纤维改性面板混凝土盐冻循环试验研究

张 兵，陈 雷，刘家明，孙娟娟

(1.湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北 武汉 430064；2.鄂北地区水资源配置工程建设与管理局(筹)，湖北 武汉 430061)

面板堆石坝具有稳定性好、排水性能优越、施工导流方便等等诸多优点，在水利工程建设领域扮演着越来越重要的角色，是世界范围内水利工程广泛采用的坝型之一。混凝土面板作为堆石坝的重要防渗结构，其耐久性能直接决定了堆石坝的长期安全运营和使用年限[1- 3]。

在某些特殊的地域修建水利工程，不仅受地形地势的影响，而且还受到恶劣环境的影响，如盐侵蚀、冻融循环，在复杂环境下对面板混凝土会造成不可逆转的损伤，导致堆石坝出现渗漏现象，从而影响堆石坝的正常使用[4- 5]。目前，已有一部分关于盐冻融循环下面板混凝土的试验研究，主要集中在纤维掺量的影响，根据相关研究表明，适量掺入纤维对面板混凝土的耐久性具有一定的提升作用[6- 10]，但是不同纤维种类对于面板混凝土耐久性的改良效果是有区别的，开展纤维掺用方式对面板混凝土抗盐冻循环的试验研究具有重要的工程实践意义。

本文进行了聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维以及钢纤维3种纤维改性面板混凝土的盐冻循环试验研究，对比分析了3种纤维对面板混凝土的改良效果，以期能为混凝土面板设计和施工提供指导。

1 试验概况

1.1 试验原材料

水泥为P.O42.5R普通硅酸盐水泥，比表面积343m2/kg，平均密度为3.02g/cm3，28d抗压和抗折强度分别为47.8和7.9MPa。粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，细度(45μm方孔筛筛余)14%，需水量比为98%，烧失量为5%，二氧化硫含量为1.3%。细骨料为连续级配(Ⅱ区)的天然河砂，细度模数为2.5，粗骨料为人工碎石，粒径范围为5～30mm。外加剂包括聚羧酸系高性能减水剂和三萜皂甙高性能引气剂。

根据对多个水电站面板坝混凝土中纤维种类和掺量调查，目前面板堆石坝工程中常用的纤维分别为聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维以及钢纤维，聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维属于合成纤维，而钢纤维则属于无机纤维。本文选用的聚丙烯纤维比重为0.91，抗拉强度492MPa，纤维直径为18～48um，拉伸极限为18%；聚丙烯腈纤维比重1.18魔抗啦强度750MPa，纤维直径10～15um，拉伸极限为19%；钢纤维长度为30mm，直径为0.5mm，弹性模量为230GPa，抗拉强度为1300MPa。

1.2 试验方案

混凝土面板结构是面板堆石坝最重要的防渗结构之一，因此面板混凝土合理的配合比设计具有十分重要的意义。本试验暂不考虑水灰比、粉煤灰以及外加剂的影响，从纤维种类和掺量方面对面板混凝土的抗盐冻侵蚀性能进行分析。本试验中面板混凝土水灰比均为0.38，粉煤灰掺量均为71kg/m3，减水剂和引气剂掺量均为0.9%和0.02%，聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维掺量分别为0.5、1.0、1.5kg/m3，钢纤维掺量分别为30、50、70kg/m3。具体试验配合比方案见表1。

1.3 试验方法

首先，按照表1配合比制作面板混凝土试件，试件标准尺寸分别为100mm×100mm×400mm的棱柱体和100mm×100mm×100mm的立方体，棱柱体主要用于质量损失和相对动弹性模量的测试，立方体主要用于抗压强度测试。然后，将制作好的试件标准养护24d后，将试件放入20±2℃的清水中浸泡4d，然后取出试件清除多余水分，对初始的时间质量、横向振动基频以及抗压强度进行测试。接着，将试件放入3.5%的NaCl溶液中，采用快速冻融法进行盐冻循环试验，试件中心温度设置为-18～5℃，试件表面温度设置为-25～20℃，每一次冻融循环周期为4h，每进行25次冻融循环对试件进行一次质量、相对动弹性模量和抗压强度测试，总共进行200次盐冻循环试验。最后，对试验数据进行整理分析。

2 试验结果分析

2.1 质量损失率

不同纤维掺量下面板混凝土质量损失率随盐冻循环次数变化规律如图1所示。

从图1可知：在0～25次盐冻循环下，面板混凝土的质量损失率呈负增长变话趋势，且不同纤维掺量之间并没有明显差异，这主要是因为混凝土内部存在原生孔隙间隙，在初始盐冻循环下，部分水分进入试件，在试件内部形成结晶，因而导致混凝土质量增大；在25～50次盐冻循环下，面板混凝土的质量损失率呈逐渐增大趋势，且未掺加纤维的面板混凝土质量损失率增长速度明显快于掺入纤维的面板混凝土质量损失率，不同纤维掺量下混凝土质量损失率基本相同；当盐冻次数超过50次以后，不同纤维掺量面板混凝土的质量损失率逐渐出现差异，具体表现为：当掺入聚丙烯纤维或者聚丙烯腈纤维时，纤维掺量为1%时，质量损失率增长速率最慢，即随着纤维掺量增加，质量损失率呈先减小后增大变化特征；当掺入钢纤维时，纤维掺量越高，质量损失率越小。

