不同纤维改良水下抗分散混凝土性能试验研究

何乔意

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 材料与方法

1.1 原材料

水泥：P·O 42.5普通硅酸盐水泥，细度5%(80 μm筛余)，平均比表面积325.3 m2/kg，平均密度3200 kg/m3，氯离子含量0.04%，初凝和终凝时间分别为3 h 57 min和5 h 31 min，28 d抗折和抗压强度分别为8.7 MPa和44.2 MPa。

骨料：粗骨料粒径大小为5～20 mm，玄武岩材质，平均表观密度2700 kg/m3，堆积密度1570 kg/m3，含泥量0.32%，空隙率45%，压碎值3.73；细骨料为天然河砂，细度模数2.5，空隙率39%，堆积密度1560 kg/m3，表观密度2600 kg/m3，含泥量1.2%。

添加剂：聚羧酸减水剂，固含量为10%，平均减水率为25%；抗分散剂，UWB-Ⅱ 型，主要成分为丙烯酸丁腈共聚物。

纤维：聚乙烯醇纤维(PVA纤维)，直径37 μm，长度11 mm，抗拉强度1096 MPa，平均伸长率6%，平均密度1.28 g/cm3，模量为29.4GPa；钢纤维，剪切波浪形，直径为290 μm，长度32 mm，抗拉强度1270 MPa，平均伸长率3.8%，平均密度7.8 g/cm3，模量为210 GPa。

1.2 试验方案

探讨PVA纤维和钢纤维对水下抗分散混凝土流动性、抗分散性和强度等指标的影响。混凝土的水胶比分为0.35和0.50两种，在每种水胶比下，钢纤维掺量分别为0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%，PVA纤维掺量分别为0%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%；水胶比为0.35时，抗分散剂掺量为2.0%，水胶比为0.5时，抗分散剂掺量为3.5%，减水剂掺量均为1.0%。具体试验方案如表1所示。

表1 试验方案单方配合比情况 kg

1.3 试件制备

本文相关试验均按照《水下不分散混凝土试验规程》(DL/T 5117—2021)中的相关规定进行。首先将胶凝材料、细骨料、粗骨料、纤维和抗分散剂等进行干拌，搅拌时间为3 min，然后向干拌料中掺入1/2(减水剂+水)，继续搅拌1.5 min，接着再向干拌料中掺入剩余1/2(减水剂+水)，再继续搅拌1.5 min，制得不分散混凝土拌合物。将拌合物进行水下浇筑成型，浇筑完2 d后拆模，然后将试件放入水槽中(水温20℃)养护至对应龄期进行试验[1-3]。

1.4 试验内容

主要进行不同纤维掺量下混凝土的流动性、抗分散性和强度试验[4]。流动性试验主要包括新拌混凝土的坍落度和坍扩度，抗分散性试验主要包括悬浊物含量测试和浊度测量，强度试验主要包括28 d养护龄期下的抗压强度和抗折强度。

2 钢纤维对性能的影响

2.1 钢纤维对流动性影响

不同钢纤维掺量下水下抗分散混凝土的坍落度和坍扩度对比见图1。从图1中可知：在相同水胶比下，随着钢纤维掺量的增加，混凝土的坍落度和坍扩度均呈逐渐减小的变化特征，且下降幅度会越来越大，这是因为纤维具有更大比表面积，需要更多的砂浆和胶凝材料进行包裹，同时钢纤维增强了与骨料和胶凝材料的咬合力，导致浆液的流动性降低；当水胶比为0.35和0.50时，将钢纤维掺量由0%增至1.00%后，坍落度分别下降了31%和35%，坍扩度分别下降了39%和38%，水胶比较小的试验组流动性下降幅度更大。

图1 钢纤维对混凝土流动性的影响规律

2.2 钢纤维对抗分散性影响

不同钢纤维掺量下水下抗分散混凝土的悬浊物含量和浊度值对比见图2。从图2中可知：在相同水胶比下，随着钢纤维掺量的增加，悬浊物和浊度值均呈逐渐减小的变化特征，这是因为掺入钢纤维后，可以黏聚更多的砂浆和胶凝材料，因而混凝土的抗分散性得到增强，纤维掺量越大，混凝土抗分散性提升幅度越大；水胶比为0.50时的悬浊物和浊度值的下降幅度明显大于水胶比为0.35的下降幅度，前者悬浊物和浊度值分别降低了30.8%和23.9%，后者悬浊物和浊度值分别降低了12.9%和10.4%，这是因为低水胶比时，混凝土中的胶凝材料含量更多，更有利于与钢纤维材料黏合，故而抗分散性下降幅度较小，当钢纤维掺量超过0.8%后，水胶比为0.50的混凝土抗分散性才会强于水胶比为0.35的试验组。

