水工钢纤维混凝土抗渗性和抗冻性的研究.pdf

第4 1 卷第 2期 2 0 1 5年 4月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 1 9 9 水工钢纤维混凝土抗渗性和抗冻性的研究 杜 向琴， 刘志龙 ( 安庆职业技术学院建筑工程系， 安徽 安庆2 4 6 0 0 3 ) 摘要： 通过渗水高度试验和冻融循环试验研究了钢纤维混凝土的抗渗性能和抗冻性能， 结果表明： 钢纤维能提高 混凝土的抗渗性能 ， 1 4 掺量时的抗渗性能最优； 冻融循环条件下 ， 混凝土的抗冻性能随钢纤维掺量的增大而提 高， 1 6 掺量时的质量损失率和相对动弹性模量损失仅为素混凝土的一半。 关键词： 钢纤维混凝土； 抗渗性能； 抗冻性能 中图分类号： T V 4 3 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 5 ) 0 21 9 90 3 Re s e a r c h o n i mp e r me a b i l i t y a nd f r o s t r e s i s t a n c e o f S t e e l Fi b e r Re i n f o r c e d Co nc r e t e i n wa t e r i n d u s t r y DU Xi a n g q i n， L I U Zh i l o n g ( A n q i n g V o c a t i o n a l a n d T e c h n i c al C o l l e g e ， A n q i n g 2 4 6 0 0 3 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h r o u g h w a t e r p e r me a b i l i t y t e s t a n d f r e e z e t h a w c y c l e t e s t ， t h e i mp e rm e ab i l i t y an d f r o s t r e s i s t a n c e o f t h e S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e( S F R C )w e r e s t u d i e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t ： S F R C h a s g o o d i m p e rme abi l i t y ， t h e o p t i m u m v o l u m e f r a c t i o n o f s t e e l fi b e r i s 1 4 ； S t e e l fi b e r c a l l o b v i o u s l y i mp r o v e f r o s t - r e s i s t anc e o f c o n c r e t e t h e l o s s r a t e o f ma s s a n d d y n a mi c e l ast i c mo d u l u s o f S F RC i n 1 6 v o l u me f r a c t i o n b o t h a r e o n l y a b o u t the h a l f o f p l a i n c o n c r e t e Ke y wo r d s ： S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e ( S F R C ) ； i mp e rme a b i l i t y ； f ros t r e s i s t a n c e 0 引 言 水工混凝土结构在运行过程中 ， 由于受到水 、 大 气、 各类侵蚀性介质及正负温度的反复作用 ， 易产生 老化和各种病害， 调查显示 ， 渗漏是引起水工混凝土 结构耐久性不 良的最为普遍 的病害 ， 严重的会导致 结构丧失强度 ， 彻底崩溃 。 作为一种新型复合材料， 钢纤维增强混凝土由 于其在强度 、 韧性和抗裂性等方面的优 良性能 已被 成功应用于房屋建筑、 道路桥梁及各类结构加固工 程中D -3 。作者通过抗渗性和抗冻性试验研究了钢 纤维混凝土 的耐久性 ， 以期对其在水工结构 中的应 用提供参考 。 1 试验设计 1 1 原材料 试验所用原材料 为： 天柱牌 P 0 4 2 5普通硅 酸盐水泥 ， 来 自当地发电厂的 I 级粉煤灰 ， 细度模数 收稿 日期 ： 2 0 1 4 - 0 4 - 1 1 作者简介： 杜向琴( 1 9 8 1 一) ， 女， 甘肃I临洮人， 硕士， 讲师， 工程师 ， 主 要从事纤维复合材料方面的研究 。 基金项 目： 安徽省 自然科学研究项 目( K J 2 0 1 2 B 0 9 1 ) E m a i l ： d x q a q v t c c n 为 2 0的河砂 ， 粒径为 53 0 m m级配 良好 的碎石 ， S N F 萘系高效减水剂， 减水率在 1 5 以上。