钢纤维掺量对聚合物改性混凝土抗冻融性能的影响研究

张桂金

(建平县白山水库管理处，辽宁 建平 122400)

1 概 述

水泥作为人工建筑材料，自19世纪20年代问世以来，已逐渐成为全球用量最大、使用最为广泛的建筑材料。但是，受到自身材料特性的影响，混凝土的抗拉强度远小于其抗折强度，在结构受弯时，受拉区往往会过早产生裂缝，进而造成结构承载力的显著下降，影响到混凝土抗压性能的正常发挥[1]。钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入一定数量的钢纤维形成的，可以有效提升混凝土的抗拉强度和变形能力，已经得到理论和工程实践层面的广泛验证[2]。但是，相关研究也显示，在受拉破坏过程中，钢纤维往往被整根拔出，而不是被拉断，因此，对控制混凝土初裂的贡献并不大，没有充分发挥钢纤维的积极作用[3]。基于此，易志坚教授提出了使用聚合物乳液与水泥、集料、钢纤维拌和而成的一种新型钢纤维聚合物改性水泥混凝土，利用聚合物材料改善水泥的变形能力，利用钢纤维提升混凝土的刚度强度，进而充分提升混凝土材料的物理力学性质[4]。此外，聚合物乳液可以显著提升混凝土的和易性，完全可以利用普通设备进行施工作业。因此，钢纤维聚合物改性混凝土已经成为新型混凝土材料领域的重要研究方向。显然，将钢纤维聚合物改性混凝土应用于水工建设领域，会受到水、大气、各类侵蚀以及正负温度的反复作用，容易产生各种老化和病害[5]。特别是在北方地区，昼夜温差和冻融循环都会考验其低温性能。本文力求通过室内试验方式，探索钢纤维掺量对聚合物改性混凝土抗冻融性能的影响，为相关工程设计和建设提供必要的支持。

2 材料与方法

2.1 试验材料

试验用水泥为鞍山瑞安水泥有限公司生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥；试验用粗骨料为机制石灰岩碎石，其粒径范围为5～10mm；试验用细集料为普通河砂，为中砂；聚合物乳液为环氧改性高分子聚合物乳液；研究中使用的钢纤维为苏州史尉康弯钩型钢纤维，其长度为30mm、直径为0.5mm、弹性模量为200GPa、抗压强度为1195MPa。

2.2 试验方案设计

为了研究不同钢纤维掺量对钢纤维聚合物改性混凝土抗冻融性能的影响，结合相关研究成果和工程经验，设计1%和2%两种不同的钢纤维掺量，并将没有掺加钢纤维的方案作为对比方案。具体的配合比设计见表1[6]。

表1 试验方案配合比设计

2.3 试件的制作和养护

在试件制作过程中，首先将试模清洗干净；并在内壁上均匀涂抹一层脱模剂；将粗集料、细集料以及水泥加入搅拌机中干拌1min，之后慢慢加入钢纤维并搅拌2min，之后加入乳液和水并搅拌2min；将拌制好的混凝土装入试模，并用钢筋初步插捣，然后放到振动台上进行振动，然后刮去多余的混凝土并抹平试件的上表面[7]。对制作好的混凝土试件在常温环境下盖模养护24h脱模，然后移动到标准养护室内养护至28d龄期。

2.4 试验方法

将达到养护龄期的试件编号并擦拭试件表面的水分称重，然后放入冻融试验机进行冻融循环。在-20℃的环境下冻3h后在常温水中浸泡1h为一次冻融循环。本文试验共进行200次冻融循环，每25次冻融试验擦去表面水分并逐一称重，计算质量损失。为了揭示钢纤维掺量对钢纤维混凝土基本力学性能的影响，在50次、100次、150次和200次冻融次数下进行混凝土的三轴压缩试验。根据纤维混凝土试验方法标准(CECS 13—2009)中的相关要求，采用微机伺服粗粒土动静三轴仪进行试验[8]。在试验过程中，首先将混凝土试件放在试验仪器上，用胶带将接口部位密封，以防密闭不严造成试验失效[9]。将唯一传感器与三轴试验仪连接好，并进行归零调整；手动控制压力缸，使其能够完全罩住试件；设置试验参数，进行试验，并做好试验数据的记录工作。

3 试验结果与分析

3.1 质量损失试验结果与分析

利用上节的试验设计，对不同钢纤维掺量方案下的钢纤维聚合物改性混凝土在不同冻融循环次数下的质量进行测量，并根据测量结果，计算出相应的质量损失率(见图1)。由图可知，随着冻融循环次数的增加，试件的质量损失率呈现出先小幅下降后持续增长的特点，在冻融循环25次时，混凝土的质量损失率为负值。究其原因，主要是在循环试验的初期，外部的水分会进入混凝土的表面裂缝，导致质量有所增大。之后，随着冻融循环的影响，试件表面的砂浆开始脱落，因此质量损失率逐渐增大。从不同的试验方案来看，钢纤维掺量为1%时的质量损失率最小，钢纤维掺量为2%时的质量损失率次之，没有掺加钢纤维的质量损失率最大。由此可见，添加钢纤维有利于减小试件的质量损失率，但是掺量过大反而不利。究其原因，主要是过大的钢纤维掺量会影响混凝土的均匀性，造成内部有害孔隙增多。

