东北地区水利工程中聚丙烯腈纤维混凝土的应用分析

李春侬

(大洼区水利服务中心，辽宁 盘锦 124200)

我国东北地区气候条件寒冷，水利工程建成后大都处于温度日变幅大、低温严寒的运行环境，水工建筑物或混凝土构件因较大的昼夜温差而长期受到冻融循环作用，加之各种荷载作用极易出现冻融破坏甚至危及工程稳定运行[1-2]。针对东北地区水利工程冻融破坏缺乏防护措施，水利工程所处的特殊气候环境以及冻融破坏防护相关技术标准、规范规程研究等，可供参考的文献资料还较少[3-6]。

在混凝土中掺入亲和性良好的聚丙烯腈纤维能够有效提高其抗压、抗拉强度，通过试验分析系统研究变温条件下聚丙烯腈纤维混凝土的力学特性、质量损失率和抗裂性能等，对于促进聚丙烯腈纤维的推广使用具有积极作用[7-10]。通过现场实际调查，文章全面分析了东北地区水工混凝土冻融破坏的特征及其原因，通过试验分析聚丙烯腈纤维混凝土在不同掺量、不同温度条件下的力学性能、变形特性、抗裂性及耐久性等，进一步提出聚丙烯腈纤维的最优掺量及其东北地区水利工程中的适用性。

1 聚丙烯腈纤维混凝土性能试验方法

1.1 抗裂性能试验

我国东北特别是辽宁地区的气候环境，相比于其他地区具有日温差大、严寒干燥等特点。结合现场调查结果，混凝土冻融破坏是东北地区水利工程最常见的破坏形式，普遍存在表面剥落和裂缝的现象，结构表面剥蚀脱落将大大缩短混凝土的使用寿命，对工程的安全运行也造成潜在威胁。

混凝土中掺入聚丙烯腈纤维可以有效提升凝固过程中的韧性，对于混凝土微裂缝的形成与发展起到较好的控制作用。即使开裂时，跨接在裂缝两侧的聚丙烯腈纤维也可以有效减小混凝土的开裂程度[11]。因此，有必要通过试验研究不同掺量下的聚丙烯腈纤维混凝土抗裂性，揭示混凝土中聚丙烯腈纤维的抗裂机理和相关规律，试验过程如下：

步骤1：按0.5∶1∶1.5的配比称取水、水泥、砂的用量，先干拌30s再加入湿拌1min。

步骤2：称取质量0%、0.4%、0.8%、1.2%的聚丙烯腈纤维掺入砂浆中，搅拌机搅拌3min后注入带金属网的木模，木模填充流满后用刮刀将试件表面刮平。

步骤3：最后利用碘钨灯和电吹风加热烘干，并测量试件表面的裂缝长度与宽度。

文章采用开裂指数反映混凝土或砂浆的开裂程度，即各等级所有裂缝的宽度与对应权值乘积的总和，不同裂缝等级的划分标准与权值如表1所示。

表1 裂缝的等级与权值

1.2 质量损失率试验

依据相关资料合理确定试验配合比，如表2所示。称取0%、0.4%、0.8%、1.2%的聚丙烯腈纤维掺入按试验配合比拌制的混凝土中，成型脱模后标准养护至28d，为了保证计算精度每3个试样为一组。以0℃为基准，在-20℃、-15℃、-10℃、-5℃、0℃、20℃变温条件下测定聚丙烯腈纤维混凝土的质量损失率，即每组试件在变温循环前、后的饱和质量变化率，设定变温循环次数50次。

表2 试验配合比 kg/m3

1.3 力学性能试验

混凝土力学性能试验配合比同表1，称取0.4%、0.8%、1.2%聚丙烯腈纤维掺入按试验配合比拌制的混凝土中，成型脱模后标准养护至28d，成型试件共24组(每组3个)用于测试三轴压缩强度。设定变温循环次数50次，以0℃为基准，在-20℃、-15℃、-10℃、-5℃、20℃的变温条件下，采用RMT-401试验系统测试不同低围压作用下各组试件的全过程压缩曲线[12]。根据不同围压作用、不同温度循环条件且不同聚丙烯腈纤维掺量下的三轴强度值，回归分析围压——轴向应力及强度参数之间的关系，试验步骤主要包括制样→变温循环→围压设定→控制加载方式→三轴加载，采用轴向位移的加载方式，设定速率为0.002mm/s。

