纤维混凝土抗裂防渗性能的试验研究

李文涛

（新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 前言

引水隧洞受地下水影响非常严重，实际营运过程中会产生各种病害。根据调查，引水隧洞病害主要有渗漏、开裂及变形侵蚀等，其中渗水和混凝土开裂是最常见典型病害。

研究引水隧洞采用典型的一机一洞布置形式，尾水洞为变顶隧洞，单机最大引水流量为577 m3/s。引水隧洞内径为14 m。布置形式主要由进口渐变段-上平段-上弯段-竖井段等组成。自投产运营以来，受多种因素的影响，引水隧洞中部和顶部出现多条贯穿性裂缝，同时在流道放空检查中，隧洞存在多处渗漏点和蜂窝状腐蚀空洞，并伴随露筋现象。

考虑实际工程需求，为提高混凝土的抗渗性能和抗冲击性能，进行了三种掺合料（分别为钢纤维、碳纤维和复合纤维）混凝土试样的抗冲击韧性和抗渗透试验。此研究可为混凝土的抗裂防水性理论提供设计参数，提高引水隧洞的安全运营能力。

1 混凝土抗冲击性能试验

1.1 材料及性能

所用的水泥强度为C30；矿物掺合料选用粉煤灰；粗骨料和细骨料选用5～20 mm 的连续级配，级配合格产品；减水剂；碳纤维和钢纤维具体物理性能参数见表1、表2、表3、表4。

表1 水泥物理力学性能表

表2 粉煤灰物理力学性能表

表3 碳纤维物理力学性能参数表

表4 钢纤维物理力学性能参数表

1.2 试验方法

采用冲击韧性试验的ACI 锤击法进行测试。试验的目的主要是研究混凝土的抗冲击性能，以及分析混凝土的开裂情况。试验采用标准落锤，质量5 kg，冲击高度为48 cm，试件尺寸为200 NN 80 mm，试件编号分别为OF01-OF07，其中OF01为基本混凝土，试件2混凝土掺杂钢纤维含量0.50%，试件3混凝土掺杂钢纤维含量1.50%，试件4 混凝土掺杂碳纤维含量0.20%，试件5混凝土掺杂钢纤维含量0.50%、碳纤维0.20%，试件6混凝土掺杂1.50%钢材纤维和0.60%碳纤维。

2 混凝土抗渗性能试验

根据目前研究，采用混凝土的抗渗性能描述混凝土结构耐久性比较合适。在此研究基础上，通过抗渗透试验获取开裂混凝土的渗透系数，并进一步分析纤维混凝土的抗渗能力。

纤维混凝土掺杂纤维于上文试样相同。试件尺寸半径为9 cm，顶面半径为8.50 cm，高16 cm，养护时间为30 d。养护完成后进行抗渗试验，水压恒定为1.50 MPa，持续时间为24 h，然后读取渗透系数。

3 试验结果

3.1 混凝土抗冲击性能分析

抗冲击试验主要包含三个阶段，分别为初裂阶段、冲击阶段及终裂阶段。通过三个阶段求得各阶段平均值以及差值对混凝土进行冲击韧性评价，统计不同混凝土试验的不同工况下的平均出裂次数以及抗冲击耗能结果。不同纤维含量对混凝土冲击韧性的影响见图1、图2。图1结果表明，掺杂碳纤维、钢纤维以及混合纤维的混凝土初裂冲击次数不断增多，这表明，纤维含量增多导致混凝土冲击韧性性能不断提升。导致这种现象的主要原因是纤维含量的破坏过程的耗能主要用于纤维粘结作用。

图2 结果表明，三种纤维含量掺杂到混凝土中，混凝土的抗冲击性能大幅增加，其中OF01-OF07 试件的冲击韧性能量分别为355.20 J、620.40 J、858.50 J、679.50 J、951.10 J、905.20 J和1 346.80 J。其中掺杂复合纤维的混凝土抗冲击性能最大，究其原因主要是复合纤维的材料性能决定的。

3.2 混凝土抗渗性能分析

混凝土的抗渗性能试验结果表明，复合纤维混凝土的抗渗性能最优，而基本混凝土的抗渗性能最差。主要原因是：①水泥和纤维的粘结作用可以降低混凝土的收缩，对混凝土骨料起到较好的支撑作用，显著降低混凝土孔隙比，提升混凝土抗渗透性能；②复合纤维混凝土的渗透系数最小，证明较其他两种纤维，复合纤维易于形成强度较高的网络孔隙，从而使得复合纤维混凝土的抗渗性能优于其他两种纤维。

4 结论

为了研究引水隧洞混凝土的抗冲击韧性和抗渗性能，开展多种工况下的混凝土抗冲击和抗渗透试验，得到以下结论：①抗冲击试验表明，与基本混凝土抗冲击韧性相比，掺杂三种纤维混凝土的出裂次数不断增大，其中复合纤维的混凝土抗冲击性能最优，实际工程可选用掺杂复合纤维的混凝土进行工程建设。②渗透试验表明，不掺和纤维的混凝土的渗透系数最大，而掺和混凝土纤维的混凝土渗透系数最小。这反映出，相较于其他两种掺和纤维，复合纤维主要通过形成高强网络孔隙提高混凝土的抗渗性能。