图1 不同计算方案质量损失率变化曲线

3.2 相对动弹模量计算结果与分析

利用试验数据，计算获取不同计算方案、不同冻融循环次数下的混凝土试件相对动弹模量(见表2)。由表中结果可知，由于受到冻融循环作用的影响，不同钢纤维掺量的混凝土试件，相对动弹模量均随着冻融循环次数的增加而减小，在达到一定次数之后，其降幅明显增大。从不同计算方案的对比来看，在200次冻融循环试验后没有掺加钢纤维的混凝土试件为79.5%、1%钢纤维掺量混凝土为87.1%、2%钢纤维掺量混凝土为85.5%。由此可见，随着冻融循环次数的增加，混凝土试件的砂浆和骨料产生明显的流失，因此，结构逐渐变得松散，因此相对动弹模量逐渐减小。在掺加钢纤维之后，可以对混凝土基体的破坏起到十分显著的限制作用，因而缓解混凝土试件的相对动弹模量损伤。由于钢纤维不易在混凝土中充分分散，较高的掺量会影响混凝土内部结构的密实性。过高的钢纤维掺量反而不利于试件动弹模量损失率的控制。

表2 相对动弹模量计算结果

3.3 抗压强度计算结果与分析

利用试验数据，计算获取不同计算方案、不同冻融循环次数下的混凝土试件的抗压强度(见表3)。由表中结果可知，随着冻融循环次数的增加，各方案混凝土试件的抗压强度值均呈现出不断减小的变化特征。在相同的冻融循环次数下，掺加钢纤维混凝土试件的抗压强度明显偏大，说明掺加钢纤维可以有效提升混凝土的抗压强度。具体来看，在没有冻融时，方案2和方案3的抗压强度值分别为50.0MPa和47.6MPa，与方案1的45.1MPa相比分别提高约10.86%和5.54%。在200次冻融之后，方案2和方案3的抗压强度值分别为41.2MPa和38.4MPa，与方案1的34.1MPa相比分别提高约20.82%和12.6%。究其原因，在掺加钢纤维之后，混凝土内部的裂纹形成和拓展速度明显减缓，最终表现为抗压强度的提高。但是，随着钢纤维掺量的增加，会出现少量聚集成团现象，导致混凝土浆体的包裹不足，因此，方案3的抗压强度值低于方案2。

表3 抗压强度试验结果

4 实际工程应用效果分析

白山水库位于辽宁省建平县白山乡，在松辽河流域老哈河干流海棠河支流四汉城河中上游，控制流域面积235km2，枢纽主要由均质土坝(最大坝高20.90m，坝顶宽3.50m，坝顶长度1030m)、开敞式溢洪道(溢流堰底宽40m，全长360m，设计泄量608m3/s)、输水涵洞(φ1.20m，长96m，最大设计流量7.70m3/s)组成。总库容3352.10万m3。是一座以灌溉为主，兼有防洪、水产养殖等综合利用的中型水利枢纽。经过多年的运行，存在“防洪能力偏低；水库坝基渗漏严重；溢洪道年久失修，基础渗漏严重；输水洞破损严重，工作闸门严重漏水，输水能力降低；观测设施年久失修，全部报废”等诸多工程隐患，尤其溢洪道损毁现象十分严重，因此，进行了除险加固处理。在溢洪道除险加固施工过程中，根据工程病险程度和北方气候特点，使用了钢纤维聚合物改性混凝土。溢洪道加固施工完成后，经过多年运行，经历了十几个冬季低温冻融环境的影响与考验，混凝土结构部分性状良好，没有出现明显的冻融破坏和碳化现象，显示出钢纤维聚合物改性混凝土在北方高寒地区水利工程领域的良好应用效果及价值。

5 结 论

本文通过室内试验及实际工程应用效果分析，探讨了钢纤维掺量对钢纤维聚合物改性混凝土抗冻融性能的影响，获得的主要结论如下：随着冻融循环次数的增加，试件的质量损失率呈现出先小幅下降后持续增长，从不同钢纤维掺量的试验结果来看，1%钢纤维掺量的质量损失率最小，2%钢纤维掺量的质量损失率次之，没有掺加钢纤维的质量损失率最大；不同钢纤维掺量的混凝土试件，相对动弹模量均随着冻融循环次数的增加而减小，在达到一定次数之后，其降幅明显增大，从最终试验结果来看，1%钢纤维掺量的相对动弹模量最大，2%钢纤维掺量的相对动弹模量次之，没有掺加钢纤维的相对动弹模量最小；随着冻融循环次数的增加，各方案混凝土试件的抗压强度值均呈现出不断减小的变化特征。从最终试验结果来看，1%钢纤维掺量的抗压强度值最大，2%钢纤维掺量的抗压强度值次之，没有掺加钢纤维的抗压强度值最小。

综合实验数据，建议在工程设计和应用中选择1%的钢纤维掺量，不仅可以获得较好的抗冻融性能，还可以有效控制施工成本。