、黏土等掺合材料取代普通混凝土中的部分水泥配制而成的柔性材料，通常被用作防渗墙材料，广泛应用于大坝围堰工程、大坝除险加固工程及结构基础工程［1］.近年来，塑性混凝土在我国的三峡大坝围堰、小浪底上游围堰、丹江口水库副坝等水利工程中广泛应用.我国对塑性混凝土的研究始于20世纪80年代，中国水利水电基础工程局、长江水利研究院、清华大学、郑州大学等单位对此开展了塑性混凝土课题的试验研究［2－9］.塑性混凝土具有强度低、弹性模量低、极限变形大、弹性模量与强度的比值小、渗透系数合适并可控等特点，是较为理想的防渗材料.然而，针对塑性混凝土的研究大多侧重于工程实际应用，缺乏基础理论研究［10－11］.纤维作为一种集增强、增韧、阻裂等功能于一体的材料已在普通混凝土中得以广泛应用并取得良好效果，并演化出纤维混凝土这一分支学科领域.能否将纤维应用到塑性混凝土中以进一步改善其性能成为了笔者关注的焦点.笔者较为详细地研究了纤维类型对塑性混凝土性能的影响，以期对纤维混凝土和塑性混凝土的应用起到推动作用.

1 试验概况

水泥采用42.5普通硅酸盐水泥，由河南省卫辉市天瑞水泥有限公司生产;黏土采用三门峡灵宝窄口水库库区粉质黏土(磨细至200目粉状);膨润土采用信阳平桥生产的Ca－基一级膨润土;粗骨料采用粒径为5～20 mm的碎石;细骨料采用河砂，细度模数2.6，级配曲线位于Ⅱ区，属中砂;纤维采用聚丙烯纤维、聚酯纤维、玄武岩纤维和木质素纤维4种类型.参照课题组前期的试验结果［2－3，8－9］，以及为确定用水量而提前进行的纸杯试验结果［3，10］，确定了表1所示的5个塑性混凝土配合比.其中，BM组为基准组，不掺纤维;F1—F4组为对比组，分别对应聚丙烯纤维、聚酯纤维、木质素纤维和玄武岩纤维，纤维掺量均为0.6 kg/m3;龄期28 d.

塑性混凝土采用机械拌和，人工或振动台振捣，试模成型，静置48 h后拆模，并移至标准养护室养护至目标龄期.工作性能及基本力学性能均参照《水工混凝土试验规程》(DL/T 5150—2001)进行相关试验.立方体抗压强度和劈拉强度均采用边长为100 mm和150 mm的两种立方体试块，抗折强度试块尺寸为100 mm×100 mm×400 mm.

表1 配合比

2 结果与分析

2.1 纤维类型对拌合物工作性能的影响

2.1.1 拌合物工作性能测试结果

参考《水工混凝土试验规程》(DL/T 5150—2001)采用坍落度、扩展度、黏聚性和保水性来评定塑性混凝土拌和物的工作性能.试验结果见表2.

表2 拌合物工作性能测试结果

2.1.2 结果分析

塑性混凝土拌合物坍落度、扩展度及泌水率与纤维类型之间的关系如图1—2所示.

相对不掺纤维组而言，掺纤维组的坍落度、扩展度及泌水率呈整体下降趋势，纤维对拌合物工作性能的影响显著，且不同类型的纤维素影响程度不同.坍落度和扩展度方面，聚丙烯纤维组降幅最大，分别下降75%和14.8%，木质素纤维组降幅最小，分别降2.9%和－3.3%;泌水率方面，聚酯纤维组降幅最大，玄武岩纤维组的降幅最小.可见纤维掺入可以改善拌合物的保水性、流动性和黏聚性.

2.1.3 机理探讨

掺加纤维后，塑性混凝土拌合物的坍落度、扩展度和泌水率降低的原因是:纤维在拌合物中乱向分布，呈网状结构，增大了拌合物内部摩阻力和剪切阻力，降低了拌合物的流动性;纤维表面和内部还可吸附一定量的水分，使得拌合物浆体中的自由水分减少.纤维对塑性混凝土拌合物坍落度、扩展度和泌水率影响的差异主要由纤维的长度和吸水性决定.在一定范围内，纤维的长度越大，拉结、黏结作用越明显，拌合物的稠度和黏聚性会明显增加.本次试验中聚丙烯纤维的长度(19 mm)远大于其他3种纤维，故其坍落度和扩展度降幅最大，木质素纤维长度最小(小于6 mm)，故其坍落度和扩展度降幅最小;聚酯纤维的长度比玄武岩纤维稍小，但前者吸水性较大，聚酯纤维组坍落度和扩展度降幅大于玄武岩纤维组.纤维对塑性混凝土拌合物泌水率的改善主要源自纤维吸收了部分水分，增大了拌合物的黏聚性与保水性，阻碍了骨料下沉与浆体上浮.

