水下自密实混凝土纤维掺量试验研究

郭春红

(河北省子牙河河务中心，河北 衡水 053000)

我国的水资源总量较为丰富，但是人均水资源量仅为全球均值的六分之一，水资源不足已经成为制约我国社会经济发展的重要因素。此外，时空分布不均是我国水资源的另一个重要特点，进一步影响水资源的优化配置。面对这一问题，长距离、跨流域调水就成为重要的工程技术手段[1]。一般来说，长距离调水工程需要面临复杂的地质环境条件，供水保障要求较高，一旦在运行期间发生工程事故或险情，必然会造成比较大的经济损失和严重的社会影响[2]。因此，必须建立针对长距离输水工程的应急抢险以及快速修复技术。在长距离输水工程中，输水明渠是最常见的工程形式之一，具有投资水平低，建设周期短的优势，但是衬砌板在施工和运行期间可能出现破损、裂缝等各种工程问题，而这些问题往往又出现在水位线以下部位，处理起来具有较大难度[3]。基于此研发高性能的水下自密实混凝土显得尤为重要，可以在不影响渠道供水功能的情况下进行水下衬砌混凝土的大面积修复，将修复工程的影响降到最低限度。

在水下自密实混凝土的制备方面，需要其兼有高流动性和强度，而混凝土材料本身的抗拉强度低、韧性差，高强度自密实混凝土的水胶比本身就偏低，胶凝材料用量较大，相对于普通混凝土，更容易发生塑性开裂[4]。相关研究显示，在混凝土材料中加入一定量的纤维，可以有效改善其抗裂性能[5]。但是，单一纤维掺入始终存在一些难以克服的缺陷和不足，而将高弹模和低弹模纤维进行混掺，相互取长补短，从而增强混凝土性能成为水工领域的重要研究课题。基于此，此次研究通过室内试验的方式，选择钢纤维和聚丙烯纤维作为混掺纤维材料，展开水下自密实混凝土纤维掺量优化试验研究，力求为相关工程设计和建设提供必要的支持和借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验材料

水泥是水下自密实混凝土制备中使用的主要胶结材料，试验中选用的是大连市小野水泥制品有限公司生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥。经试验室测定，其初凝和终凝时间分别为145 和194min，28 d抗压和抗折强度分别为9.5 和52.9MPa，材料的各种性能指标均满足试验要求。

由于水下自密实混凝土具有较大的浆体总量，仅适用水泥一种胶凝材料会大幅增加其硬化收缩，因此选择粉煤灰作为矿物掺合料。此次试验选择的是大连华能电厂生产的I级粉煤灰，从试验样品来看，具有细度小、需水量少，完全满足水下自密实混凝土的制备要求。

试验中的细骨料选用的是细度模数为2.73的河沙，其表观密度大约为2630kg/m3；试验用粗骨料为人工石灰岩碎石，其颗粒级配为5～20mm，表观密度约为2700kg/m3；试验用减水剂为北京巴斯夫化学建材有限公司生产的聚羟酸减水剂，试验用水为普通自来水。

试验纤维有2种，分别为钢纤维和聚丙烯纤维。其中，钢纤维的弹性模量高，具有优良的物理性能。试验用钢纤维由唐山宏达建材有限公司出品；试验用聚丙烯纤维为一种低弹性模量纤维，具有强度高、成本低、比重小、不易吸水的优势。此次研究中的聚丙烯纤维由山东济南爱信工程材料有限公司出品。

1.2 试验设计

研究根据水下自密实混凝土的相关研究成果以及理论计算，确定自密实混凝土的质量配合比[6]。其中，水胶比为0.3，砂率为0.492、减水剂的用量为胶凝材料的1.57%。每立方米自密实混凝土水泥、粗骨料、细骨料、粉煤灰、水的用量分别为425 、830、822 、106以及158 kg。

在混凝土的制备过程中，必须要保证纤维搅拌均匀，因此应适当延长搅拌时间[7]。在制备环节，首先根据配合比设计称量材料用量，然后先将骨料和胶凝材料放入搅拌机搅拌30 s，再均匀放入纤维搅拌60 s，最后加入水和减水剂搅拌90 s。

在水下自密实混凝土制作完毕之后，根据DL/T 5720—2015《水工自密实混凝土技术规程》的要求和试验方法，测试塌落度，评价以流动性为主的混凝土工作性能。将制备的混凝土进行水下成型和养护，在达到28d龄期之后，按照SL 352—2006《水工混凝土试验规程》的相关要求进行水下抗压强度测试，以评价混凝土的力学性能。

