摻纖維水工混凝土性能影響研究

孟慶宇

（凌海市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 凌海 121200）

由于特殊的外界環(huán)境和使用條件，水工混凝土在有害離子侵蝕、低溫凍融循環(huán)以及干濕交替等作用下極易產(chǎn)生開裂破損，對水工構(gòu)筑物的長效運(yùn)行造成嚴(yán)重影響，為有效控制裂縫的持續(xù)擴(kuò)大必須及時(shí)修補(bǔ)裂縫[1-2]。目前，有機(jī)樹脂類是比較常用的修補(bǔ)材料，這類材料的修補(bǔ)效果較高，但也存在著易老化、價(jià)格高等許多問題，對于大范圍裂縫修補(bǔ)工程的適用性較差。因此，在工程成本控制上選用有機(jī)物質(zhì)和無機(jī)膠凝材料混合配制的裂縫修補(bǔ)材料更加有利，勢必成為材料領(lǐng)域的發(fā)展趨勢[3-5]。

本文將減水劑、憎水劑、消泡劑、纖維、可分散性乳膠粉、石英石粉等外加劑摻入硫鋁酸鹽水泥基材，通過配制新型裂縫修補(bǔ)材料探討了不同纖維摻量、種類，對力學(xué)性能和工作性能的影響，旨在為快速修補(bǔ)水工混凝土裂縫提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料準(zhǔn)備

試驗(yàn)所用原材料主要有緩凝劑、減水劑、憎水劑、消泡劑等外加劑，改性木纖維、玻璃纖維、木纖維和玄武巖纖維，以及可分散性乳膠粉、石英石粉、硫鋁酸鹽水泥等。

1）外加劑：試驗(yàn)選用易溶于水的白色結(jié)晶型檸檬酸緩凝劑；蘇博特PCA?-Ⅰ聚羧酸高效減水劑，固含量28%，平均密度1.16g/mL，減水率30%；GT 液態(tài)硅烷基憎水劑，體積密度600g/L，粒徑不超過500μm；Lencolo2108 型干粉消泡劑，主要成分為丙酸酯共聚物，堆積密度600kg/m3，平均粒徑700μm。

2）纖維：試驗(yàn)選用白色粉末狀改性木纖維，分散性高達(dá)99%，體積密度45g/L，平均長度2.8μm；玻璃纖維彈性模量106GPa，長度3～5m m，密度2560kg/m3，斷裂伸長率2.7%，抗拉強(qiáng)度2800MPa；白色粉末狀B200型木質(zhì)纖維，分散性96%，體積密度48g/L，平均長度2.7μm；玄武巖纖維彈性模量110GPa，長度7～10mm，密度2720kg/m3，斷裂伸長率2.6%，抗拉強(qiáng)度3860MPa。

3）摻合料：可分散性乳膠粉最低成膜溫度0℃，灰分8%～12%，堆積密度500～700kg/m3；石英石粉的莫氏硬度8，SiO2含量95%，密度2660kg/m3，粒徑80～120 目，熔點(diǎn)1770℃；硫鋁酸鹽水泥的28d 抗折、抗壓強(qiáng)度7.5MPa 和73.2MPa，初凝、終凝時(shí)間60min 和180min，標(biāo)稠用水量50%。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)基材以硫鋁酸鹽水泥為主，探討不同纖維摻量和種類對裂縫修補(bǔ)材料的干燥收縮性能、拉伸黏結(jié)強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、流動(dòng)度以及凝結(jié)時(shí)間的影響。設(shè)定試驗(yàn)對照組為不摻任何纖維的A組，摻0.5%、1.0%、1.5%玄武巖纖維組為B、C、D組，摻1.0%木纖維、玻璃纖維、改性木纖維為E、F、G組，摻0.5%改性木纖維和0.5%玄武巖纖維組為H組。各試驗(yàn)組的其它材料摻入情況相同，減水劑、憎水劑、消泡劑摻量為0.5%、1.0%、2.0%，石英石粉摻量10%，具體如表1 所示。

