纤维长度对水工混凝土力学性能影响的试验研究*

(山西省水利水电科学研究院，山西 太原 030002)

山西省大水网工程正在建设的关键时刻，混凝土是在水利工程大水网建设中用量最多的建筑材料。但其具有脆性大、易开裂、抗冲击性能较低等缺陷。采用有机合成纤维对混凝土进行改性，可明显提高和改善混凝土的耐久性、抗裂性、抗冻性以及抗渗性等性能，从整体上提高混凝土的综合性能。纤维混凝土中纤维的作用与纤维品种、纤维性能、纤维与混凝土界面间的黏结状况以及基体混凝土的类别和强度等级等因素密切相关。

聚丙烯纤维是以丙烯聚合得到的等规聚丙烯为原料纺制而成的合成纤维。聚丙烯纤维有以下特点：ⓐ有较高的强度和弹性模量，有利于提高混凝土的力学性能；ⓑ与水泥表面握裹力强，亲水性处理利于挂灰，提高混凝土强度；ⓒ分散性好，可有效保证混凝土防裂性能的发挥；ⓓ化学性能稳定，耐酸碱性极强。由于聚丙烯纤维的特点以及价格优势，本文将对不同长度聚丙烯纤维在水工混凝土抗冲磨强度的变化进行对比分析，为山西省大水网水利工程建设提供可靠的试验数据支持。

1 研究内容

课题试验研究的纤维是聚丙烯纤维。依照《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)和混凝土抗冲磨性能相关理论相结合的方法，研究水工混凝土分别在相同掺量时掺入不同长度聚丙烯纤维后对混凝土力学性能的影响，得出抗冲磨性能最佳的聚丙烯纤维长度。主要研究步骤有：

ⓐ抗冲磨混凝土的抗压强度设计等级为C40，主要材料是在普通混凝土中掺入外加剂、硅粉和纤维等。依据《水工混凝土配合比设计规程》(DLT 5330—2015)，得出试验所需配合比基本参数。

ⓑ经过试配确定最优配合比，分别掺入长度为3mm、6mm、9mm、12mm、18mm的聚丙烯纤维混凝土试件，进行养护。

ⓒ对达到龄期的试件进行力学性能检测，对抗冲磨混凝土试件采用水下钢球法进行混凝土抗冲磨性能试验，对比分析试验数据。

2 试验原材料分析

水工混凝土抗冲磨试验配合比所用材料包括胶凝材料(水泥、粉煤灰、硅粉)、高效减水剂和粗细骨料等，原材料检测均在水工实验室中进行。

2.1 水泥

试验所用水泥为普通硅酸盐水泥P.O 42.5。该水泥物理力学性能检测试验结果见表1，各项检测指标均符合国标要求。

表1 水泥物理力学性能试验结果

2.2 粉煤灰

粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，检测结果详见表2。

表2 粉煤灰物理性能指标 单位：%

2.3 硅粉

硅粉检测结果详见表3。

表3 硅粉的理化性能指标 单位：%

2.4 纤维的检测

聚丙烯纤维结果详见表4，检测合格并附有合格证。

表4 聚丙烯纤维的性能指标

3 试验配合比设计与力学性能分析

3.1 配合比设计

水工抗冲磨混凝土设计等级一般在C40以上，依据《水工混凝土配合比设计规程》(DLT5330-2015)，C40抗冲磨混凝土的配制强度应不小于48.2 MPa(混凝土强度保证率为95%)。

本试验按C40混凝土的配制要求进行抗冲磨混凝土的试配，粉煤灰掺量控制在10%～30%，硅粉掺量4%～8%，聚羧酸减水剂试验掺量为胶料的2%～2.5%；砂率为30%～40%，经过多次试配最终得到能满足试验要求的配合比参数，见表5。

表5 水工混凝土抗冲磨配合比基本参数

在配合比试验中考虑到聚羧酸高效减水剂中水的含量以及细骨料砂的含水量，得到抗冲磨水工混凝土配合比，见表6。

表6 水工混凝土抗冲磨配合比 单位：kg/m3

其中，试验用聚丙烯纤维长度为3mm、6mm、9mm、12mm和18mm五种规格，按以上规格顺序排列试验试件编号为BKM-01、BKM-02、BKM-03、BKM-04、BKM-05。

