水利工程混凝土双掺纤维膨胀剂的抗裂性能分析

郑全国

(大连市普兰店区生态环境事务服务中心，辽宁 大连 116200)

混凝土具有体积稳定性好、抗压强度高、原材料来源广等明显优势，这是水利工程领域至今用量最大、使用范围最广的建筑材料[1-3]。随着工程技术的发展和结构科学的进步，高性能混凝土开始得到普遍应用，与此同时也出现了一系列新的问题，其中比较突出的就是结构开裂问题，尤其是水工结构周围约束力影响干燥收缩、自收缩等引起的体积变形而造成早期开裂，逐渐成为影响水工混凝土抗渗性、耐久性及其劣化的重要因素[4]。目前，水工结构研究领域越来越关注水工混凝土的开裂问题，为保证水利工程的长效运行必须掌握混凝土的收缩抗裂性能，并结合具体情况制定相应的防裂措施。实践表明[5-9]，将适量的橡胶、纤维、矿粉、膨胀剂、粉煤灰等化学外加剂或矿物掺合料掺入混凝土中，对改善材料的内部孔隙结构、水化特征、收缩变形和早期抗裂性能具有积极作用。然而，该领域相关研究比较侧重于化学外加剂或掺合料单掺分析，涉及化学外加剂和矿物掺合料复掺的研究还鲜有报道。鉴于此，本文通过室内试验研究了水工混凝土双掺纤维膨胀剂的抗裂性能，在此基础上揭示了纤维与膨胀剂的抗裂机理，旨在为水利工程质量及其长效运行提供可靠保障。

1 研究方法

1.1 原材料准备

本试验所用材料有聚丙烯纤维、S-AC膨胀剂、粉煤灰、粗细骨料和水泥，其中纤维的平均直径为35 μm，抗拉强度460 MPa，弹性模量3 870 MPa；S-AC膨胀剂来源于天津市金盛源特种建材有限公司；粉煤灰为Ⅱ级灰，其表观密度2 250 kg/m3，比表面积370 m2/kg；粗细骨料为普通河砂和石灰岩机制碎石，河砂细度模数2.4，碎石粒径最大值25 cm；水泥型号为普通硅酸盐P·O 42.5级，比表面积348 m2/kg，初凝与终凝时间160 min、300 min，28 d抗折与抗压强度8.4 MPa、51.1 MPa。

1.2 方案设计

为探讨不同纤维和膨胀剂掺量的水工混凝土抗裂性能，结合工程实践经验和有关研究资料[9]，合理设计三种不同的纤维与膨胀剂掺量配合比，如表1。

表1 方案设计 kg/m3

1.3 试件制作

依据研究目的合理设计试验方案和混凝土配合比，分别选用普通磅秤和电子秤精准称量用量相对较多的材料以及用量较少的纤维。遵循粒径从大到小的原则，依次将称量好的粗骨料、细骨料、矿物掺合料、水泥和外加剂等原材料投入搅拌机，均匀搅拌3 min之后再投入减水剂和水，再次搅拌3 min后倒出拌合物，依次放入自由收缩、约束收缩和抗拉强度试模，相应尺寸依次为515 mm×100 mm×100 mm、63 mm×600 mm×600 mm、100 mm×100 mm×100 mm。拌合物装填前先用脱模剂涂刷试模内壁，用振捣棒振捣混凝土密实，然后将表面利用抹子抹平，室温静置24h后拆模、编号并放入标养室养护至设计龄期。

1.4 测试方法

本试验利用微机控制万能试验机按照《水工混凝土试验规程》相关要求测试试件14 d、28 d、56 d龄期的抗拉强度，通过轴向拉伸试验确定混凝土的极限拉伸值。试件的初始长度利用限制膨胀率测试仪和带限位器的矩形试模进行测量，采用《混凝土膨胀剂》推荐的计算方法确定不同龄期试件的限制膨胀率。采用非接触收缩变形仪和测用万能试验机测定混凝土的干燥收缩率及其断裂指标。