各主要 材料的技术性能见表 1 4 。 表 1 水泥的技术指标 Ta b l e 1 T h e t e c h n i c a l i n d e x o f p o r t l a n d c e me n t 表2 煤粉灰的技术指标 Ta b l e 2 Th e t e c h n i c a l i n d e x o f fly a s h 表 3 集料的技术指标 T a b l e 3 Th e t e c h n i c a l i n d e x o f a g g r e g a t e 表4 钢纤维的技术指标 Ta b l e 4 Th e t ech n i c a l i n d e x o f s t e e l fi b e r 四川建筑科学研究 第 4 1卷 1 2试验方案 混凝土设计强度为 C 4 0 ， 坍落度控制在 3 0 5 0 mm。基准 配合 比为 ： 水 胶 比 0 4 1 ， 胶 凝 材 料 4 7 5 k g m ， 细集料 5 8 8 k g m 。 ， 粗集料 1 1 4 2 k g m ， 粉煤 灰掺量为胶凝材料的2 0 ， 减水剂掺量为胶凝材料 的 1 。根据文献 4 的研究 ， 为达到较好 的力学性 能 ， 本 试 验 钢 纤 维 掺 量 取 0 6 、 0 8 、 1 0 、 1 2 、 1 4 、 1 6 ， 分别用 S F C 0 6 、 S F C 0 8 、 S F C 1 0 、 S F C 1 2 、 S F C 1 4和 S F C 1 6表示 。 1 3试验方法 1 ) 抗渗试验： 采用上 口直径 1 7 5 mm、 下 口直径 1 8 5 m m、 高 1 5 0 m m的圆台试件， 每组 6个， 标养2 8 d ， 采用逐级加压法测试抗渗等级。试验水压从 0 1 MP a 开始 ， 每隔 8 h增加 0 1 MP a ， 直至 2 4 MP a ， 然 后劈裂试件测定渗水高度。 2 ) 抗冻试验 ： 采用 1 0 0 mm X 1 0 0 m m4 0 0 m m 棱柱体试件 ， 每组 3个 ， 标养 5 6 d后将 试件置 于 2 0 3 C 的水中浸泡4 d ， 再进行冻融试验。每冻融循 环 2 5次 ， 测定试 件 的相对 动弹性模量和质量 损失 率。 3 ) 钢纤维的分散 ： 本试验采用干湿拌合法 以保 证钢纤维在混凝土中均匀分散 ， 即先将粗 、 细集料按 比例投人搅拌机搅拌3 0 S ， 再按配合比加入钢纤维， 拌合9 0 S ， 最后加水搅拌 3 ra i n 。 2试验结果分析 2 1 抗渗试验 图 1 表示了混凝土试件在 2 4 MP a时的平均渗 水高度。可以看出： 混凝土渗水高度随钢纤维掺量 的增加呈减小的趋势 。这是 因为 ， 混凝土 的抗 渗性 能与其内部孔隙的大小和数量密切相关， 将具有良 好韧性和抗裂性 的钢纤维掺人混凝土后 ， 可提高 混凝土的密实性 ， 减小内部空隙， 抑制微裂缝的产生 和发展 ， 进而提高混凝土的抗渗性能。但随着钢纤 维掺量的提高 ， 新拌混凝土的流变性和和易性变差 ， 混凝土密实性和均匀性降低， 同时由于钢纤维与混 凝土的接触面增大 而引起 内部空隙增多 ， 弱化 了混 凝土的抗渗性能。在本试验 中， S F C 1 4试件 的抗渗 性最优。 2 2 抗冻试验 2 2 1 质量损 失率 质量损失率是评价混凝土抗冻性能的一项重要 指标 ， 主要反 映混凝土冻融循环后抵抗剥落的能力 。 图2 表示了钢纤维混凝土试件冻融破坏后的质量损 失率。由图 2可见 ： 1 ) 钢纤维混凝土的质量损失率随冻融循环次 P C S FC0 6 S F C0 8 S Fc1 0 S FC1 2 SF c1 4 SF C1 6 试件 图1 钢纤维混凝土的渗水高度 F i g 1 Th e s e e p a g e h e i g h t o f S F RC 数的增加而增大。1 2 5次循环以前， 素混凝土与钢 纤维混凝土质量损失率的变化规律基本一致， 钢纤 维对质量损失的抑制作用不明显； 1 2 5次循环以后， 素混凝土质量损失速度增大， 钢纤维混凝土质量损 失速度减慢， 说明钢纤维对混凝土抗冻性的增强作 用主要表现在后期 。 2 ) 在达到 2 5 0 次冻融循环时， 素混凝土的质量 损失率已超过 5 ， 试件破坏 ； 而达到 3 0 0次冻融循 环时， 钢纤维混凝土的质量损失率均不足 4 ， S F C 1 6的质量损失率仅 2 6 ， 约为 P C质量损失率 的一半， 可见钢纤维的掺人显著降低了混凝土的质 量损失率， 提高了混凝土抵抗冻融破坏的能力。 0 5 0 1 0 0 l 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 冻融循环次数 图 2 钢纤维混凝土的质量损失率 Fi g 2 Th e I l ll l O S S r a t e o f S F RC 2 2 2相对动 弹性模量 图 3为钢纤维混凝土试件冻融循环后的相对动 弹性模量。