2.2 纤维类型对塑性混凝土基本力学性能的影响

2.2.1 测试结果

参照《水工混凝土试验规程》(DL/T 5150—2010)进行抗压强度、劈拉强度和抗折强度试验，但由于塑性混凝土强度较低，加载速度稍慢.抗压加载速率为0.10 MPa/s;劈拉加载速率定为0.02 MPa/s;抗折加载速率为10 N/s的连续、均匀加荷.通过试验可得力学性能测试结果见表3，力学性能与纤维类型关系如图3所示.

表3 基本力学性能测试结果

2.2.2 结果分析

相对不掺纤维组，掺纤维组的塑性混凝土抗压强度、劈拉强度和抗折强度均有不同程度的下降，木质素纤维组降低幅度最大，其他3种纤维降幅相近.抗压强度方面，聚酯纤维组的降幅最小(100 mm和150 mm立方体抗压强度分别下降6.6%和12.2%)，木质素纤维组降幅最大(100 mm和150 mm立方体抗压强度分别下降31.1%和30.6%);劈拉强度降低规律与抗压强度相同;抗折强度均有大幅减小，平均降幅37.2%，木质素纤维组降幅最大，达50.0%.

图3 基本力学性能与纤维类型之间的关系

2.2.3 机理探讨

纤维对塑性混凝土强度影响体现在:①纤维与混凝土基体的黏结;②纤维的填充作用;③纤维的吸水作用.纤维与混凝土基体的黏结主要受纤维自身强度及纤维与混凝土基体的黏结强度影响，但由于塑性混凝土基体自身强度较低且破坏时变形较大，纤维大都被拔出，由黏结导致的增强效果有限.纤维的填充效应增加了拌合物的多相组成，加上黏结不足，杂质效应明显，导致塑性混凝土强度减小.纤维的吸水作用可减少拌合物中实际水胶比，进而引起强度增大.掺纤维组强度均有所下降，说明在塑性混凝土中纤维的填充起了主导作用;相同纤维掺量下，木质素纤维的吸水作用大于其他3种纤维，但木质素纤维是一种絮状短纤维，其在塑性混凝土中拉结、黏结能力较差，主要起填充作用，所以掺木质素纤维组强度最小;聚酯纤维与聚丙烯纤维和玄武岩纤维相比，其长度较小，吸水性较好，对实际水胶比影响较大，致使聚酯纤维组强度大于后两者.

2.3 纤维对塑性混凝土变形性能的影响

图4和图5分别为不掺纤维的塑性混凝土和掺纤维塑性混凝土立方体受压试件破坏形态.从图4与图5可以看出，不掺纤维的塑性混凝土破坏时，两端剥落程度轻，中部剥落严重，粗骨料裸露、完好，界面黏结较差，试件呈倒上下对接四角锥形状，破坏后试件整体性较差;掺加纤维的塑性混凝土破坏时，试件表面分布较多裂缝，局部剥落，破坏时纤维大多被拔出，破坏后试件形成较大双曲线型裂缝，但整体性较好.通过单轴、双轴、三轴压缩试验也发现类似现象，即试验应力－应变曲线较不加纤维组趋于饱满，曲线下包围面积增大，变形能力增强.在三轴试验中发现掺加纤维组的黏聚力减小，内摩擦角增大.

可见，纤维的加入能提高塑性混凝土的塑性变形能力，因为在受压过程中纤维能延缓塑性混凝土裂缝开展速度，在拔出和拉断过程中消耗大量能量，试件破坏前有明显预兆，塑性混凝土内部产生了更多的细微裂缝，变形较不掺纤维的塑性混凝土大.

2.4 纤维对塑性混凝土抗渗性能的影响

图6为纤维类型对抗渗性能的影响.从图中看出，掺纤维组的相对渗透系数均有不同程度的降低.F1，F2，F3，F4组与 BM 相比，相对渗透系数分别降低 19.7%，10.8%，8.9%，36.3%.不同类型纤维对相对渗透系数的降低作用由小到大依次为:木质素纤维、聚酯纤维、聚丙烯纤维和玄武岩纤维.

图6 纤维类型对抗渗性能的影响

虽然纤维对塑性混凝土强度有降低作用，但对其抗渗性能却有改善作用.原因可能是纤维掺入塑性混凝土后呈乱向分布，阻碍了骨料下沉与浆体上浮，减少了干缩、骨料下沉造成的原始裂缝，降低裂缝贯通的概率，阻断或改变内部的毛细孔通道，增加了塑性混凝土的整体均匀性;此外，纤维的网状拉结作用能阻止黏土颗粒在渗水压力下的迁移，从而提高塑性混凝土的抗渗能力.