2 结果与分析

2.1 起裂韧度

整理统计相关试验数据，确定不同龄期下各试验方案的混凝土试件起裂韧度如表2。从表2可以看出，随着试件龄期的增大混凝土起裂韧度逐渐增大，从14～28 d龄期的起裂韧度增长幅度明显高于28～56 d的。单产聚丙烯纤维和S-AC膨胀剂的起裂韧度均显著高于普通混凝土，如28d龄期时方案2(单掺S-AC膨胀剂)的起裂韧度5.56 MPa/m0.5较方案1(普通混凝土)的4.46 MPa/m0.5增加1.06 MPa/m0.5，增长率达到23.77%；28 d龄期时方案3(单掺聚丙烯纤维)的起裂韧度5.68 MPa/m0.5较方案1(普通混凝土)的4.46 MPa/m0.5增加1.22 MPa/m0.5，增长率达到27.35%。从不同掺量的角度上，随膨胀剂掺量的增加各龄期下的试件起裂韧度均表现出先增大后减小的变化特征，起裂韧度在膨胀剂掺量15 kg/m3时达到最大值。研究表明，混凝土中掺入过量的膨胀剂，则混凝土内部结构受水化反应生成物作用出现过度膨胀，内部产生裂缝并使得起裂韧度明显下降。

表2 起裂韧度试验数据 MPa/m0.5

随着纤维掺量的增加各龄期下的试件起裂韧度表现出不断增大的变化趋势，当掺量达到一定界限值后，继续增大掺量的影响作用减弱，如28 d龄期时方案4(纤维掺量0.5 kg/m3)的起裂韧度6.84 MPa/m0.5较方案2(纤维掺量0 kg/m3)的5.52 MPa/m0.5增加1.32 MPa/m0.5，增长率达到23.91%；28 d龄期时方案5(纤维掺量1.0 kg/m3)的起裂韧度6.95 MPa/m0.5较方案4(纤维掺量0.5 kg/m3)的6.84 MPa/m0.5增加0.11 MPa/m0.5，增长率只有1.61%。由此表明，混凝土中掺入过量的纤维会影响振捣密实度和搅拌均匀度，在一定程度上降低混凝土的起裂韧度。因此，综合考虑工程经济性和以上试验结果，聚丙烯纤维和S-AC膨胀剂的最佳掺量为0.5 kg/m3、15 kg/m3。

图1 不同龄期下各试验方案抗裂性能指标

2.2 抗裂指标

目前，国内学者考虑不同用途提出了很多的混凝土抗裂性能评价指标，不同指标的适用范围及其侧重点存在明显差异。总体而言，抗裂性能较好的混凝土必须有较大的极限拉伸值、较高的抗拉强度、较小的干缩变形以及较低的弹性模量。因此，本文结合试验目的和现有研究资料，确定抗裂评价指标k的计算公式如下：

(1)

式中：εp、εd代表极限拉伸值和干缩值；ft、E代表抗拉模量(MPa)和弹性模量(MPa)；σz代表混凝土预压应力值(MPa)。

通过整理计算相关试验数据确定抗裂性能评价指标值，不同龄期下各试验方案的混凝土试件抗裂评价指标值如图1。从图1可看出，不同龄期下各试验方案的抗裂性能指标值相差较小，表明混凝土抗裂性能指标可能与配合比以及原材料有关，而受龄期的影响不大。相同龄期下各试验方案的抗裂性能指标差异显著，其中双掺纤维膨胀剂明显优于不掺或单掺膨胀剂的抗裂性能。深入分析双掺方案，方案5(纤维掺量1.0 kg/m3)、方案4(纤维掺量0.5 kg/m3)的抗裂性能较优，但方案5较方案4的抗裂性能指标值增加并不多，但纤维掺量却增大一倍。因此，从工程经济性和抗裂性能的角度上，试验方案4为最佳，该研究结论与起裂韧度试验保持相同。

3 结语

本文利用室内试验的方法探讨了水工混凝土双掺纤维与膨胀剂的抗裂性能，得出的主要结论如下：

(1)将适量的纤维或膨胀剂掺入混凝土中均有利于改善混凝土抗裂性能。具体而言，随膨胀剂掺量的增加混凝土起裂韧度表现出先增大后减小的变化特征，膨胀剂掺量多高时内部结构受水化反应生成物作用出现过度膨胀，内部产生裂缝使得起裂韧度开始下降；随着纤维掺量的增加混凝土起裂韧度表现出不断增大的变化趋势，当掺量达到一定界限值后，继续增大掺量的影响作用减弱，即掺入过量的纤维会影响振捣密实度和搅拌均匀度，降低混凝土的起裂韧度。

(2)不同龄期下各试验方案的抗裂性能指标值相差较小，即混凝土抗裂性能指标可能与配合比以及原材料有关，而受龄期的影响不大；相同龄期下各试验方案的抗裂性能指标差异显著，即双掺纤维膨胀剂明显优于不掺或单掺膨胀剂的抗裂性能。综合考虑工程经济性和以上试验结果，聚丙烯纤维和S-AC膨胀剂的最佳掺量为0.5 kg/m3、15 kg/m3。