聚丙烯短纤维水工混凝土力学性能试验研究

宋文浚

（山西省水利水电科学研究院 山西太原 030002）

0 引言

大水网工程是“十二五”山西省委、省政府决策的重大基础设施建设项目，也是水利部确定的河湖水系连通试点工程。在大水网工程中有许多导流隧洞、溢洪道等受高速水流冲刷的水工建筑物都需要抗冲磨、抗裂性能强的混凝土。掺入有机合成纤维对混凝土进行改性称作纤维混凝土，与普通混凝土相比纤维混凝土具有较高的抗冲磨、抗裂等性能。

在前期进行过的试验中可以看出：水工混凝土中掺入常用纤维（钢纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维等）后，从价格和掺量比较，聚丙烯短纤维性价比优良。为此，本课题利用大水网建设中的原材料进行试验，对聚丙烯短纤维水工混凝土的主要力学性能进行细致分析，为大水网工程建设中需要抗冲磨、抗裂性能强的混凝土提供可靠的试验数据。

1 试验方案

课题试验研究的是聚丙烯短纤维水工混凝土。研究水工混凝土在掺入聚丙烯短纤维后对混凝土抗压、劈裂抗拉和抗冲磨等性能的影响程度，对聚丙烯短纤维混凝土性能进行分析。本课题试验研究步骤：

1）在水利工程应用中特殊用途的纤维混凝土的设计等级一般在C30以上，本试验中混凝土的抗压强度设计等级为C40，主要原材料包括聚丙烯短纤维、高效减水剂、胶凝材料（水泥、粉煤灰等）、细骨料（天然砂）和二级配的粗骨料等。依据《水工混凝土配合比设计规程》（DLT5330-2015），得出试验所需混凝土配合比基本参数范围。

2）经过试配确定本次试验混凝土最优配合比参数以及计算出每立方米水工混凝土配合比，成型基础混凝土与聚丙烯短纤维混凝土多组试件，进行力学性能试验，对数据分析。

2 试验原材料

试验将所用原材料包括：聚丙烯短纤维、胶凝材料、粗细骨料、外加剂等在实验室进行了检测。

聚丙烯短纤维（廊坊永旺建材化工厂）、水泥为普通硅酸盐水泥P.O 42.5（中阳县桃园水泥有限公司）、外加剂为高效减水剂（万荣太兴新型建材厂）、粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰（山西省柳林电厂）、硅粉（四川朗天资源综合有限公司）、细骨料为天然砂、粗骨料采用二级配5～20 mm、20～40 mm石子（粗细骨料均为石楼县介板沟石料厂），经检测均满足相关检验依据要求。

3 试验设计与数据分析

3.1 水工混凝土配合比参数范围确定

依据《水工混凝土配合比设计规程》（DLT5330-2015），水工混凝土配制强度按下式确定：

式中：σ——混凝土抗压强度标准差，MPa；

fcu，0——混凝土的配制强度，MPa；

fcu，k——混凝土设计龄期立方体抗压强度标准值，MPa；

本试验在配制C40水工混凝土时，σ的取值为5 MPa，即C40水工混凝土的配制强度应不小于48.2 MPa（混凝土强度保证率95%）。

依据设计规程DLT5330-2015，对掺有掺合料的水工混凝土的水胶比先进行初选，然后根据各掺合料的品质试验确定。砂率也先初选，然后应根据骨料品种、品质、粒径级配、水胶比和砂的细度模数等在试验试配中确定。

得出C40水工混凝土配合比参数范围见表1。

3.2 水工混凝土配合比试验与力学性能分析

3.2.1 水工混凝土配合比确定

试验按照《水工混凝土试验规程》（SL352-2006）的技术要求并参考相关文献资料进行，在试验过程中，5～20 mm碎石与20～40 mm碎石的比例约为2∶3时，混合石料可以紧密堆积。坍落度在20～40 mm时混凝土和易性、保水性适宜。经过多次试配、调整，最终确定本次试验C40水工混凝土最优配合比参数见表2以及每立方米C40水工混凝土配合比见表3。

