纤维对水工混凝土裂缝修补材料性能影响试验研究

张齐成

(歙县水利局，安徽 黄山 245200)

0 引 言

水工混凝土所处的环境十分复杂，在干湿变化、低温冻融循环、离子侵蚀等作用下很容易出现破损和开裂，影响建筑物的正常使用功能，为了避免裂缝进一步扩大，需要及时对裂缝进行修补[1-2]。常用的混凝土修补材料多为有机树脂类，虽然该类型材料具备较好的修复效果，但是存在价格高、易老化等问题，因而在大面积混凝土裂缝修补工程中不适用。采用无机胶凝材料和有机物质混合拌制的裂缝修补材料在控制工程成本上更加有利，也是当前行业发展的趋势[3-5]。

本文以硫铝酸盐水泥为主要基材，通过掺入石英石粉、可分散性乳胶粉、纤维、消泡剂、憎水剂、减水剂等外加剂，配制新型的混凝土裂缝修补材料，主要探讨纤维种类和掺量对裂缝修补材料工作性能和力学性能的影响，以期能为水工混凝土裂缝快速修补提供借鉴。

1 试验概况

1.1 试验原材料

试验原材料主要包括硫铝酸盐水泥、石英石粉、可分散性乳胶粉、玄武岩纤维、木纤维、玻璃纤维、改性木纤维、消泡剂、憎水剂、减水剂等。硫铝酸盐水泥的标准稠度用水量为40%，初凝和终凝时间分别为40和150 min，28 d抗折和抗压强度分别为7.4和73.4 MPa；石英石粉的粒径大小为80～120目，密度为2 650 kg/m3，SiO2含量为95%，莫氏硬度为7，熔点为1 750℃；可分散性乳胶粉堆积密度为400～600 kg/m3，灰分为8%～12%，最低成膜温度为0℃；玄武岩纤维长度为7～10 mm，弹性模量为105 GPa，抗拉强度为3 850 MPa，断裂伸长率为2.7%，密度为2 700 kg/m3；木纤维(FH-500)为白色粉末状，平均长度2.7 μm，体积密度为47 g/L，分散性为97%；玻璃纤维长度为3～5 mm，弹性模量为105 GPa，抗拉强度为2 800 MPa，断裂伸长率为3%，密度为2 580 kg/m3；改性木纤维也为白色粉末状，平均长度2.7 μm，体积密度为47 g/L，分散性为99%；消泡剂(AXILAT DF 770)为干粉消泡剂，主要成分为液态碳氢化合物和聚乙二醇，平均颗粒大小为750 μm，堆积密度为600 kg/m3；憎水剂为SHP50型硅烷基憎水剂，粒径小于500 um，平均颗粒大小为300 um，体积密度为600 g/L；减水剂为液态聚羧酸减水剂，平均密度为1.15 g/mL，固体含量为26%，减水率为20%。缓凝剂为柠檬酸，白色结晶型粉末，易溶于水。

1.2 试验方案

以硫铝酸盐水泥为主要基材，探讨不同种类纤维和不同掺量纤维对裂缝修补材料凝结时间、流动度、抗压强度、抗折强度、拉伸黏结强度以及干燥收缩性能的影响。试验1组为对照试验组，不掺入任何纤维；试验2-4组为掺入玄武岩纤维，掺量分别为0.5%、1%和1.5%；试验5组掺入木纤维，掺量为1%；试验6组掺入玻璃纤维，掺量为1%；试验7组掺入改性木纤维，掺量为1%；试验8组掺入混合纤维，分别为玄武岩纤维0.5%和改性木纤维0.5%。其余材料掺入情况分别为石英石粉掺量为11%，消泡剂掺量为2%，憎水剂掺量为1%，减水剂掺量为0.4%，具体试验配比方案见表1。

1.3 试验方法

各试验组裂缝修补材料的凝结时间按照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T 1346-2001)进行测定，流动度按照《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419-2005)进行测定，抗压强度和抗折强度均按照《水泥胶砂强度检验方法》(JTG/T 0506-2005)进行测定，拉伸黏结强度按照《混凝土界面处理剂》(JC/T 907-2002)进行测定，干燥收缩率按照《水泥胶砂干缩试验方法》(JC/T 603-1995)进行测定。

2 试验结果分析

2.1 对工作性能的影响

不同试验配合比下裂缝修补材料凝结时间和流动度测试结果见表2。从表2中可知，掺入不同量的玄武岩纤维后，裂缝修补材料的初凝时间和终凝时间相比不掺入纤维试验组均有不同程度延长。这是因为玄武岩纤维表面具有较强的水分吸附能力，在水泥水化反应前期抢占了水化所需要的水分；随着水化反应进行，玄武岩纤维才会慢慢将水分释放，从而促进水化反应继续进行；掺入玄武岩纤维后，裂缝修补材料的初始流动度下降幅度较大，从230～240 mm降低至140～155 mm，30 min后流动度从100～110 mm下降至55～90 mm，这说明掺入玄武岩纤维会增加裂缝修补材料的稠度。对于掺入木纤维的试验组，终凝时间相比空白试验组增长约200%。这是因为木纤维不溶于水，在水中的分散性不是很好，也没有玄武岩纤维那样的吸附水分的能力，故而对于木纤维反而会延长终凝时间，出现泌水现象，但对流动度影响不大。对于掺入玻璃纤维(不溶于水)的试验组，初凝和终凝时间均有延长，终凝时间、初始流动度以及30 min 后流动度与掺入木纤维试验组基本相当，不仅出现泌水现象，而且由于玻璃纤维的掺入，还会产生大量无法消掉的气泡，影响材料的修补性能。对于掺入改性木纤维的试验组，与试验5(掺入木纤维组)相比，初凝和终凝时间进一步延长，但流动度有所降低。对于混掺玄武岩纤维和改性木纤维的试验组，凝结时间和流动度相比试验7组有所降低。

