聚丙烯腈纤维混凝土在西部高寒地区水利工程中的应用研究

李永松，李建峰，刘 颖，剑 奎，王亚军

(1.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，湖北 武汉 430010；2.西藏自治区水利水电规划勘测设计研究院，西藏 拉萨 850000)

0 引 言

我国西部高寒地区水利工程建成后的运行环境具有低温寒冷、温度日变幅大等特点。较大的昼夜温差使水利工程混凝土构建或建筑物长期处于昼夜冻融循环的环境中，极易产生冻融破坏[1]，甚至危及工程安全运行[2]。针对西部高寒地区水利工程运行所处独特气候环境条件，水利水电工程冻融破坏防护措施缺乏，相关冻融破坏[3- 4]防护规程规范和技术标准研究滞后，可供借鉴的经验较少。

聚丙烯晴纤维具有良好的亲和性[5]，掺入混凝土后可以提高混凝土的抗拉强度和抗压强度[6]。因此，通过对变温条件下聚丙烯腈纤维混凝土抗裂、质量损失率、力学特性等方面进行系统试验，研究聚丙烯腈纤维混凝土在高寒地区的适用性具有重要意义。首先，根据现场调查分析高寒地区典型工程混凝土冻融破坏的原因和特征，通过试验研究不同温度条件下、不同掺量的聚丙烯腈纤维混凝土的抗裂性能、力学性能、变形和耐久性等性能。之后在上述研究成果基础上，提出聚丙烯腈纤维混凝土在高寒地区工程应用的适宜性和最优聚丙烯腈掺量。

1 常温下聚丙烯腈纤维混凝土的抗裂特性研究

与其他地区相比，西部高寒地区特别是西藏地区的主要特点是严寒干燥、紫外线辐射强烈、日温差大，如西藏那曲市和阿里地区多年1月～4月和10月～12月平均气温均在0 ℃以下，最低气温超过-40 ℃。从笔者调查的工程来看，冻融破坏是西部高寒地区水利水电工程中最常见的破坏现象，一般混凝土的冻融破坏，在其表面都可看到裂缝和剥落，一旦结构表面混凝土剥蚀脱落严重，混凝土的使用寿命大为缩短，进而威胁到工程运行安全。

聚丙烯腈纤维掺入混凝土后，在混凝土凝固的过程中能增加混凝土的韧性，控制了混凝土的微细裂缝的产生和发展。混凝土开裂时，聚丙烯腈纤维可以有效地跨接在裂缝两侧，有效减小混凝土的开裂程度。通过进行常温下不同聚丙烯腈纤维掺量的抗裂性能试验，得到的相关规律和力学参数研究聚丙烯腈纤维混凝土的抗裂机理。

1.1 抗裂性能试验方法

水泥、砂、水按照1∶1.5∶0.5配比，先干拌30 s左右，再加水搅拌1 min左右后，按照0、0.5%、0.8%和1.0%体积掺加量掺入聚丙烯腈纤维，经砂浆搅拌机搅拌3 min，浇注并流满整个带有金属网木模，用刮刀刮平试件表面后，通过电吹风和碘钨灯加热烘干，测量加热烘干后裂缝宽度及长度。按照式(1)的宽度将裂缝分为四级，且对应相应的权值，所有不同等级的裂缝的长度和对应权值的乘积的总和称为开裂指数，以衡量砂浆/混凝土的开裂程度。

(1)

式中，d为裂缝长度，mm；k为相应权重。

1.2 抗裂性能试验结果

图1给出了不同聚丙烯腈纤维掺量砂浆的开裂指数。由图1可知，较之于不添加聚丙烯腈纤维的基准砂浆，添加量为0.5 kg/m3聚丙烯晴纤维的砂浆开裂指数降低了60.4%，添加0.8 kg/m3聚丙烯晴纤维的砂浆开裂指数降低了65.9%，添加1.0 kg/m3聚丙烯晴纤维的砂浆开裂指数降低了69.3%。因此，聚丙烯晴纤维具有显著的阻止砂浆开裂的效果，而且随着纤维数量的增加，其抗裂效果越明显。

图1 开裂指数和聚丙烯腈纤维掺量关系

2 变温条件下聚丙烯腈纤维混凝土的质量损失率

2.1 试验方法

试验混凝土配合比见表1。根据表1的配比，并按照0，0.5%，0.8%，1.0%体积掺加量掺入聚丙烯腈纤维制成聚丙烯腈纤维混凝土，制作和养护试样，试验以3个试样为一组，龄期28d。聚丙烯腈纤维混凝土在变温作用下进行20、0、-5、-10、-15、-20 ℃等不同温度下质量损失率测试，循环次数为常规次数50次。通过称重每种温度下循环作用前、后试件的饱和质量测试出质量损失率。

表1 混凝土配合比 kg/m3

2.2 试验结果及分析

根据试验结果可知，丙烯腈纤维混凝土在20～0 ℃不同温度循环作用下，其质量损失率为0.007%～0.152%，质量损失率均较小。混凝土质量损失率最小的为聚丙烯腈纤维的掺量为0.8%，较不添加聚丙烯腈纤维降低了94.2%。在20～-20 ℃范围内不同温度循环作用下其质量损失率为0.212%～0.300%。混凝土质量损失率最小的为聚丙烯腈纤维的掺量为0.5%，较不添加聚丙烯腈纤维纤降低了16%。