2 结果与分析

2.1 常温下的抗裂特性

常温下，不同掺量的聚丙烯腈纤维砂浆开裂指数如图1所示。试验表明，较基准砂浆的开裂指数，掺0.4%、0.8%、1.2%聚丙烯腈纤维的砂浆开裂指数依次减小了61.2%、66.1%、70.1%。可见，聚丙烯腈纤维能够明显改善砂浆的抗裂性能，并且纤维掺量越高则抗裂效果越好。

图1 不同聚丙烯腈纤维掺量的砂浆开裂指数

2.2 变温下的质量损失率

结合试验结果，在0～20℃变温循环条件下聚丙烯腈纤维混凝土的质量损失率只有0.006%～0.151%，整体处于较低水平，其中以掺量0.8%的聚丙烯腈纤维混凝土质量损失率最小，较基准对照组减小了94.6%；在-20～20℃变温循环条件下聚丙烯腈纤维混凝土的质量损失率处于0.207%～0.302%范围，其中以掺量0.4%的聚丙烯腈纤维混凝土质量损失率最小，较基准对照组减小了15%。另外，在-20～20℃变温循环条件下，混凝土质量损失率并非随聚丙烯腈纤维掺量的增加而增大，如掺量达到1.2%的聚丙烯腈纤维混凝土质量损失率反而>基准对照组。

2.3 变温下的抗剪参数值

统计不同围压作用、不同温度循环条件且不同聚丙烯腈纤维掺量下的三轴压缩试验抗剪参数值，如图2所示。

(a)摩擦系数f (b)黏聚力C

从图2可以看出，不同温度循环条件下，常温环境下随聚丙烯腈纤维掺量的增加混凝土黏聚力C略微上升，但摩擦系数f逐渐减小，由此表明聚丙烯腈纤维的掺入在一定程度上弱化了混凝土的抗剪强度；低温环境下，经冻融循环后掺聚丙烯腈纤维混凝土的摩擦系数f和黏聚力C均表现出上升趋势。其中，聚丙烯腈纤维掺量为0.8%时黏聚力C的上升幅度最高接近14%，聚丙烯腈纤维为1.2%时摩擦系数f的上升幅度最高达到18%。由此表明，掺入适量的聚丙烯腈纤维可以有效提高混凝土的低温力学性能和抗冻融性能。

2.4 低温下的抗压强度

在围压2MPa、冻融循环低温-20℃条件下，掺量0.4%的聚丙烯腈纤维混凝土变形模量、弹性模量和抗压强度均高于其它组，相对于基准对照组依次提高了8%、9%、9%。混凝土受冻融循环产生的损伤利用弹性模量来衡量时，则认为掺0.4%聚丙烯腈纤维混凝土经低温-20℃的50次冻融循环的损伤最轻，该变化特征与质量损失率相同。因此，聚丙烯腈纤维混凝土掺量越高其力学特性并非越好[13-15]。

根据以上试验结果，掺0.4%聚丙烯腈纤维时可以有效提高混凝土的抗冻性、抗裂性和低温力学性能，在水工混凝土中可以掺入适量聚丙烯腈纤维来改善其性能。

3 结 论

通过现场试验调查，文章深入分析了高寒地区水工混凝土的冻融破坏的特征，试验研究了聚丙烯腈纤维的最优掺量及其在东北地区水利工程中的适用性，主要结论有：

1)聚丙烯腈纤维能够明显改善砂浆的抗裂性能，并且纤维掺量越高则抗裂效果越好；不同温度下的变温循环作用所引起的质量损失率不同，混凝土质量损失率并非随聚丙烯腈纤维掺量的增加而增大。在0～20℃变温循环条件下掺0.8%的聚丙烯腈纤维混凝土质量损失率最小，在-20～20℃变温循环条件下掺0.4%的聚丙烯腈纤维混凝土质量损失率最小。

2)常温条件下，聚丙烯腈纤维的掺入在一定程度上弱化了混凝土的抗剪强度；而低温条件下，混凝土中掺入聚丙烯腈纤维可以有效提高其抗冻融性。总体而言，掺入适量的聚丙烯腈纤维可以有效改善混凝土的低温力学性能和抗冻融性能。

3)在围压2MPa、冻融循环低温-20℃条件下，掺量0.4%的聚丙烯腈纤维混凝土变形模量、弹性模量和抗压强度较高。因此，对于寒冷地区掺0.4%聚丙烯腈纤维时可以有效提高混凝土的抗冻性、抗裂性和低温力学性能，在水工混凝土中掺入适量聚丙烯腈纤维改善其性能。