由图 3可见 ： 1 ) 相对动 弹性模量 随冻融循环次数 的增加 而 减小。1 2 5次循 环以前 ， 素混凝土 与钢纤维混 凝土 相对动弹性模量的变化规律基本一致 ， 相对动弹性 模量损失速度较小 ； 1 2 5次循环 以后 ， 混凝土相对动 弹性模量的损失加快， 且素混凝土的损失速度较钢 纤维混凝土要大。 2 ) 在达到 1 2 5次冻融融循环时， 素混凝土 的相 对动 弹 性 模 量 损 失 为 1 0 5 ， S F C 0 6 、 S F C 0 8 、 5 4 3 2 l O 静水鞲咖蜒 杜向琴， 等 ： 水工钢纤维混凝土抗渗性和抗冻性的研究 2 0 1 S F C 1 0 、 S F C 1 2 、 S F C 1 4和 S F C 1 6的相对 动弹性模量 损失分 别 为 9 3 、 7 8 、 8 、 5 9 、 4 5 和 3 4 ； 当达到 3 0 0次冻融循 环时 ， 素混凝土 的相对 动弹性模量损失 3 8 3 ， 钢纤维混凝土 的相对动 弹 性 模 量 损 失 分 别 为 3 3 6 、3 1 1 、 2 9 8 、 2 4 8 、 2 1 和 1 9 7 。可见 ， 钢纤 维混凝 土的相 对动弹性模量损失 明显小 于素混凝土 ， 且随钢纤维 掺量的增加 ， 相对动弹性模量损失减小。 1 0 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 00 25 0 3 0 0 冻融循环次数 图3 钢纤维混凝土的相对动弹性模量 Fi g 3 T h e r e l a tiv e d y n a mi c e l a s ti c mo d u l u s o f S F RC 3钢纤维作用机理 混凝土是一种多孔材料 ， 内部分布着数量繁多、 大小不一的孔隙， 它们对混凝土的工作性、 强度、 变 形、 抗渗及抗冻等性能影响很大。加之各种外界因 素引起的结构内部微裂纹和外部裂缝， 当存在水力 梯度时 ， 水及其他流体就会在结构 内发生渗透 ， 孔隙 率和孔径分布是决定渗透的关键 ， 也是影 响抗冻性 的最主要因素。 钢纤维具有 良好 的力学性能 、 韧性和抗裂性 ， 之 所以能显著改善混凝土的抗渗性和抗冻性， 主要是 因为 ： 第一 ， 数 目众多( 约 5 8 0 0 0根 m ) 的钢纤维在 混凝土中呈三维乱向分布， 能起到优化混凝土内部 孔结构 、 抑制早期微裂 缝产生 、 延缓裂缝 扩展 的作 用 ； 第二 ， 钢纤维 的掺人减 小 了混凝 土 内部孔 隙 率 ， 阻断或延长 了流体 的渗透路径- 7 ； 第三 ， 高弹模 的钢纤维提高了早期混凝土抗 拉强度 ， 大大减少了 混凝土在外力作用下的微裂缝； 第四， 通过改善施工 工艺 ， 钢纤维在混凝土中可达到最优的分散状态 ， 增 加了混凝土在冻融损伤过程中的能量损耗， 延缓了 破坏。 4 结 语 通过对钢纤维混凝土抗渗性能和抗冻性能的试 验研究 ， 可得 出如下结论 ： 1 ) 钢纤维对水工混凝 土的抗 渗性 能具有 明显 改善作用， 当掺量不超过 1 4 时， 混凝土抗渗性随 钢纤维掺量的增加而提高， 1 4 为本试验条件下的 最佳掺量。 2 ) 随冻融循环次数的增加 ， 钢纤维混凝 土的质 量损失率逐渐增大 ， 相对动弹性模量逐渐减小。1 2 5 次循环以前， 素混凝土与钢纤维混凝土的质量损失 率、 相对动弹性模量变化 的规律基本一致 ； 1 2 5次循 环以后 ， 素混凝土的质量损失和相对动弹性模量损 失速度明显较钢纤维混凝土快。 3 ) 达到 3 0 0次冻融循环时， 素混凝土 的质量损 失率超过 5 ， 相对动弹性模量损失达 3 8 3 ， 掺量 1 6 的钢纤维混凝土试件 的质量损失和相对动弹 性模量损失分别为 2 6 和 1 9 7 ， 约为素混凝土 的一半 。可见 ， 钢纤维 的掺人显著降低 了混凝土的 质量损失和相对动 弹性模量损失 ， 提高了混凝土抵 抗冻融破坏的能力。 参 考 文 献 ： 1 宋灿灿 钢纤维混凝 土在房屋建 筑工程 中的应用 J 建材 与 装饰 ， 2 0 1 2 ( 1 2 ) 2 林武坚 钢纤维混凝 土技术在路 桥施工 中的应用 J 技术 与 市场 ， 2 0 1 2， 2 0 ( 4) ： 1 0 5 1 0 7 3 刘玉智 论钢纤维混凝士技术在公路桥梁施工中的应用 J 四川建材 ， 2 0 1 2 ， 3 8 ( 2) ： l 1 1 一 l 1 2 4 杜向琴， 刘志龙 钢纤维混凝土力学性能的试验研究 J 丽水 学 院学报 ， 2 o 1 4 ( 2 ) 5 孙家瑛 应力作用下纤维混凝土抗渗特征研究 J 建筑材料 学报 ， 2 0 1 2， 1 5 ( 4 ) ： 4 7 4 4 7 7 6 赵国藩， 彭少民， 黄承逵 钢纤维混凝土结构 M 北京： 中国 建筑工业 出版社 ， 1 9 9 9 7 黄杰 混杂纤维混凝土抗渗性能试验研究 J 武汉工业学 院学报 ， 2 0 1 2， 3 1 ( 1 ) ： 7 1 - 7 4