3.2 力学性能试验及分析

聚丙烯纤维水工混凝土力学性能试验依据《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)的技术要求进行，抗压强度与劈裂抗拉强度试验采用150mm×150mm×150mm立方体试件，抗冲磨性能试验试件尺寸为300mm×100mm。试件的成型适宜采用振动台振实，振动至混凝土表面出浆(振动时间控制在30s左右)后抹刀将模具抹平，养护过程按照试验规程要求进行，抗冲磨试件在达到龄期做试验前将试件放入水中浸泡至少48h使其吸水饱和。

抗冲磨试验依据采用水下钢球法进行试验。试验所用主要设备为型号为HKCM-2的混凝土抗冲磨试验仪。试验中成型多组抗冲磨混凝土试件，试件为三个一组，试件规格为直径300mm,高100mm的圆柱体。混凝土试件成型后放入标准养护室养护28d，并在水中浸泡3d后开始抗冲磨试验。抗冲磨试验仪的转轴转速1200r/min，累计冲磨72h后，取出试件擦去表面水后，取出试件擦去表面水分后称量试件重量，计算抗冲磨强度。

试验中掺不同尺寸聚丙烯纤维水工混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度数据见表7；掺不同尺寸聚丙烯纤维水工混凝土的抗冲磨性能情况见表8；掺不同尺寸聚丙烯纤维水工混凝土抗冲磨性能对比图见下页图。

表7 不同尺寸聚丙烯纤维水工混凝土抗压、劈裂抗拉性能情况

表8 不同尺寸聚丙烯纤维水工混凝土抗冲磨性能情况

不同尺寸聚丙烯纤维水工混凝土试件抗冲磨性能对比图

试验中同时对不掺聚丙烯纤维的水工混凝土进行对比试验，经测试对比组不掺聚丙烯纤维的水工混凝土的28d抗压强度为48.9MPa，劈裂抗拉强度为3.75MPa，抗冲磨强度为6.43 h/(kg/m2)；而掺加聚丙烯纤维可以使水工混凝土抗压强度提高15%以上，劈裂抗拉强度提高3%以上，抗冲磨强度提高14%以上。

聚丙烯纤维质量轻，纤维直径小，掺加聚丙烯纤维的水工混凝土经搅拌后，每立方米水工混凝凝土中的聚丙烯纤维的数量可达到数千万根，聚丙烯纤维在混凝土中呈均匀乱向分布相互交叉搭接；由于聚丙烯纤维本身具有良好的抗拉强度，同时其与混凝土又有良好的黏结力，所以有效束缚了混凝土的微裂缝的产生和发展，使混凝土整体强度得到提高。少量聚丙烯纤维的掺入可提高水工混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度以及抗冲磨强度。

3.3 数据分析

从上述的实验数据可知：ⓐ水工混凝土抗压强度强度受聚丙烯纤维的长度影响不明显；ⓑ在水工混凝土中掺入聚丙烯纤维后，水工混凝土劈裂抗拉强度随聚丙烯纤维长度改变有明显变化，在聚丙烯纤维长度从3mm到18mm时，混凝土劈裂抗拉强度逐渐增大而后再减小；ⓒ随着聚丙烯纤维长度从3mm到12mm逐渐变大，水工混凝土失重率逐渐变小，而抗冲磨强度逐渐变大，然后由12mm到18mm时，失重率变大抗冲磨强度变小。

4 结 语

聚丙烯纤维能很好地改善混凝土的和易性，数以千万计的纤维均匀分布在混凝土中，能保持混凝土结构的整体性，提高混凝土的抗冲击能力，延长混凝土的使用寿命，降低维护成本。本文在按照设计要求的前提下，研究水工混凝土中掺入不同长度聚丙烯纤维后抗冲磨性能变化情况，试验可知：聚丙烯纤维的尺寸对水工混凝土抗压强度的影响不明显；在水工混凝土中分别掺入3mm、6mm、9mm、12mm、18mm五种聚丙烯纤维，掺入12mm的聚丙烯纤维混凝土抗冲磨强度和劈裂抗拉强度最高。

本次研究还有一些不足，如掺入纤维后混凝土的抗裂性、抗冻性变化情况等都有待进行下一步的试验探讨。