掺纤维水工混凝土性能影响研究

孟庆宇

（凌海市水利事务服务中心，辽宁 凌海 121200）

由于特殊的外界环境和使用条件，水工混凝土在有害离子侵蚀、低温冻融循环以及干湿交替等作用下极易产生开裂破损，对水工构筑物的长效运行造成严重影响，为有效控制裂缝的持续扩大必须及时修补裂缝[1-2]。目前，有机树脂类是比较常用的修补材料，这类材料的修补效果较高，但也存在着易老化、价格高等许多问题，对于大范围裂缝修补工程的适用性较差。因此，在工程成本控制上选用有机物质和无机胶凝材料混合配制的裂缝修补材料更加有利，势必成为材料领域的发展趋势[3-5]。

本文将减水剂、憎水剂、消泡剂、纤维、可分散性乳胶粉、石英石粉等外加剂掺入硫铝酸盐水泥基材，通过配制新型裂缝修补材料探讨了不同纤维掺量、种类，对力学性能和工作性能的影响，旨在为快速修补水工混凝土裂缝提供科学依据。

1 试验方法

1.1 原材料准备

试验所用原材料主要有缓凝剂、减水剂、憎水剂、消泡剂等外加剂，改性木纤维、玻璃纤维、木纤维和玄武岩纤维，以及可分散性乳胶粉、石英石粉、硫铝酸盐水泥等。

1）外加剂：试验选用易溶于水的白色结晶型柠檬酸缓凝剂；苏博特PCA®-Ⅰ聚羧酸高效减水剂，固含量28%，平均密度1.16g/mL，减水率30%；GT 液态硅烷基憎水剂，体积密度600g/L，粒径不超过500μm；Lencolo2108 型干粉消泡剂，主要成分为丙酸酯共聚物，堆积密度600kg/m3，平均粒径700μm。

2）纤维：试验选用白色粉末状改性木纤维，分散性高达99%，体积密度45g/L，平均长度2.8μm；玻璃纤维弹性模量106GPa，长度3～5m m，密度2560kg/m3，断裂伸长率2.7%，抗拉强度2800MPa；白色粉末状B200型木质纤维，分散性96%，体积密度48g/L，平均长度2.7μm；玄武岩纤维弹性模量110GPa，长度7～10mm，密度2720kg/m3，断裂伸长率2.6%，抗拉强度3860MPa。

3）掺合料：可分散性乳胶粉最低成膜温度0℃，灰分8%～12%，堆积密度500～700kg/m3；石英石粉的莫氏硬度8，SiO2含量95%，密度2660kg/m3，粒径80～120 目，熔点1770℃；硫铝酸盐水泥的28d 抗折、抗压强度7.5MPa 和73.2MPa，初凝、终凝时间60min 和180min，标稠用水量50%。

1.2 试验方案

试验基材以硫铝酸盐水泥为主，探讨不同纤维掺量和种类对裂缝修补材料的干燥收缩性能、拉伸黏结强度、抗折强度、抗压强度、流动度以及凝结时间的影响。设定试验对照组为不掺任何纤维的A组，掺0.5%、1.0%、1.5%玄武岩纤维组为B、C、D组，掺1.0%木纤维、玻璃纤维、改性木纤维为E、F、G组，掺0.5%改性木纤维和0.5%玄武岩纤维组为H组。各试验组的其它材料掺入情况相同，减水剂、憎水剂、消泡剂掺量为0.5%、1.0%、2.0%，石英石粉掺量10%，具体如表1 所示。

表1 裂缝修补材料配合比设计 单位：kg/m3

1.3 试验方法

依据《水泥胶砂干缩试验方法》、《混凝土界面处理剂》、《水泥胶砂强度检验方法》、《水泥胶砂流动度测定方法》和《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》等要求，测定各试验组裂缝修补材料的干燥收缩率、拉伸黏结强度、抗折与抗压强度、流动度、凝结时间等。

2 结果与分析

2.1 各组工作性能

依据不同配合比配制的裂缝修补材料流动度、凝结时间测试结果如表2 所示。结果表明，掺玄武岩纤维(B、C、D组)的裂缝修补材料初凝、终凝时间较试验对照组(A组)，都有所延长，这是由于玄武岩纤维的水分吸附能力较强，水化时可以优先吸附水分，在一定程度上抑制水泥水化，但随着水化的持续进行这部分被吸附的水分逐渐释放，促进水泥的持续水化；掺玄武岩纤维的裂缝修补材料初始流动度明显减小，从最初的240～250mm(A组)大幅减小到150～165mm(B、C、D组)，30min 后从110～120mm(A组)减小到65～100mm(B、C、D组)，表明玄武岩纤维的掺入会提高材料的稠度[6]。