图2 钢纤维对混凝土抗分散性的影响规律

2.3 钢纤维对强度影响

不同钢纤维掺量下水下抗分散混凝土的抗压和抗折强度对比见图3。从图3中可知：在相同水胶比下，随着钢纤维掺量的增加，混凝土的28 d抗压和抗折强度均近似呈线性增大的变化特征；相较于不掺钢纤维试验组，当掺入1.0%的钢纤维后，水胶比为0.35和0.50的试验组抗压强度分别增加了34%和35%，抗折强度分别增加了40%和42%；相同钢纤维掺量下，水胶比越低，强度越高。

图3 钢纤维对混凝土强度的影响规律

3 PVA纤维对性能的影响

3.1 PVA纤维对流动性影响

不同PVA纤维掺量下水下抗分散混凝土的坍落度和坍扩度对比见图4。从图4中可知：随着PVA纤维增加，混凝土的流动性也是呈逐渐减小的变化特征，当PVA纤维由0%增至0.25%时，水胶比0.35和0.50试验组的坍落度分别降低了45%和41%，坍扩度分别降低了44%和41%，这是因为PVA纤维表面存在大量的亲水基团羟基，因而亲水性很强，可以保证骨料被牢牢吸附住，使得浆液更加黏稠。水胶比对坍落度的影响不大，但对坍扩度有一定影响，水胶比大的试验组坍扩度大。

图4 PVA纤维对混凝土流动性的影响规律

3.2 PVA纤维对抗分散性影响

不同PVA纤维掺量下水下抗分散混凝土的悬浊物和坍浊度值对比见图5。从图5中可知：在相同水胶比下，随着PVA纤维掺量增加，悬浊物和坍浊度值也是呈逐渐减小的变化特征，PVA掺量越大，下降幅度越大，表明混凝土的抗分散性越来越强；与钢纤维表现一致的是，PVA纤维对水胶比大的抗分散性的影响程度要明显大于对水胶比小的影响程度。

图5 PVA纤维对混凝土抗分散性的影响规律

3.3 PVA纤维对强度影响

不同PVA纤维掺量下水下抗分散混凝土的抗压和抗折强度对比见图6。从图6中可知：相同水胶比下，随着PVA纤维掺量的增加，混凝土的抗压强度和抗折强度呈先增大后减小的变化特征，水胶比越大，强度越低，当PVA掺量为0.15%时，抗压强度达到最大值，当PVA掺量为0.10%时，抗折强度达到最大值。

图6 PVA纤维对混凝土强度的影响规律

4 经济性分析

由于水下混凝土一般要求坍落度为210～250 mm，坍扩度为430～470 mm，因此从满足流动性这一条件，再确保其他性能达到最佳的基础上，在每种水胶比下各优选了一组钢纤维和PVA纤维的最佳配合比，见表2。查阅相关资料，对不分散的原材料价格进行了统计，结果为：水泥520元/t，天然河砂360元/t，粗骨料240元/t，抗分散剂价格15 000元/t，聚羧酸减水剂价格为18 000元/t，钢纤维价格为9000元/t，PVA纤维价格为18 000元/t，将表1中的材料用量乘以价格，可以得到优选配合比的材料造价，从经济性来讲：选用PVA纤维进行水下抗分散混凝土改良的经济性要高于钢纤维，且当水胶比为0.35，PVA纤维掺量为0.15时的经济性最佳。

表2 不同优选配合比经济性对比

5 结 论

(1)不管是掺入钢纤维还是掺入PVA纤维，起到提升不分散混凝土抗分散性和强度的效果，但也会降低混凝土的流动性。

(2)随着纤维掺量的增加，混凝土的抗分散性越来越好，强度随着钢纤维掺量增加呈线性增大趋势，随着PVA纤维掺量增加呈先增大后减小变化趋势，并在0.15%和0.10%时，抗压和抗折强度分别达到最大值。

(3)在满足流动性指标前提下，优选了4组水下抗分散混凝土配合比，并对其进行经济性分析，结果表明：当水胶比为0.35，PVA纤维掺量为0.10%时，水下抗分散混凝土造价最低，宜在工程中予以优先选用。