图1 质量损失率变化特征

表1 纤维改性面板混凝土试验配比方案 单位：kg/m3

聚丙烯纤维与聚丙烯腈纤维对于面板混凝土盐冻循环质量损失率的影响基本相似，当掺入适量纤维后，由于纤维具有很强的拉伸强度和拉伸延展性，可以减缓面板混凝土内部结构裂缝的产生和扩展，同时在混凝土结构表层的纤维对表面砂浆具有一定的黏结作用，可以减少混凝土在盐冻环境下表层的脱落情况，因而质量损失率减小，但是当纤维掺量超过一定量后，会在面板混凝土中形成团聚现象(分布不均匀)，反而在混凝土试件内部形成缺陷，在盐冻环境下更容易被侵蚀，因而质量损失率会增大。但是钢纤维并不会在混凝土中形成明显的团聚现象(或者说团聚现象不占主导地位)，因此同时钢纤维具备更强的抗拉强度和较强的黏结作用，有利于阻止混凝土裂缝的扩展，故而随着掺量增加质量损失率逐渐减小。

2.2 相对动弹性模量

不同纤维掺量下面板混凝土相对动弹性模量随盐冻循环次数变化规律如图2所示。

图2 相对动弹性模量变化特征

由图2可知：随着盐冻循环次数的增加，面板混凝土的相对动弹性模量逐渐减小，未掺入纤维的混凝土相对动弹性模量近似呈线性降低，掺入纤维后，相对动弹性模量降低速率均有不同程度减小，且盐冻次数越多，相对动弹性模量下降速度越快；盐冻循环200次后，未掺入纤维的面板混凝土相对动弹性模量仅为63%，当掺入0.5、1、1.5kg/m3的聚丙烯纤维后，面板混凝土相对动弹性模量分别为69.5%、75%和73%，当掺入0.5、1、1.5kg/m3的聚丙烯腈纤维后，面板混凝土相对动弹性模量分别为71.5%、77.5%和74.5%，当掺入30、50、70kg/m3的钢纤维后，面板混凝土相对动弹性模量分别为80%、88%和93.2%；钢纤维对于面板混凝土抗盐冻性能的提升作用明显强于聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维，后两者的改善作用基本相似，聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维的最佳掺量为1kg/m3。

纤维在面板混凝土中以三维乱向的分布状态存在，可以很好地起到填充裂隙的作用，从而阻断了裂缝的扩展路径，降低了混凝土中的孔隙率，使得混凝土更加密实，面板混凝土密实性提高之后，便具有更好的抗渗性能，延缓和降低了水分进入混凝土内部结构的数量，从而在低温作用下冰对混凝土骨料结构的膨胀损伤也随之减小，进而削弱了盐溶液对混凝土结构的侵蚀，因为掺入纤维可以有效改善混凝土的抗盐冻性能。

2.3 抗压强度

不同纤维掺量下面板混凝土抗压强度随盐冻循环次数变化规律如图3所示。

图3 抗压强度变化特征

由图3可知：面板混凝土抗压强度随盐冻循环次数增加呈两阶段变化特征，在0～50次盐冻次数内，抗压强度呈缓慢降低趋势，这是因为盐冻初期进入试件内部的氯离子较少，面板混凝土以冻循环损伤为主，在50次盐冻循环之后，抗压强度开始加速下降，在这一阶段由于内外盐浓度差的作用，氯离子沿着冻损伤裂缝加速渗入混凝土结构中，面板混凝土不仅受冻循环作用，还更多地收到盐侵蚀的耦合损伤作用，使损伤发展速度加快。

与相对动弹性模量表现一致，当掺入聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维时，最佳掺量为1kg/m3，此时抗压强度最高，纤维过多会导致局部的团聚现象，使得混凝土内部出现受力不均和应力集中现象，反而导致强度下降；钢纤维能够有效改善混凝土的粘结特性虽然掺量过多也会导致一部分分散不均的情况，但对于性能的改善作用占据了主导地位，因而才会呈现随掺量增加而强度越高的情况。

3 微观机理分析

对普通面板混凝土、聚丙烯纤维面板混凝土、聚丙烯腈纤维面板混凝土以及钢纤维面板混凝土的界面过渡区(ITZ)微观形态进行了对比分析，结果如图4所示。

图4 不同面板混凝土电镜扫描结果

由图4可知，水化产物大量附着在水泥砂浆表面，而在骨料上覆盖的水化产物数量较少，其中普通面板混凝土的水化产物覆盖层较厚，但是可以明显看到界面过渡区在盐冻之后存在明显的裂缝，当掺入纤维之后，一部分水泥砂浆和水化产物附着在纤维上，但聚丙烯腈纤维相对于聚丙烯纤维和钢纤维而言，附着的水化产物更少，说明其黏接性略差于后两者；钢纤维改性面板混凝土相比聚丙烯纤维面板混凝土和聚丙烯腈纤维面板混凝土，其结构分布更加均匀，纤维更加粗大且不弯曲，结构更加致密，微裂缝数量明显减少，与水泥砂浆基本形成一个整体，因而具有更好的阻裂效果，从而提升自身的抗盐冻特性。

4 结语

对不同纤维改性面板混凝土进行了抗盐冻试验，得出如下结论。

(1)纤维具有填充和黏结作用，同时自身具有较高的抗拉强度，可以抑制裂缝的扩展，相比普通面板混凝土，纤维改性面板混凝土抗盐冻侵蚀性能有明显的提升。

(2)钢纤维在混凝土中分布更加均匀，相比聚丙烯纤维面板混凝土和聚丙烯腈纤维面板混凝土，其结构更加致密，氯离子渗透速度更小，故而抗盐冻性能更好。

(3)聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维的最佳掺量均为1kg/m3，而面板混凝土抗盐冻性能随着钢纤维掺量的增加而逐渐增强。

(4)本文仅考虑纤维种类和掺量的影响，未将水胶比、外加剂等影响因素考虑进去，这将在今后做进一步补充研究。