表2 工作性能试验数据

掺木纤维试验组(E组)的终凝时间较对照组(A组)提高近200%，这是由于木纤维难溶于水，在水中的分散性较差且水分吸附能力较低，所以木纤维的掺入使得终凝时间延长，极易产生泌水现象，但不会对流动度造成较大影响。掺玻璃纤维试验组(F组)的初凝、终凝时间较对照组(A组)有所延长，其初始流动度、30min 后流动度和终凝时间与掺木纤维组(E组)相差不大，未发现泌水现象，但玻璃纤维的掺入会产生许多难以消除的气泡，对材料的修补性能造成不利影响[7]。掺改性木纤维试验组(G组)的初凝、终凝时间较掺木纤维组(E组)进一步延长，但流动度减小，混掺改性木纤维和玄武岩纤维试验组(H组)的流动度、凝结时间较单掺改性木纤维组(G组)有所减小。

2.2 力学性能分析

试验分析空白对照组和掺1%纤维试验组的修补材料28d 强度，如图1 所示。

图1 裂缝修补材料的强度变化

从图1 可以看出，掺入纤维会在不同程度上降低裂缝修补材料的抗压强度，其中掺玻璃纤维试验组(F组)的抗压强度降幅最高，较空白对照组减小48.2%。究其原因，掺入的纤维具有乱向分布特性，若搅拌不均匀极易产生泌水，并进一步使得浆体出现分层；此外，在水化形成的碱性环境中，掺入的纤维会形成许多难以消除的气泡，致使试件内部出现空腔或薄弱结构，对修补材料强度造成影响[8]。然而掺入改性木纤维或玄武岩纤维，由于纤维具有较高的弹性模量和抗拉强度，与空白对照组相比其抗折强度有所增加，尤其是掺玄武岩纤维试验组(C组)抗折强度提高50.0%，抗压强度降幅最小约18.8%。

依据上述分析结果，综合性能表现优异的是掺玄武岩纤维组，所以对裂缝修补材料利用玄武岩纤维加以改性，试验结果见图2。结果表明，掺不同量的玄武岩纤维均会在一定程度上降低裂缝修补材料强度，抗折强度则表现出先上升后下降的变化趋势。具体而言，掺1%玄武岩纤维的修补材料抗折强度最高，抗压强度降幅最小，究其原因是掺入过量纤维会使得纤维的分布不均，从而产生内部缺陷，引起应力集中现象，不利于抗折强度的提升。

图2 不同玄武岩纤维掺量的强度

2.3 拉伸黏结强度

裂缝修补材料拉伸黏结强度随不同玄武岩掺量的变化特征，如图3 所示。结果表明，裂缝修补材料拉伸黏结强度随玄武岩纤维掺量的增加表现出先上升后下降的变化趋势，掺1%玄武岩纤维时拉伸黏结强度最高。究其原因是玄武岩纤维的抗拉强度明显高于硫铝酸盐水泥，将5～7mm 长的纤维掺入硫铝酸盐水泥中会发挥较好的“增韧”作用，这在一定程度上提高了拉伸黏结强度，同样若掺量过高则会因搅拌不均而产生原生缺陷，对拉伸黏结强度的提升造成不利影响[9]。

图3 不同玄武岩纤维掺量的拉伸黏结强度变化

2.4 干燥收缩变形

为达到更好的修复效果，裂缝修补材料的变形性能必须优于被修补的混凝土，单位长度上裂缝修补材料变形率受不同玄武岩掺量的影响见图4。结果显示，0～28d 内未掺玄武岩纤维的裂缝修补材料呈收缩状态，而掺玄武岩纤维时则转变成膨胀状态，并且单位长度变形率随着纤维掺量的增加呈减小趋势。究其原因，将玄武岩纤维掺入裂缝修补材料中会形成网络织构体，在水泥硬化过程中这些网络织构体发挥着保水束水作用，有利于减小早期失水速率，消除或降低收缩变形；持续增大纤维掺量，则浆体与纤维之间的黏结拉应力不断增大，变形开始趋于稳定，玄武岩纤维的掺入发挥着持续提供体积微膨胀的作用[10-12]。

图4 不同玄武岩纤维掺量的变形率变化

3 结论

通过试验研究对比分析了不同掺量、种类纤维改性水工混凝土裂缝修补材料的性能，主要结论如下：

1）在裂缝修补材料中掺入纤维有利于改善其工作性能，延长凝结时间，但玻璃纤维或木纤维的掺入会引起泌水现象，因产生大量气泡而影响材料的强度，对于改良裂缝修补材料玄武岩纤维的适用性更好。

2）掺1%玄武岩纤维时裂缝修补材料的黏结拉伸强度、抗折强度最高，变形由原来的收缩转变成微微膨胀，具有持续提供体积微膨胀的良好作用。