耐碱玻璃纤维面板混凝土配合比试验研究

2021-07-22孙乙庭王树武刘建新

东北水利水电 2021年7期

孙乙庭，王树武，刘建新

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130061；2.山东文登抽水蓄能有限公司，山东威海264200）

0 引言

混凝土面板作为堆石坝上游的薄壁混凝土结构，对坝体的防渗起到关键作用，而解决面板裂缝问题一直是国内外研究面板混凝土的主要方向。目前常用的办法是混凝土中掺加聚丙烯合成纤维，虽可减少混凝土塑性收缩，提高混凝土早期抗裂能力，但由于密度小，分散性较差，不易搅拌均匀，影响混凝土和易性，导致混凝土结构质量下降[1]。

本文旨在引用耐碱玻璃纤维，实现纤维在面板混凝土中均匀分散、增韧耐久，提高水工混凝土抗裂能力。耐碱玻璃纤维是一种专门用来增强胶凝材料的加筋材料，其优点在于耐碱、抗腐蚀、高强、抗裂，密度与混凝土相当，拌和时不会发生上浮或下沉，可均匀地分散在混凝土中，在混凝土塑性阶段减少收缩和裂缝生成，在硬化阶段抑制干缩裂缝，达到阻裂效果[2]。而且经过耐碱处理，可以有效抵抗混凝土碱性环境下的化学侵蚀，这是普通玻璃纤维不具备的[3]。耐碱玻璃纤维的应用为今后水工面板混凝土的配合比设计、施工提供技术参考。

1 试验内容与方法

1.1 原材料

水泥采用P·O42.5 普通硅酸盐水泥；掺合料采用F 类I 级粉煤灰；细骨料采用人工砂，细度模数为 2.7；粗骨料采用5～20，20～40 mm 人工碎石；外加剂采用缓凝高效减水剂、引气剂。纤维分别采用聚丙烯纤维、分散型耐碱玻璃纤维以及集束型耐碱玻璃纤维，其技术指标见表1。

表1 耐碱玻璃纤维技术指标

1.2 配合比与试验方案

面板混凝土配合比技术要求为C30W10F200，坍落度为50～70 mm。配合比试验主要依据DL/T 5330-2015《水工混凝土配合比设计规程》[4]，采用“绝对体积法”计算，骨料均为饱和面干状态。抗压强度保证率取95%，t=1.645（标准差为4.5 MPa），C30W10F200 配制强度为 37.4 MPa。

根据前期试验总结，优选出以0.37 水胶比的配合比作为基准配合比，调整纤维掺量，分析其对混凝土力学性能、变形性能、耐久性能的影响，试验配合比方案如表2 所示。

表2 混凝土配合比方案 kg/m3

1.3 混凝土性能试验方法

混凝土抗压强度、劈裂强度、抗折强度、弹性模量等力学性能试验、早期抗裂试验、快速冻融试验、逐级加压渗透试验均依据DL/T 5150-2017《水工混凝土试验规程》[5]进行。其中早期抗裂试验钢制模具尺寸为800 mm×600 mm×100 mm，试件表面中心处风速不小于5 m/s，24 h 后及时观测表面裂缝情况。

2 试验结果与分析

2.1 纤维掺量对混凝土拌和状态的影响

不同纤维掺量对混凝土拌和状态的影响如表3 所示。在坍落度和含气量满足要求的情况下，随着纤维用量逐渐增加，单位用水量明显增加，胶凝材料量也随之增加，这是由于纤维具有一定吸水性，在拌和过程中增加了浆体用量。

表3 纤维用量与混凝土性能

2.2 纤维掺量对混凝土力学性能的影响

混凝土力学性能的测试结果如表3所示。在水胶比不变情况下，随着纤维用量的增加，抗压强度逐渐降低，说明纤维会导致混凝土强度损失。纤维掺量与混凝土性能改善有直接关系，掺量太少，达不到增强增韧效果；掺量太多，纤维之间会相互搭接，增多混凝土孔隙，影响混凝土密实程度，降低纤维与胶凝材料的粘结强度，导致抗压强度降低[6]。

