纤维在堆石坝面板水工混凝土中的应用分析

李桂宝

（绥中水利电力建设有限公司，辽宁 绥中 125200）

干燥高温施工条件下，大面积薄壁混凝土结构面板堆石坝的混凝土面板层因内外部约束和失水过快容易产生塑性收缩裂缝；混凝土硬化过程中，因养护期已过或养护不到位、不及时混凝土继续失水，在内外部的约束条件以及毛细管张力、凝胶分子表面张力等因素作用下易形成干燥收缩裂缝；在季节性或日温差环境下，因干燥收缩和塑性收缩引起的裂缝将产生相应的收缩或膨胀，这些裂缝受温差应力作用进一步扩展。对于堆石坝面板，裂缝会降低结构耐久性能和面板的抗渗性能[1-3]。在北方严寒和寒冷地区，反复的冻融循环也会对混凝土面板产生影响，混凝土受冻胀应力作用形成裂缝甚至出现剥落，对面板服役性能及结构的安全运行造成严重影响。

面板混凝土质量与抗冻性、抗渗性、抗裂性密切相关，通过改善混凝土性能够有效延长面板结构的服役年限，切实保证其安全稳定性[4]。目前，采用纤维来改善混凝土性能已得到工程技术领域的普遍认可，纤维素纤维因具有良好的相容性以及天然的保水性、亲水性等被广泛应用于混凝土领域[5]。鉴于此，文章通过试验分析探讨了大坝面板混凝土中纤维的使用性能，深入揭示了其对面板混凝土抗冻性、抗渗性的影响及其早期干缩裂缝、塑性裂缝的作用。

1 试验方案

1.1 原材料

试验选用渤海P·O 42.5 级水泥，5~20mm、20~40mm 二级配花岗岩碎石，六股河中砂，细度模数2.6，混凝土配合比及其原材料与小汤河中游的关门山水库大坝面板相同，配合设计比，如表1所示。经试验检测，纤维的力学性能及物理参数，如表2 所示。

表1 配合比设计

表2 纤维的主要性能指标

1.2 试验方法

试验依据《水工混凝土试验规程》和《纤维混凝土塑性裂缝标准测试方法》的规定测试混凝土的工作性能、力学性能、抗冻抗渗性能及其受约束作用下的塑性收缩裂缝。

试验参照以下流程测试硬化早期砂浆基体的干燥收缩裂缝，具体如下：①砂浆配合比为水：砂：粉煤灰：水泥=0.42 : 1.70 : 0.25 : 1，其中纤维、引气剂、减水剂掺量与表1 相同；②精准称量所需的原材料，利用砂浆搅拌机均匀搅拌180s 后浇筑到硬化早期收缩开裂试模中，对试件分组编号B0、B1、B2；③砂浆试件为厚度20mm、高150mm、内径150mm 的圆筒体，在其内部放置厚度30mm、高度150mm、外径150mm 的钢制圆筒体作为约束；④成型标养3d 后，取出试件放入湿度20%、温度80℃的箱体内，设定恒温1h 升温至80℃(升温速度10℃/h)开展加速干燥失水收缩开裂试验；⑤观察试件开裂情况并测定其失水速度，失水速度减小到稳定状态时终止试验，利用显微镜测定裂缝宽度d，分段测定裂缝长度Li。干燥收缩裂缝的权重值，如表3 所示。根据以上试验数据，按照表3 中的权重值利用下式计算开裂系数C，即：

表3 干燥收缩裂缝的权重值

2 结果与分析

2.1 面板混凝土力学性能

混凝土掺不同纤维的力学性能及工作性能试验数据如表4 所示。结果表明，掺聚丙烯纤维和纤维素纤维组相较于基准组的混凝土坍落度减小25mm、10mm，混凝土坍落度受聚丙烯纤维的影响程度要高于纤维素纤维；另外，掺纤维组合基准组混凝土含气量相差不大，说明拌合物含气量受纤维的影响较低；对于抗压和劈拉强度，纤维的掺入可在一定程度上提高混凝土强度，并且纤维素纤维的提升作用高于聚丙烯纤维[7-8]。

