张子琴，杨华全，周世华

(长江科学院，湖北武汉430010)

硅粉混凝土是一种新型抗冲磨材料[1]，但硅粉混凝土早期收缩较大，如果养护不当，易发生早期干缩裂缝[2]。王磊等采用Fourier红外光谱(FTIR)和29Si固体核磁共振谱(29Si NMR)，结合去卷积技术从微观机理研究了硅粉增强混凝土的抗冲磨性能[3]。由于掺入的硅粉具有高比表面积及高活性，可以显著提高混凝土早期强度、密实度、掺合料黏稠度，以及混凝土的抗弯强度、黏结强度和抗冲磨性能[4-5]，而纤维的掺入能够显著提高混凝土抗拉强度、抗裂性、延性、韧性、抗冲击及抗剪性能[6]，使得其柔性远高于普通混凝土。若硅粉和纤维恰当的复合掺入混凝土，可对混凝土增韧、阻裂、吸能等特性指标有极大改善[7- 8]。本文主要探讨在混凝土中掺入改性聚乙烯醇纤维KS-1500(PVA1)、聚乙烯醇纤维(PVA2)和聚丙烯纤维(PP)，研究掺入纤维对水工抗冲磨硅粉混凝土性能的影响。

1 试 验

1.1 原材料

采用华新(昭通)堡垒42.5中热硅酸盐水泥，水泥各项物理化学性能参数见表1；采用宣威电厂I级粉煤灰，其品质参数见表2；采用埃肯公司生产的硅粉，其品质参数见表3；采用江苏博特JM-PCA高效减水剂，减水率为27%；采用浙江龙游ZB-1G引气剂；纤维采用江苏能力科技有限公司生产的改性聚乙烯醇纤维KS-1500，四川维纶厂生产的聚乙烯醇纤维和张家港方大纤维有限公司生产的聚丙烯纤维，纤维的力学性能检测结果见表4；骨料采用玄武岩人工粗、细骨料，其中细骨料的细度模数为2.89，石粉含量为12.4%。

表1 水泥性能参数

表2 粉煤灰的品质参数

表3 硅粉的品质参数

表4 纤维种类及掺量

掺硅粉混凝土的试验配合比及掺合料性能见表5。试验结果表明，在保证混凝土坍落度、含气量一致的情况下，掺入纤维后，JM-PCA减水剂的掺量应增加0.1%，ZB-1G引气剂的掺量可保持不变。

表5 混凝土的试验配合比及掺合料性能

1.2 试验方法

1.2.1 物理力学性能试验

混凝土抗压强度、劈拉强度、极限拉伸值、干缩试件的试验方法按照DL/T 5150—2001《水工混凝土试验规程》进行，试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm。

混凝土极限拉伸值采用翼形外夹试件，用位移传感器测量极限拉伸值，混凝土干缩试件尺寸为100 mm×100 mm×515 mm，测量仪器为卧式弓形螺旋测微仪。

1.2.2 混凝土抗冲击韧性试验

参考ACI(美国混凝土协会)544委员会推荐的ACI544.2 R冲击方法，采用自制自由落锤冲击试验法，设备示意见图1。

图1 混凝土抗冲击韧性试验示意(单位：mm)

采用落锤法进行混凝土抗冲击试验，试件尺寸为150 mm×64 mm，冲击锤质量为4.5 kg，下落高度h=457 mm，冲击锤中线与试件中心线对齐，测试时，冲击锤自由落下，通过冲击锤反复冲击直至混凝土破坏为止。试验时，在试件底部抹一层黄油以减少底板对试件的横向约束。试件的上表面正中心放置一个直径64 mm的钢球。试验过程中仔细观察试件表面，记录下初裂的冲击次数N1。在随后的不断冲击下，裂缝扩展，试件体积发生膨胀，当膨胀的试件接触到4个挡板中的3个时，定义试件破坏，记录破坏时的冲击次数N2。评价混凝土抗冲击能的指标有试件初裂冲击次数N1、试件破坏冲击次数N2、初裂与终裂破坏次数差ΔN、试件破坏过程吸收的全部冲击能W以及初裂后继续吸收的冲击能ΔW。

1.2.3 抗裂性和抗冲磨性能试验

混凝土抗裂性的试验方法采用CCES 01—2005《混凝土结构耐久性设计与施工指南》附录A2推荐的平板法。试验装置的试模尺寸为600 mm×600 mm ×63 mm，由放置在周边的L形钢筋网提供约束，试模内部底面上铺一层塑料薄膜以减少对混凝土的约束，试件浇注后，用太阳灯和电风扇让其快速脱水，收缩24 h后测定裂缝长度和宽度。

混凝土抗冲磨性能的试验按照DL/T 5150—2001《水工混凝土试验规程》的水下钢球法，试件尺寸为φ300 mm×100 mm，抗冲磨性能以抗冲磨强度来表示。

2 结果分析与讨论

2.1 纤维对硅粉混凝土强度与极限拉伸值的影响

混凝土的抗压强度、劈拉强度、抗拉强度和极限拉伸值随纤维品种的变化见图 2。由图2可知，掺入改性聚乙烯醇纤维KS-1500后，较硅粉基准混凝土早期抗压强度可提高0.7%，180 d龄期时略有下降，为0.2%；劈拉强度各龄期都有增长，最高可达5%左右；抗拉强度在28 d龄期时提高14%，后期涨幅减慢，在3%左右；极限拉伸值各龄期的涨幅相当，最高在10%。掺入聚乙烯醇纤维后，较硅粉基准混凝土各龄期抗压强度略有下降，180 d龄期时降低3%；劈拉强度早期略有下降，180 d龄期时提高3%；抗拉强度7 d龄期时提高16%，后期和基准混凝土相当；极限拉伸值后期略有提高。掺入聚丙烯纤维后，较硅粉基准混凝土各龄期强度都略有下降；极限拉伸值后期可提高1%左右。