与O1 基准相比，各纤维混凝土的劈裂强度均有效提高，如图1 所示。掺耐碱玻璃纤维的G3～G7 整体表现为3 d 内逐渐增长，7 d 内增长率达到最大，之后稳定增长，28 d 劈裂强度均高于掺聚丙烯纤维的P2。此外，纤维掺量过低或过高均会降低混凝土劈裂强度。

图1 各方案混凝土劈裂强度增长率

与基准混凝土相比，各纤维混凝土的抗折强度均有效提高，如图2 所示。掺耐碱玻璃纤维的G3～G7 的抗折强度均优于掺聚丙烯纤维的P2，主要是由于集束型纤维的掺入，起到了拉结的作用，抗折能力逐渐提升，当达到6.7 kg/m3时，如G6 所示抗折强度增长率为26.7%。但继续增加，如G7所示，强度反而降低。

图2 各方案混凝土抗折强度增长率

2.3 纤维掺量对混凝土变形性能的影响

对满足力学性能要求的配合比继续进行变形性能试验，主要进行早期抗裂试验。混凝土早期裂缝主要是由于混凝土失水收缩并受到约束引起，混凝土早期抗拉强度较低，当收缩应力超过抗拉强度时便产生裂缝。混凝土早期裂缝对结构耐久性不利，早期裂缝加速腐蚀介质侵入、钢筋锈蚀及混凝土碳化，而且当大坝服役后，在外力或大坝沉降作用下，早期裂缝成为面板结构的薄弱点，裂缝会进一步扩展，对耐久性的威胁更大[7]。

早期抗裂测试结果如表4 所示，其中O1 基准混凝土裂缝最多、宽度最大且总开裂面积最大；P2掺加聚丙烯纤维，有效降低了裂缝数量、宽度和总开裂面积；G3～G6 掺加耐碱玻璃纤维，裂缝数量、宽度以及总开裂面积逐渐降低，直至试件表面未出现裂缝。

表4 混凝土早期抗裂测试结果

由P2，G3，G4 可知，过少的分散型耐碱玻璃纤维对裂缝的控制效果不如聚丙烯纤维，但足量的分散型耐碱玻璃纤维抗裂效果明显优于聚丙烯纤维。由G4，G5，G6 可知，随着集束型耐碱玻璃纤维逐渐增加，早期抗裂有所提升，但不如分散型作用显著。双掺纤维在混凝土表面和内部形成有效的抵消拉应力体系，改善了混凝土抗裂能力，可知G6 方案掺量最佳，抗裂效果最好。

为进一步验证G6 方案变形性能，进行抗压弹性模量试验，测试结果见表5。弹性模量表征材料抵抗弹性应变的能力，其值越低越容易发生弹性形变，通过形变做的功将内应力消耗；若弹性模量高，基体无法有足够形变，会在基体内部产生内应力，当应力超过塑性变形范围后即发生断裂，也就是脆断，这也是传统混凝土的特点[8]。通过比对GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》[9]中的混凝土弹性模量，G5，G6 分别达到普通 C20，C15 混凝土等级，实现高强低弹的目的，可见掺加纤维后，混凝土可以获得较低的弹性模量，有利于混凝土抗裂能力的提升。

表5 混凝土抗压弹性模量测试结果

2.4 纤维掺量对混凝土耐久性的影响

对满足力学性能要求的配合比继续进行耐久性试验，抗冻性能、抗渗性能测试结果如表6 所示，不论是否增加纤维，各配合比均能满足F200 和W10 设计要求，而且G5 与G6 混凝土冻融试件可满足F300 要求，说明耐碱玻璃纤维可应用于寒冷地区的高抗冻面板混凝土[10]。通过表6 中渗水平均高度可知，O1 混凝土渗水高度最低，这是由于该配合比未掺加纤维，混凝土更加致密，不易渗水；其他方案掺加纤维，渗水高度有所增加，虽形成个别孔隙，但由于异向排布并未影响混凝土抗渗能力。