表4 混凝土力学性能及工作性能

2.2 面板混凝土塑性收缩裂缝

混凝土掺不同纤维的塑性收缩裂缝试验数据，如表5 所示。结果表明，纤维的掺入可以有效抑制混凝土塑性裂缝的延伸和扩张，这表现为掺入纤维的A1、A2 组相较于基准组A0 组的混凝土板裂缝长度、宽度明显减小。其中，聚丙烯纤维和纤维素纤维混凝土板的裂缝长度依次减少17.9%、77.0%，裂缝宽度依次减少39.6%、45.1%。对于裂缝面积，聚丙烯纤维和纤维素纤维混凝土板相较于基准组依次减少50.4%、87.3%。

表5 塑性收缩裂缝及纤维的分布参数

纤维的累计长度∑L、平均中心间距S和单位体积混凝土中纤维的根数N在很大程度上决定了塑性状态混凝土中纤维的阻裂作用，并且∑L值越大、S值越小、N值越大则纤维的阻裂效果越显著[9]。从表5 可以看出，纤维素纤维是聚丙烯纤维∑L值、S值、N值的2.14 倍、0.36 倍、18.67 倍，结合以上试验数据，在塑性状态混凝土中纤维素纤维明显优于聚丙烯纤维的阻裂作用，该变化规律与实际情况相符。

2.3 砂浆基体的干燥收缩裂缝

砂浆基体掺不同纤维的早期干燥收缩裂缝试验数据，如表6 所示。结果表明，聚丙烯纤维和纤维素纤维均会在不同程度上抑制早期干燥收缩裂缝的形成，减裂率为51.9%、66.2%，说明纤维素纤维的防裂效果更加明显。究其原因，纤维素纤维的抗拉强度及弹性模量更高（如表1），这直接决定了形成早期干燥收缩裂缝的难易程度。因此，通过提高纤维的强度指标和弹性模量是控制早期干燥收缩裂缝的有效途径，但高强度、高弹性模量的纤维成本较大，实际应用时会大大增加工程成本，所以研发高强度、高弹性模量且成本更加合理的纤维具有重要意义[10]。

表6 早期干燥收缩裂缝试验数据

2.4 面板混凝土抗渗抗冻性

混凝土掺不同纤维的抗渗抗冻性试验数据，如表7 所示。结果显示，混凝土中掺入纤维能够明显改善其抗渗性能，其中聚丙烯纤维和纤维素纤维可以提高1 个、2 个标号的抗渗等级，试验水压1.1MPa下两者的渗水高度比依次为56.6%、33.0%。究其原因，在早龄期抗拉强度较低时混凝土内部的微裂缝易发生扩展，而纤维的掺入可以发挥搭接侨联作用，对抑制微裂缝的连通及扩展发挥积极作用，有利于减少渗水通道；另外，纤维素纤维还存在一定吸水特性，可以促进水泥水化和毛细孔的细化，在阻碍微裂缝连通、扩展的同时将有害孔转变成无海空，从而使得混凝土抗渗性明显提高。

表7 抗渗抗冻性能试验数据

混凝土中掺入纤维能够明显改善其抗冻性能，聚丙烯纤维和纤维素纤维均可以提高50 个标号的抗冻等级。这是由于受冻时混凝土产生冻胀应力促进内部微裂缝的形成与扩展，而纤维的掺入可以消耗冻融循环过程中所产生的能量，有利于延缓损伤速度以及抑制微裂缝的形成扩展，有效改善其抗冻性能，保证面板混凝土结构的安全稳定运行[11-13]。

3 结 论

1）混凝土坍落度受聚丙烯纤维的影响程度要高于纤维素纤维，拌合物含气量受两种纤维的影响较低，纤维的掺入可在一定程度上提高混凝土强度，并且纤维素纤维的增强作用高于聚丙烯纤维。

2）在混凝土塑性阶段聚丙烯纤维和纤维素纤维的减裂率依次为50.4%、87.3%，究其原因是纤维素纤维优于聚丙烯纤维的累计长度∑L、平均中心间距S和单位体积混凝土中纤维的根数N等参数。

3）聚丙烯纤维和纤维素纤维均会在不同程度上抑制早期干燥收缩裂缝的形成，减裂率为51.9%、66.2%，纤维素纤维的防裂效果更加明显。纤维能够改善混凝土抗渗抗冻性，其中聚丙烯和纤维素可以提升1 个、2 个标号的抗渗等级，两种纤维均可以提升50 个标号的抗冻等级。