纤维混凝土面板开裂条件下的渗透性特征研究

冯磊

（沧州水利勘测设计院，河北沧州061000）

0 引言

混凝土面板堆石坝是应用十分广泛的一种坝型，其混凝土面板的设计和施工是大坝建设的关键内容之一[1]。在当前的混凝土面板设计施工中，强度是最主要的控制指标，很少考虑环境因素造成材料结构变化以及适用性的劣化。为了提高混凝土面板的耐久性和抗渗性能，近年来在混凝土面板堆石坝的设计和施工中开始大量运用纤维混凝土[2]。这种以水泥基料为基础适当添加各种纤维材料形成的新型材料，具有强度大、抗裂性强、耐久性好等诸多优势[3]。在北方寒区，由于气候、水文、地质以及施工等多种因素的影响。混凝土面板在施工运行期间极易产生性能劣化和腐蚀等问题，特别是在正常施工和工作的状态下，纤维混凝土的表面和内部仍旧存在部分微小的裂缝[4]。在诸多水工问题中，混凝土面板是降低其耐久性和安全性的重要因素，会对其渗透性造成显著影响，并且还可能与其他问题耦合作用，从而产生叠加效应，加速混凝土面板的性能劣化。因此，本文通过劈裂试验的方式，获得纤维混凝土面板在开裂条件下的渗透性试验，获得相关的变化规律，力求为混凝土面板的设计施工和后期的维护管理提供必要的支持。

1 试验设计

1.1 材料与试件

此次试验采用的是金禺牌P.O42.5普通硅酸盐水泥；粗骨料为破碎的石灰石，粒径范围为5～20mm；使用的细骨料为天然河沙，其细度模数为2.6，使用的粉煤灰为电厂生产的F类Ⅱ级粉煤灰，拌合用水为普通自来水；试验用纤维为聚丙烯纤维，单丝长度为19mm，直径约30μm。试验中采取的是混凝土面板常用的C30混凝土[5]。按照相关的工程技术规范，确定面板纤维混凝土的配合比；结合纤维混凝土的相关研究成果[6]，设置X40，X55，X70等3种不同的聚丙烯纤维掺量水平。为了对比研究纤维混凝土面板开裂渗透性能，相同配比（水泥，石子，砂，水，减水剂分别为425.0，1195.0，621.0，163.5，34.5kg/m3）的普通混凝土试件进行对比研究。

研究中的试件制作利用鼓式搅拌机干拌法进行[7]。其中，普通混凝土试件制作中将材料和水全部倒入搅拌机，搅拌3min；纤维混凝土制作时，首先将聚丙烯纤维、砂子、石子、水泥和粉煤灰一起搅拌，时间为2min；然后将水分3个时段倒入，并搅拌1min。在装模之前清理干净模具,并在其内壁涂刷1层脱模剂，将搅拌制作完成的混凝土分3层装模，并人工捣固，待初凝之后放入养护箱养护，24h后脱模，之后继续养护至28d龄期。

1.2 试验方法与步骤

为了研究损伤后面板混凝土试件的渗透性特征，研究中利用劈拉试验的方法制备带有裂缝的试件[8]。使用3000kN的试验机对试件进行加载，并利用试验机自带的位移传感器测量裂缝的宽度。

试验中的渗透系数测定采用的是南通市测量仪器仪表厂生产的SL352-01渗透系数测定仪，该仪器主要由试件密封容器和水压稳定平衡两大系统组成，测量误差在5%以内，完全可以满足试验测定要求。根据试验目的和实验设备的使用要求，确定试验步骤

1）实验前将开裂砌纤维混凝土试件放入水中浸泡2d，取出后擦拭掉表面的多余水分、松散物和杂质。

2）将试件放入试验容器，在其下部沥入80℃的沥青并在四周涂抹均匀，高度应为试件高度的2/3，在上部填入AB胶，保证试验中的密封防水作用。

3）在密封材料彻底冷却之后，将容器置于试验仪器的支撑框架内，并在顶面凹槽部位放好密封圈，然后紧固螺栓，使容器具有良好的密闭性。

4）接通水源管线和压力源，对容器注水排出容器内的空气，待空气完全排出后关闭排气阀，将压力调节至恒定值。

5）试验压力从0.2MPa开始，每间隔8h增加0.1MPa的压力，直至试件底部全部渗水[8]。然后保持压力值不变，每隔8h读取一次渗透水量。当单位时间渗透水量不再增加时停止试验。

6）所有试验结束之后，对试验数据进行整理，分析获取研究成果。

2 试验结果与分析

2.1 普通混凝土损伤渗透性试验

研究中按照已设计的试验思路和方法，对普通混凝土试件进行损伤条件下的渗透性试验，根据试验结果绘制出如图1所示的不同有效裂缝宽度下的渗流量随水压变化曲线。由图1可知，在同一水压条件下，试件的渗流量随着有效裂缝宽度的增加而增大，在水压为0.1MPa时，流量的变化范围为3.2×10-6～22.8×10-6m3/s，增加了约7倍；当水压为0.6MPa时，渗流量的变化范围为10.8×10-6～61.5×10-6m3/s，增加了约6倍。对裂缝宽度相同的试件，渗流量随着水压的增大而增大，且随着水压的增大，增加幅度逐渐降低，增加3倍左右。由此可见，试件的渗流量随水压和裂缝宽度的变化具有比较明显的一致性。

图1 普通混凝土试件渗流量变化曲线

2.2 纤维混凝土试验

研究中按照已设计的试验思路和方法，对3种不同聚丙烯纤维掺量的混凝土试件进行损伤条件下的渗透性试验，根据试验结果，绘制出如图2所示的不同有效裂缝宽度下的渗流量随水压变化曲线。由图2可知，在同一水压条件下，试件的渗流量随着有效裂缝宽度的增加而增大；对裂缝宽度相同的试件，渗流量随着水压的增大而增大；试件的渗流量随水压和裂缝宽度的变化具有比较明显的一致性。且渗流量随聚丙烯纤维掺量的增加而减小说明增加纤维含量有助于降低纤维混凝土在损坏条件下的渗流量。整体来看，在其他条件下相同时，纤维混凝土试件的渗流量明显小于普通混凝土试件，说明在混凝土中添加聚丙烯纤维有助于控制损坏条件下的渗流作用。

图2 不同聚丙烯掺量混凝土

3 结语

堆石坝混凝土面板的渗透性也是影响大坝安全稳定的重要因素，需要在工程设计和建设中予以足够的重视。基于此，通过实验室试验的方式，获得面板纤维混凝土在损坏情况下的渗流特征：在同一水压下，混凝土的渗流量随着裂缝宽度的增加而增大；在同一裂缝宽度下，混凝土的渗流量随着水压的增大而增大，但是增加的幅度逐渐降低；整体来看，纤维混凝土试件的渗流量均小于普通混凝土，说明在面板混凝土中添加聚丙烯纤维有助于降低面板损坏条件下的渗流量；随着纤维添加量的增加，纤维混凝土的渗流量总体呈减小态势；建议在条件允许的情况下适当增加纤维掺量，提高混凝土面板的抗渗性能。