图2 混凝土抗压强度、劈拉强度、抗拉强度、极限拉伸值与试件类型的关系

综合分析，掺入改性聚乙烯醇纤维KS-1500后， 混凝土的劈拉强度、 抗拉强度略有增长，极限拉伸值可提高 9%左右。掺入聚乙烯醇纤维和聚丙烯纤维后混凝土各龄期抗压强度略有降低。聚乙烯醇纤维KS-1500、聚乙烯醇纤维和聚丙烯纤维抗拉强度高，具有较好的延性，掺入混凝土中可以有效提高混凝土的抗拉强度和劈拉强度。从提高混凝土劈拉强度和极限拉伸值方面来看，改性聚乙烯醇纤维KS-1500的改善效果略好。

2.2 纤维对硅粉混凝土干缩的影响

掺纤维混凝土的干缩试验结果见图3。试验结果表明，掺入不同品种的纤维后，同等条件下混凝土干缩变形减小，且对混凝土早龄期干缩的抑制效果更显著，但不同纤维品种之间的差异不明显。

图3 纤维品种对硅粉混凝土干缩性能的影响

根据毛细管张力理论[9]，聚乙烯醇纤维KS-1500、聚乙烯醇纤维和聚丙烯纤维在混凝土中起着“撑托”骨料的作用，降低了混凝土表面的析水，提高了水泥砂浆的保水能力，延长了水泥砂浆孔隙中出现弯液面(表面张力)的时间，因此，乱向分布的纤维能够有效的地减小其干缩率。

2.3 纤维对硅粉混凝土抗冲磨强度与抗冲击韧性的影响

掺纤维混凝土的抗冲磨性能和抗冲击韧性试验结果见表6。试验结果表明，掺入纤维可提高混凝土各龄期的抗冲磨强度，提高幅度在10%～16%，不同纤维之间的差异不明显；水工抗冲磨硅粉混凝土的抗冲击韧性较好，初裂抗冲击强度均在250次

表6 掺纤维混凝土的抗冲磨强度和抗冲击韧性

表7 纤维混凝土抗裂性能试验结果

以上，掺入纤维后，可略微提高混凝土的抗冲击韧性，纤维品种之间的差异不显著。

掺入硅粉改善了水泥浆体与纤维与砂、石界面的疏松结构，提高了相互之间的粘结力，使纤维能更好地发挥其优越性，共同提高混凝土抗冲耐磨能力；掺入纤维又改善了硅粉混凝土早期塑性收缩偏大易产生塑性收缩裂缝的缺点，故混凝土中掺入纤维和硅粉可以有效提高混凝土的抗冲磨性能。

2.4 纤维对硅粉混凝土抗裂性能的影响

本文分别从混凝土开裂时间、裂缝条数、最大裂缝宽度、开裂面积、抗裂性等级等方面评价纤维对混凝土早期抗裂性能的影响。各组试件的抗裂性能评价结果见表7。混凝土平板开裂最大裂缝宽度随时间的变化、裂缝总面积与试件类型的关系分别见图4、图5。

图4 混凝土平板开裂最大裂缝宽度随时间的变化

图5 裂缝总面积与试件类型的关系

由表7及图4可见，相对于基准混凝土，不同品种纤维混凝土的最大裂缝宽度都明显减小。基准混凝土最大裂缝宽度0.32 mm，纤维混凝土最低达到了0.15 mm。由图 4可见，纤维混凝土出现第1条裂缝的时间明显延迟，且最大裂缝宽度减小。试验表明，随着纤维掺量的增加，混凝土的抗裂性增强，出现裂缝的时间变晚，裂缝变少且变细。

裂缝总面积被认为是评价和优化混凝土开裂性能的一项重要指标，由图4可见，纤维混凝土的裂缝总面积较基准混凝土有显著降低。掺入改性聚乙烯醇纤维KS-1500时，最大裂缝宽度仅为0.15 mm，裂缝降低系数达到93.2%。掺入聚乙烯醇纤维时，最大裂缝宽度仅为0.16 mm，裂缝降低系数达到93.3%。掺入聚丙烯纤维时，最大裂缝宽度仅为0.15 mm，裂缝降低系数达到96.8%。由表7可见，纤维混凝土的阻裂效能等级均达到了一级。因此，掺入纤维能有效地提高混凝土的抗裂性能。

综上所述，掺入纤维有效抑制了混凝土的早期塑性开裂，提高了混凝土的耐久性。混凝土中掺入纤维后，纤维为混凝土形成二次微加筋系统，由于纤维抗拉强度高，且具有较好的延性，能有效提高混凝土的韧性；同时由于纤维数量多，比表面积大，纤维在混凝土内部均匀分布，能有效改善混凝土内部的应力分布，降低了微裂缝尖端的应力集中，从而有效地消耗微裂缝扩展的能量，从而提高混凝土的抗裂性能。

3 结 论

水工抗冲磨硅粉混凝土中掺入改性聚乙烯醇纤维KS-1500(PVA1)、聚乙烯醇纤维(PVA2)和聚丙烯纤维(PP)，对混凝土抗拉强度、抗冲击韧性的影响不显著，但可以提高混凝土的抗冲磨强度，有利于抑制混凝土的早龄期干缩，提高混凝土的平板抗裂性，抗裂等级可达 I 级。但纤维品种对混凝土抗冲磨强度、干缩、平板抗裂等性能的影响差异不显著。掺入改性聚乙烯醇纤维 KS-1500可以有效提高混凝土极限拉伸值，可提高约 9%。

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