2 试验方案与结果分析

2.1 单掺钢纤维

根据相关研究和工程经验，钢纤维掺量一般不超过3%[8]。因此，研究设计了0%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%等7种不同的钢纤维掺量进行试验。根据试验结果，绘制水下自密实混凝土塌落度和抗压强度随钢纤维含量的变化曲线，如图1—2所示。

图1 塌落度随钢纤维含量变化曲线

图2 抗压强度随钢纤维掺量的变化曲线

由试验结果可以看出，水下自密实混凝土的塌落度会随着钢纤维掺量的增加而减小，原因可能是纤维的表面会吸附部分水分和减水剂，造成塌落度有所降低。从具体的变化趋势来看，随着钢纤维掺量的增加，塌落度呈先小幅下降后迅速降低的变化特点，当钢纤维掺量大于2%时的降幅明显扩大。另一方面，混凝土的抗压强度会随着纤维含量的增加而增加，原因是钢纤维在混凝土中的均匀分布可以形成一种网状结构，与混凝土中的骨料共同作用，形成受力框架，显著提高混凝土的抗压强度。从具体的变化特点来看，随着钢纤维掺量的增加，混凝土的抗压强度迅速增加并逐渐趋于平稳，且掺量大于2%时抗压强度的增加量极为有限。综合塌落度和抗压强度的试验结果，钢纤维的掺量应该在1%～2%为宜。

2.2 单掺聚丙烯纤维

结合相关研究和工程经验，研究设计了0%、0.5%、1%、1.5%、2%5种不同的聚丙烯纤维掺量进行试验。根据试验结果，绘制水下自密实混凝土塌落度和抗压强度随聚丙烯纤维含量的变化曲线，如图3—4所示。

图3 塌落度随聚丙烯纤维掺量变化曲线

图4 抗压强度随聚丙烯纤维变化曲线

由试验结果可以看出，随着聚丙烯纤维掺量的增加，水下自密实混凝土的塌落度呈不断减小的变化特点，其原因和钢纤维混凝土相似，这里不再赘述。从具体的变化规律看，当聚丙烯纤维掺量大于1%时，混凝土的塌落度的降幅明显扩大。从抗压强度来看，随着聚丙烯纤维含量的增加，水下自密实混凝土的抗压强度呈先迅速增加后趋于平稳之后小幅下降的变化特点。究其原因，可能是较大的聚丙烯纤维给混凝土的拌合造成一定困难，在混凝土中容易出现成团现象，造成混凝土内部的密实性下降，因此不利于抗压强度的提升。综合试验结果，在水下自密实混凝土的制备过程中，聚丙烯纤维的掺量应在0.5%～1%左右。

2.3 钢纤维与聚丙烯纤维混掺

结合上文试验结果，将钢纤维的含量控制在1%～2%，将聚丙烯纤维的含量控制在0.5%～1%，设计6种不同的混掺纤维方案进行试验，方案设计与试验结果见表1。

表1 纤维混掺方案试验结果

由表1中的试验结果可以看出，在纤维混掺的情况下，塌落度和抗压强度的变化幅度明显变小，这说明混掺纤维可以在塌落度和抗压强度2个指标之间起到一定的均衡作用。基于试验结果和工程的经济性，认为钢纤维掺量1.5%、聚丙烯纤维掺量0.5%的方案不仅可以保持较好的塌落度，且抗压强度相对较高，为最佳混掺方案，建议在工程条件允许的情况下选用。

3 结论

此次研究通过室内试验的方法，探讨了纤维掺量对水下自密实混凝土工作和力学性能的影响，获得的主要结论如下。

(1)水下自密实混凝土的塌落度会随着钢纤维掺量的增加而减小，抗压强度会随着钢纤维掺量的增加而增加；综合考虑塌落度和抗压强度，钢纤维的掺量应该在1%～2%为宜。

(2)随着聚丙烯纤维掺量的增加，水下自密实混凝土的塌落度呈不断减小的变化特点，抗压强度呈先迅速增加后趋于平稳之后小幅下降的变化特点。综合试验结果，聚丙烯纤维的掺量应在0.5%～1%左右。

(3)基于混掺试验结果和工程的经济性，认为钢纤维掺量1.5%、聚丙烯纤维掺量0.5%的方案不仅可以保持较好的塌落度，且抗压强度相对较高，为最佳方案。