混杂纤维混凝土抗渗性能试验研究

黄 杰，刘肖凡，李继祥

(武汉工业学院土木工程与建筑学院，湖北武汉430023)

混凝土作为一种多相非均质的复合材料，从微观结构上来看是多孔结构，在周围存在内外压力差的情况下，必然引起液体或气体从其高压处向低压处迁移、渗透的现象。混凝土的抗渗性与其耐久性有密切的关系，抗渗性好的混凝土，其密实性高，耐久性也较好。通过对混杂纤维混凝土的抗裂性能试验研究，初步证实了合理掺量的混杂纤维可以有效地抑制混凝土早龄期的裂缝开展，而混杂纤维的存在是否会对混凝土抗渗性能产生直接影响，对这一问题的研究，笔者认为水压力法试验比氯离子渗透试验更有说服力。因为纤维的掺加并不能通过使混凝土变的更加密实而增强其抗渗性，而是通过抑制在外力作用下混凝土微裂缝的发展进而增加其抗渗性能。水压力法试验由于对混凝土试件施加了比较大的水压力，就有可能体现出纤维对混凝土裂缝扩展的抑制能力，进而反映出其抗渗性能的提升。本研究决定采用常规抗渗试验，即抗渗标号法来研究纤维对混凝土抗渗性能的影响。

1 试验设计及试件制作

1.1 试验原材料

本试验采用的钢纤维为武汉某公司生产的钢板剪切型纤维;聚丙烯采用聚丙烯单丝纤维;水泥采用湖北华新水泥股份有限公司生产的P.C32.5复合硅酸盐水泥，;砂子为中砂;石子为碎石，最大粒径25 mm;自来水。钢纤维和聚丙烯规格和性能如表1和表2所示。

表1 钢纤维基本材性

表2 聚丙烯纤维基本材性

1.2 试验配合比设计

不同纤维混凝土及素混凝土配合比如表3所示。

表3 纤维混凝土的配合比 /kg·m-3

1.3 试验方案设计

用于浇筑试件的模具如图1所示，其尺寸为：上部直径为18.5 cm，下部直径为17.5 cm，高度为15 cm的圆台模具。将搅拌好的混杂纤维混凝土浇注事先涂好油的模具里，如图2所示。试件浇注后置于振动台上振捣充分，24 h后脱模。脱模后，用钢丝刷刷去试件上下表面的水泥浆膜，放入标准养护室进行养护，养护时间为28 d。

图1 纤维混凝土抗渗试验模具

图2 振捣充分后混凝土试件

2 试验过程以及结果分析

2.1 抗渗试验过程分析

本次抗渗试验的步骤如下。

2.1.1 在开始试验之前从养护室取出混凝土试件将其表面晾干。首先将试件套放入烘箱里加热，然后再将试件侧面用熔化的石蜡密封，接着将密封好的混凝土圆台试件压入预先加热的试件套。最后将试件套连同试件安装在抗渗仪上进行试验，如图3所示。

2.1.2 考虑到本次试验加压耗时比较多，就将初始试验水压加到0.6 MPa，之后每间隔8 h增加0.1 MPa。随时观察试件上端面渗水情况。如果其中6个混凝土试件中有3个试件表面有渗水的情况时，停止加压，记录此时的水压值。

2.1.3 如果发现在混凝土周边有水渗出时，应停止试验，重新将其密封。

混凝土的抗渗等级以6个试件中4个试件未渗水时的最大水压为依据，按下式计算：

式中：S—混凝土的抗渗等级;

P—6个试件中有4个试件未渗水时的最大水压(MPa)。

图3 抗渗试验机

2.2 抗渗试验结果及分析

本文对混杂纤维混凝土进行抗渗试验研究，当一组试件中出现三个试件渗水时停止试验，渗水情况如图4所示。所有试验结果列于表4。

图4 混凝土试件渗水情况

表4 抗渗试验结果 /MPa

由图5可以看出，与基准素混凝土S相比，在混凝土中掺入混杂纤维并没有降低混凝土的抗渗性能。这说明在混凝土中掺加纤维，只要保证混凝土搅拌工艺合理，充分振捣密实，养护条件充分，就可以有效地降低纤维与混凝土胶凝材料界面间可能存在的初始裂缝的数量，从而起到保证纤维混凝土的抗渗性能不低于普通混凝土。