在20～-20 ℃范围内不同温度循环作用下，并非聚丙烯腈纤维掺量越高质量损失率越低，当聚丙烯腈纤掺量为1%时，混凝土质量损失率反而大于不添加聚丙烯腈纤维混凝土的质量损失率。

3 变温条件下聚丙烯腈纤维混凝土的力学特性研究

西部高寒地区水利工程建成后的运行环境具有低温寒冷、温度日变幅大和日照紫外线强烈等特点，研究低温条件下聚丙烯腈纤维混凝土的三轴压缩强度及三轴剪切强度参数等力学性能，对聚丙烯腈纤维混凝土在高寒地区应用的适宜性具有重要意义。

3.1 试验设备及方法

本次试验混凝土配合比同表1。三轴压缩强度试验共开展了24组，聚丙烯腈纤维的含量依次为0、0.5%、0.8%、1.0%。基于RMT- 401试验系统将不同温度下循环作用完成的试件进行不同低围压下压缩全过程曲线试验研究。

每组3个试件，在-20～20 ℃的温度范围内循环50次，根据不同聚丙烯腈纤维含量且不同温度循环作用下的不同围压条件下试件的三轴强度值，回归的强度参数及轴向应力—围压关系按照制样→循环→设定围压→设定加载控制方式→三轴加载试验的步骤进行试验，加载方式采用轴向位移控制，速率为0.002 mm/s。

3.2 变温条件下的抗剪参数特征

不同聚丙烯腈纤维含量且不同温度循环作用下的不同围压条件下的三轴压缩试验抗剪参数统计值见图2和图3。

图2 冻融循环后摩擦系数f的变化曲线

图3 冻融循环后粘聚力C的变化曲线

从图2、3可知，不掺入聚丙烯腈纤维(即含量为0)的混凝土在不同温度下的循环作用后，在常温20 ℃情况下，随着聚丙烯腈纤维掺量的增加，聚丙烯腈纤维混凝土的抗剪强度f依次降低，抗剪强度参数中的粘聚力C略微上升，说明常温下在混凝土中掺入聚丙烯腈纤维对混凝土有少许的弱化作用。而低温情况下，掺入不同比例的聚丙烯腈纤维混凝土经过冻融循环后，其抗剪参数粘聚力C和摩擦系数f均呈上升趋势。其中，粘结力C在聚丙烯腈纤维掺量为0.8%时提高最多，约为12%；摩擦系数f在聚丙烯腈纤维掺量为1%时提高最多，约为43%；掺量为0.8%时，摩擦系数f提高了16%。这表明，在合理掺量下聚丙烯腈纤维具有显著提高混凝土低温力学性能的作用，聚丙烯腈纤维的加入使得混凝土的抗冻融性能得到提高。

3.3 低温条件下的抗压强度和模量

在低温-20 ℃情况下冻融循环、围压为2 MPa时，聚丙烯腈纤维混凝土掺量为0.5%时的抗压强度、弹性模量和变形模量均高于其他掺量；相对不添加聚丙烯腈纤维，抗压强度提高了10%，弹性模量提高了10%，变形模量提高了9%。如果用弹性模量表示冻融循环产生的混凝土损伤，则可以认为经过低温-20 ℃下的冻融循环50次以后，聚丙烯腈纤维混凝土掺量为0.5%时混凝土的冻融损伤度最小，该规律与质量损失率试验结果一致。因此，并非聚丙烯腈纤维掺量越高混凝土的力学特性越好。

结合上述各种试验结果，在西部高寒地区，聚丙烯腈纤维掺量为0.5%时，能显著提高混凝土的抗裂性能、低温力学性能和抗冻性，聚丙烯腈纤维混凝土可用于工程项目中。

4 结 论

本文根据现场调查分析高寒地区典型工程混凝土冻融破坏的特征，通过试验研究聚丙烯腈纤维混凝土在高寒地区工程应用的适宜性和最优聚丙烯腈掺量，得到结论如下：

(1)聚丙烯晴纤维具有显著的阻止砂浆开裂的效果，而且随着纤维数量的增加，其抗裂效果越明显。

(2)变温条件下的质量损失率根据温度的不同而不同，并非掺量越高质量损失率越低。在20～0 ℃范围内不同温度循环作用下掺量为0.8%的混凝土质量损失率最小，而-20～0 ℃范围内掺量为0.5%的混凝土质量损失率最小。

(3)常温情况下在混凝土中掺入聚丙烯腈纤维对混凝土有少许的弱化作用。而低温情况下，聚丙烯腈纤维的加入使得混凝土的抗冻融性能得到提高。在合理掺量下聚丙烯腈纤维具有显著提高混凝土低温力学性能的作用。

(4)在低温-20 ℃下冻融循环、围压为2 MPa时，聚丙烯腈纤维混凝土掺量为0.5%时的抗压强度、弹性模量和变形模量较高。

(6)在西部高寒地区，聚丙烯腈纤维掺量为0.5%时，能提高混凝土的抗裂性能、低温力学性能和抗冻性，聚丙烯腈纤维混凝土可用于工程项目中。