表1 C40水工混凝土配合比基本参数范围

表2 C40水工混凝土最优配合比参数

表3 C40水工混凝土配合比/（每立方米混凝土）单位：kg

3.2.2 试验试件成型

在聚丙烯短纤维水工混凝土配合比试验中，没有掺短纤维的水工混凝土称基础水工混凝土，试验编号JP、掺聚丙烯短纤维的水工混凝土，试验编号JK。水工混凝土抗压强度与劈裂抗拉强度试验试件成型尺寸为150 mm×150 mm×150 mm立方体，抗冲磨性能试验试件成型尺寸为Φ300 mm×100 mm圆柱体。本次试验试件成型每组三块，JP与JK两种水工混凝土的力学性能试验试件各成型三组进行平行对照试验。

试验将各种原材料分别称取后，先将胶凝材料、纤维、粗细骨料等装入小型搅拌机干拌使其均匀分散，再将聚羧酸高效减水剂溶入水后缓缓倒入小型搅拌机湿拌（搅拌时间控制在120～180 s）；试件适宜采用振动台振实成型（振动时间控制在30 s左右），当振动至混凝土表面出浆时用抹刀抹平试件表面，按照试验规程试件脱模后在养护室进行恒温养护。对于抗冲磨混凝土试件，当其达到龄期做试验前，应浸泡水中至少48 h使其吸水充分饱和。

3.2.3 水工混凝土力学性能分析

试验将成型三组基础水工混凝土试件编为JP01、JP02、JP03，掺聚丙烯纤维的水工混凝土试件编为JK01、JK02、JK03。本试验主要研究水工混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗冲磨强度三种力学性能。

水工混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度试验设备为混凝土液压式YE-2000型压力试验机，水工混凝土抗冲磨试验设备为HKCM-2水下钢球法混凝土抗冲磨试验机。试验照片见图1、图2，C40水工混凝土抗压与劈裂抗拉性能情况见表4，C40水工混凝土抗冲磨性能情况见表5。

表4 C40水工混凝土抗压、劈裂抗拉性能情况

表5 C40水工混凝土抗冲磨性能情况

3.3 结论

从试验数据看出：1）每组数据单测值与平均值容许差值都在±%15以内，没有出现偏离值较大的数据，再对比三组平行试验数据，也没有出现偏离值较大的数据，可以说明数据可信度高；2）掺入聚丙烯短纤维对水工混凝土抗压强度影响不明显；3）水工混凝土劈裂抗拉强度有了显著提高；4）水工混凝土抗冲磨强度也显著提高。

图1 抗压强度试验

图2 抗冲磨试验

在本次试验中聚丙烯短纤维掺入水工混凝土中后，通过充分搅拌会大数量均匀分布在水工混凝土中，聚丙烯短纤维与水工混凝土和易性非常好，提高了水工混凝土劈裂抗拉强度，劈裂抗拉强度对于混凝土的抗开裂性有重要意义，在结构设计中混凝土抗拉强度是确定混凝土抗裂能力的重要指标。因此，掺聚丙烯短纤维后提高了水工混凝土抗裂性能；对于水工混凝土抗冲磨强度，掺聚丙烯短纤维后在水工混凝土中聚丙烯短纤维呈三维乱向分布，纤维与水工混凝土紧密包裹相互牵扯，阻碍了高速水流对混凝土的冲刷，进而提高了水工混凝土的抗冲磨性能。

4 结语

聚丙烯短纤维混凝土可以很好地改善常规混凝土的脆性，使其的韧性增强，劈裂抗拉强度与抗冲磨性能增强。本文对掺聚丙烯短纤维的水工混凝土进行多数据平行对比分析，在满足试验设计要求的情况下，掺聚丙烯短纤维的水工混凝土抗裂性能与抗冲磨性能都有显著提高。另外，聚丙烯短纤维掺入水工混凝土试验时，混凝土拌和工艺、试件的成型过程、养护方法也很关键，只有这样在实际水利工程施工中才能保证质量。本次研究还有一些不足，如掺入纤维后水工混凝土的抗渗性能、抗冻性能变化情况等需后续继续研究。