表1 裂縫修補(bǔ)材料配合比設(shè)計(jì) 單位：kg/m3

1.3 試驗(yàn)方法

依據(jù)《水泥膠砂干縮試驗(yàn)方法》、《混凝土界面處理劑》、《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》、《水泥膠砂流動(dòng)度測定方法》和《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》等要求，測定各試驗(yàn)組裂縫修補(bǔ)材料的干燥收縮率、拉伸黏結(jié)強(qiáng)度、抗折與抗壓強(qiáng)度、流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間等。

2 結(jié)果與分析

2.1 各組工作性能

依據(jù)不同配合比配制的裂縫修補(bǔ)材料流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間測試結(jié)果如表2 所示。結(jié)果表明，摻玄武巖纖維(B、C、D組)的裂縫修補(bǔ)材料初凝、終凝時(shí)間較試驗(yàn)對照組(A組)，都有所延長，這是由于玄武巖纖維的水分吸附能力較強(qiáng)，水化時(shí)可以優(yōu)先吸附水分，在一定程度上抑制水泥水化，但隨著水化的持續(xù)進(jìn)行這部分被吸附的水分逐漸釋放，促進(jìn)水泥的持續(xù)水化；摻玄武巖纖維的裂縫修補(bǔ)材料初始流動(dòng)度明顯減小，從最初的240～250mm(A組)大幅減小到150～165mm(B、C、D組)，30min 后從110～120mm(A組)減小到65～100mm(B、C、D組)，表明玄武巖纖維的摻入會(huì)提高材料的稠度[6]。

表2 工作性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

摻木纖維試驗(yàn)組(E組)的終凝時(shí)間較對照組(A組)提高近200%，這是由于木纖維難溶于水，在水中的分散性較差且水分吸附能力較低，所以木纖維的摻入使得終凝時(shí)間延長，極易產(chǎn)生泌水現(xiàn)象，但不會(huì)對流動(dòng)度造成較大影響。摻玻璃纖維試驗(yàn)組(F組)的初凝、終凝時(shí)間較對照組(A組)有所延長，其初始流動(dòng)度、30min 后流動(dòng)度和終凝時(shí)間與摻木纖維組(E組)相差不大，未發(fā)現(xiàn)泌水現(xiàn)象，但玻璃纖維的摻入會(huì)產(chǎn)生許多難以消除的氣泡，對材料的修補(bǔ)性能造成不利影響[7]。摻改性木纖維試驗(yàn)組(G組)的初凝、終凝時(shí)間較摻木纖維組(E組)進(jìn)一步延長，但流動(dòng)度減小，混摻改性木纖維和玄武巖纖維試驗(yàn)組(H組)的流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間較單摻改性木纖維組(G組)有所減小。

2.2 力學(xué)性能分析

試驗(yàn)分析空白對照組和摻1%纖維試驗(yàn)組的修補(bǔ)材料28d 強(qiáng)度，如圖1 所示。

圖1 裂縫修補(bǔ)材料的強(qiáng)度變化

從圖1 可以看出，摻入纖維會(huì)在不同程度上降低裂縫修補(bǔ)材料的抗壓強(qiáng)度，其中摻玻璃纖維試驗(yàn)組(F組)的抗壓強(qiáng)度降幅最高，較空白對照組減小48.2%。究其原因，摻入的纖維具有亂向分布特性，若攪拌不均勻極易產(chǎn)生泌水，并進(jìn)一步使得漿體出現(xiàn)分層；此外，在水化形成的堿性環(huán)境中，摻入的纖維會(huì)形成許多難以消除的氣泡，致使試件內(nèi)部出現(xiàn)空腔或薄弱結(jié)構(gòu)，對修補(bǔ)材料強(qiáng)度造成影響[8]。然而摻入改性木纖維或玄武巖纖維，由于纖維具有較高的彈性模量和抗拉強(qiáng)度，與空白對照組相比其抗折強(qiáng)度有所增加，尤其是摻玄武巖纖維試驗(yàn)組(C組)抗折強(qiáng)度提高50.0%，抗壓強(qiáng)度降幅最小約18.8%。