图5 各组试件抗渗等级对比

以G1J1、G1J2、G1J3 三组试件为例(见图6)，在混凝土中加入0.1%—0.3%的聚丙烯纤维与0.5%的钢纤维混杂，纤维混凝土的抗渗等级分别为11，14，22。与 G1JI相比，G1J2，G1J3的抗渗等级分别提高了27.3%和100%。由此可见，在同等钢纤维体积掺量下，随着聚丙烯纤维掺入量的增加，纤维混凝土抗渗性能有明显的提高。说明在钢纤维体积掺量一定的情况下，聚丙烯纤维对混凝土的抗渗性能有着非常显著的影响。以G1J1、G2J1、G3J1三组试件为例(见图7)，在混凝土中掺入0.5%—0.15%的钢纤维与0.1%的聚丙烯纤维混杂，混凝土抗渗等级分别为 11，15，15，与 G1JI相比，G2J1，G3J1 的抗渗等级分别提高了36.4%和36.4%。由此可见在同等聚丙烯纤维体积掺量下，随着钢纤维掺入量的增加，在一定的范围内纤维混凝土抗渗性能有一定程度的提高，但是对于混凝土抗渗等级提高的幅度并不明显。说明钢纤维对混凝土抗渗性能的贡献没有聚丙烯纤维显著。

图6 G1J1、G1J2、G1J3三组试件抗渗等级对比

图7 G1J1、G2J1、G3J1三组试件抗渗等级对比

从表面上来说，钢纤维比聚丙烯纤维对混凝土的粘结效果要好，可以有效避免了混凝土早期裂缝，但是钢纤维与混凝土粘结就更可能会形成较多的初始缺陷，而且随着钢纤维掺量的增多，这种初始缺陷也会变得更加明显，从而在一定的体积掺量的范围内，钢纤维掺入对混凝土抗渗等级的提高远不如聚丙烯。聚丙烯纤维与钢纤维的混合形成网状结构，会对混凝土集料组分起到承托的作用，一定程度上阻止了骨料的下沉，相对均匀的集料组分使得混凝土试件的整体性能表现得更为均匀，减少了薄弱环节的出现。纤维在水泥浆基体中呈三维乱向分布，水泥水化过程中纤维挤压毛细管，甚至将其阻塞，从而减少了水分通过基体的有效通道。这些都可以解释纤维的正混杂效应。

由图5还可以看出，过低的纤维混杂掺量(0.5%钢纤维，0.1%聚丙烯纤维)或者过高的纤维混杂掺量(1.5%钢纤维，0.3%聚丙烯纤维)，对提升混凝土抗渗性能的功效几乎为零。

纤维掺量过高时，纤维间发生重叠干扰的几率增加，纤维相对光滑的表面并不具有粘结能力，相互重叠的界面处不可避免地形成间隙，使得混凝土基体的密实性变差，进而影响其抗渗性能。由此纤维表现出来的是负混杂效应。

综合以上分析，混杂纤维对混凝土基体抗渗性能的影响，即有有利的一面，也有有害的一面。不同体积掺量的纤维混杂对混凝土基体抗渗性能的影响是正混杂效应与负混杂效应博弈的过程，因此要合理控制混杂纤维的体积掺量。推荐体积掺量为0.5%钢纤维与0.3%聚丙烯纤维混杂混凝土抗性性能为佳。

3 结束语

本章主要研究了混杂纤维混凝土的抗渗性能。通过试验发现，聚丙烯纤维的掺量对混凝土抗渗性能影响较为明显，随着聚丙烯纤维掺量的增加，混杂纤维混凝土的抗渗性能逐渐提高。钢纤维对混凝土抗渗性能也有一定影响，表现为随着纲纤维掺量的增加，混杂纤维混凝土的抗渗性能有所提高，但较素混凝土提高等级不显著。混杂纤维对混凝土基体抗渗性能的影响是正混杂效应与负混杂效应博弈的过程，应合理控制混杂纤维的体积掺量。推荐体积掺量为0.5%钢纤维与0.3%聚丙烯纤维混杂混凝土抗性性能为佳。

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