表2 工作性能试验结果

2.2 对抗压和抗折强度的影响

选取纤维掺量(1%)相同的试验组与空白试验组裂缝修补材料的28 d强度进行对比，见图1。从图1中可以看到，掺入纤维会导致裂缝修补材料抗压强度呈现不同程度的降低，降低幅度最大的是试验6组(掺入玻璃纤维)，相比空白试验组抗压强度降低约505。这是因为掺入纤维后，由于纤维本身具有乱向分布特性，如果搅拌不均会导致泌水现象，从而使浆体中出现分层现象；同时纤维在水化反应的碱性环境中会引入大量无法消除的气泡，造成试件内部出现许多薄弱结构或者空腔，影响强度的发展。但是在掺入玄武岩纤维或者改性木纤维后，由于纤维本身的抗拉强度和弹性模量较高，使得裂缝修补材料的抗折强度相比空白试验组反而有所提升，特别是掺入玄武岩纤维的试验，其抗压强度下降幅度(约为15.5%)最小，而抗折强度可提升50.7%。

图1 不同纤维种类裂缝修补材料强度特征

从上文分析可知，掺入玄武岩纤维的裂缝修补材料综合性能表现优异，因此决定采用玄武岩纤维对裂缝修补材料进行改性，不同玄武岩纤维掺量下裂缝修补材料的强度特征见图2。掺入不同量的玄武岩纤维，均会造成裂缝修补材料抗压强度的降低，而抗折强度则是呈先增大后减小的变化特征。当玄武岩纤维掺量为1%时，抗压强度下降幅度最小，且抗折强度最高，这是因为掺入过量的纤维，可能会导致纤维在裂缝修补材料中分布不均，容易在试件内部形成缺陷，引起试件内不出现应力集中现象，对抗折强度不利。

图2 玄武岩纤维掺量对强度的影响

2.3 对拉伸黏结强度的影响

不同玄武岩掺量下裂缝修补材料的拉伸黏结强度变换规律见图3。从图3中可知，随着玄武岩掺量的增加，裂缝修补材料的拉伸黏结强度呈先增大后减小的变化特征，并且在1%掺量时达到最高值。这是因为玄武岩纤维属于5～7 mm的长纤维，其抗拉强度比硫铝酸盐水泥高得多，当在硫铝酸盐水泥中掺入长纤维后会具有比较明显的“增韧”效果，这种增韧效果在很大程度上体现在拉伸黏结强度的提升，但是与抗折强度一样，如果掺量过多，可能会导致搅拌不均而出现原生缺陷，反而不利于拉伸黏结强度的发展。

图3 玄武岩纤维掺量对拉伸黏结强度的影响

2.4 对干燥收缩变形的影响

裂缝修补材料需要具有比被修补混凝土更好的变形性能才能更好地修复裂缝，不同玄武岩纤维掺量下的裂缝修补材料单位长度变形率对比见图4。从图4中可知，在不掺入玄武岩纤维时，裂缝修补材料在0～28 d内均呈收缩状态，而掺入玄武岩纤维后，缝修补材料的变形由收缩状态转变为膨胀状态，但是随着玄武岩纤维掺量的增加，单位长度变形率呈逐渐减小的变化趋势。这是因为在裂缝修补材料中掺入玄武岩纤维后，会在试件中形成网络织构体，这些网络织构体在水泥水化硬化过程中具有一定的束水保水效果，从而可以降低早期失水速率，从而降低或者消除收缩变形；随着掺量的增加，纤维与浆体的黏结拉应力越大，试件的变形逐渐趋于稳定，可以提供持续的体积微膨胀效应。

图4 玄武岩纤维掺量对单位长度变形率的影响

3 结 论

对不同纤维种类和掺量改良裂缝修补材料性能进行了对比研究，结论如下：

1) 掺入纤维会延长裂缝修补材料的凝结时间，改善工作性能。但掺入木纤维或者玻璃纤维，可能会导致泌水现象，同时引入大量气泡，从而影响强度发展，因而玄武岩纤维更适用于改良裂缝修补材料。

2) 当玄武岩纤维掺量为1%时，裂缝修补材料的抗折强度和伸黏结强度最大。

3) 掺入玄武岩纤维可以使裂缝修补材料早期变形由收缩转变为微膨胀状态，从而起到很好的裂缝修复功能。