依據(jù)上述分析結(jié)果，綜合性能表現(xiàn)優(yōu)異的是摻玄武巖纖維組，所以對裂縫修補(bǔ)材料利用玄武巖纖維加以改性，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。結(jié)果表明，摻不同量的玄武巖纖維均會(huì)在一定程度上降低裂縫修補(bǔ)材料強(qiáng)度，抗折強(qiáng)度則表現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢。具體而言，摻1%玄武巖纖維的修補(bǔ)材料抗折強(qiáng)度最高，抗壓強(qiáng)度降幅最小，究其原因是摻入過量纖維會(huì)使得纖維的分布不均，從而產(chǎn)生內(nèi)部缺陷，引起應(yīng)力集中現(xiàn)象，不利于抗折強(qiáng)度的提升。

圖2 不同玄武巖纖維摻量的強(qiáng)度

2.3 拉伸黏結(jié)強(qiáng)度

裂縫修補(bǔ)材料拉伸黏結(jié)強(qiáng)度隨不同玄武巖摻量的變化特征，如圖3 所示。結(jié)果表明，裂縫修補(bǔ)材料拉伸黏結(jié)強(qiáng)度隨玄武巖纖維摻量的增加表現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢，摻1%玄武巖纖維時(shí)拉伸黏結(jié)強(qiáng)度最高。究其原因是玄武巖纖維的抗拉強(qiáng)度明顯高于硫鋁酸鹽水泥，將5～7mm 長的纖維摻入硫鋁酸鹽水泥中會(huì)發(fā)揮較好的“增韌”作用，這在一定程度上提高了拉伸黏結(jié)強(qiáng)度，同樣若摻量過高則會(huì)因攪拌不均而產(chǎn)生原生缺陷，對拉伸黏結(jié)強(qiáng)度的提升造成不利影響[9]。

圖3 不同玄武巖纖維摻量的拉伸黏結(jié)強(qiáng)度變化

2.4 干燥收縮變形

為達(dá)到更好的修復(fù)效果，裂縫修補(bǔ)材料的變形性能必須優(yōu)于被修補(bǔ)的混凝土，單位長度上裂縫修補(bǔ)材料變形率受不同玄武巖摻量的影響見圖4。結(jié)果顯示，0～28d 內(nèi)未摻玄武巖纖維的裂縫修補(bǔ)材料呈收縮狀態(tài)，而摻玄武巖纖維時(shí)則轉(zhuǎn)變成膨脹狀態(tài)，并且單位長度變形率隨著纖維摻量的增加呈減小趨勢。究其原因，將玄武巖纖維摻入裂縫修補(bǔ)材料中會(huì)形成網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)體，在水泥硬化過程中這些網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)體發(fā)揮著保水束水作用，有利于減小早期失水速率，消除或降低收縮變形；持續(xù)增大纖維摻量，則漿體與纖維之間的黏結(jié)拉應(yīng)力不斷增大，變形開始趨于穩(wěn)定，玄武巖纖維的摻入發(fā)揮著持續(xù)提供體積微膨脹的作用[10-12]。

圖4 不同玄武巖纖維摻量的變形率變化

3 結(jié)論

通過試驗(yàn)研究對比分析了不同摻量、種類纖維改性水工混凝土裂縫修補(bǔ)材料的性能，主要結(jié)論如下：

1）在裂縫修補(bǔ)材料中摻入纖維有利于改善其工作性能，延長凝結(jié)時(shí)間，但玻璃纖維或木纖維的摻入會(huì)引起泌水現(xiàn)象，因產(chǎn)生大量氣泡而影響材料的強(qiáng)度，對于改良裂縫修補(bǔ)材料玄武巖纖維的適用性更好。

2）摻1%玄武巖纖維時(shí)裂縫修補(bǔ)材料的黏結(jié)拉伸強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度最高，變形由原來的收縮轉(zhuǎn)變成微微膨脹，具有持續(xù)提供體積微膨脹的良好作用。