纤维对水工混凝土抗渗性能的影响研究.pdf

第 1 1 卷O 2 期 2 0 J 3年 6月 南水北调与 水利 科技 S o u t h t o - N o r t h Wa t e r T r a n s f e r s a n d Wa t e r S d e n c e & T e c h n o l o g y Vo 1 1 1 No 0 2 J u n 2 0 1 3 纤维对水工混凝 土抗渗性 能的影响研究 张昀保 ， 徐贵荣 ， 张心欣 ， 王 蕾 ( 1 河北省水利科学研究院， 石家庄 0 5 0 0 5 7 ； 2 河北省石津灌区管理局， 石家庄 0 5 0 0 5 1 ) 摘要： 通过物理试验研究了单独掺加不同掺量聚丙烯纤维和钢纤维对水工混凝土抗渗性能的影响。试验结果表明： 在一定掺量范围内， 聚丙烯纤维混凝土和钢纤维混凝土的抗渗性能均优于基准混凝土； 聚丙烯纤维对水工混凝土抗 渗性能的提高较为显著； 当聚丙烯纤维的掺量为 1 k g ma 时， 对水工混凝土抗渗性能改善效果最好， 经过 2 4 h持续 加压 1 2 MP a 后渗透高度仅为 1 1 c m， 相对渗透系数为 5 6 2 1 0 c m h 。 关键 词 ： 水工 昆 凝 土 ； 抗渗性能 ； 钢纤维 ； 聚丙烯纤维 中图分类号： T U5 2 8 文献标识码： A 文章编号： 1 6 7 2 1 6 8 3 ( 2 0 1 3 ) 0 0 2 0 0 9 0 0 3 Ef f e c t s St u dy o f Fi b e r s o n I mpe r me a bi l i t y o f Hy d r a ul i c Co n c r e t e Z H ANG Yu n - b a o ， XU Gu i r o n g ， ZHANG Xi n - x i n ， W ANG Le i ( 1 He Pr o v i n c i a l Ac a d e my o fWa t e rR e s o u r c e s ， S h ij i a z h u a n g 0 5 0 0 5 7 ， C h i n a： 2 T h e Ad mi n i s t r a t i v e Bu r e a u o f t h e S h i J i n I r r i g a t i o n Di s t r i c t o f He b e i Pr o v i n c e ， S h i j i a z h u a n g 0 5 0 0 5 1 ， Ch i n a ) Ab s t r a c t ： Th e p hy s i c s e xp e r i me n t a l r e s e a r c h i s c a r r i e d o ut a i mi n g a t dif f e r e n t c o n t e nt s o f p o l y p r o p y | e ne f i b e r s a n d s t e e l f i b e r s o n imp e r me a bi l i t y o f h y d r a u l i c c o nc r e t e Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e i mp e r me a bi l i t y o f t wo - t y p e f ibe r s c o n c r e t e wa s b e t t e r t h a n o r d i n a r y c o n c r e t e i n a c e r t a i n d o s a g e r a n g e Th e i mp r o v e me n t o f p o l y p r o p y l e n e f i b e r s o n i mp e r me a b i l i t y o f h y d r a u l i c c o n c r e t e i s mo r e n o t a b l e Ad d i n g 1 k g m。 p o l y p r o p y l e n e f i b e r s c o u l d a c h i e v e t h e b e s t i mpr o v i n g e f f e c t o f imp e rm e a bi l i t y o f hy d r a u l i c c o n c r e t e ，a f t e r 2 4 h o ur s o f c o n t i n u o u s p r e s s u r e 1 2 MPa t h e p e n e t r a t i o n h e i g h t w a s o f o n l y 1 1 c m。t h e r e l a t i v e p e rm e a b i l i t y c o e f f i c i e n t wa s 5 6 2 1 0 一c m h Ke y wo r d s ： h y d r a u l i c c o n c r e t e ； i mp e rm e a b i l i t y ； s t e e l f i b e r s ； p o l y p r o p y l e ne f i b e r s 水利工程建设需要大量的建筑材料， 其中对普通混凝土 的需求量最大， 在各种类型发电、 泄洪、 输水、 挡水等水利水 电工程建筑物的主体结构材料中广泛应用混凝土。然而， 在 我国华北、 西北和东北等寒冷和严寒地区， 由于水利水电工 程枢纽建筑物与水长期直接接触， 所以对水利水电工程所用 的混凝土抵抗压力水渗透的能力有严格要求。纤维是一种 新型建筑材料， 在我国部分水利水电工程建设中， 已经得到 一 定的应用 ， 在混凝土结构工程 中加入适量的纤维材料， 可 以对基体混凝土起到阻裂和增韧的作用。随着我国新一轮 水利水电工程建设的大规模投入， 不同种类的纤维在水利水 电工程混凝土中的应用备受关注_ 1 _ 3 。已有相关研究表明， 钢纤维对混凝土的抗渗防裂效果较好， 但其制造成本较高， 价格较贵， 直接提高了工程成本。而最新研制出的聚丙烯、 聚乙烯醇等新型混凝土增强纤维属于合成纤维类， 这类纤维 价格较低 ， 但相对于钢纤维， 合成纤维的弹性模量等强度指 标也有所降低 。 。本文通过进行混凝土抗水渗透试验， 探 究不同掺量的聚丙烯纤维和钢纤维对混凝土抗渗性能的影 响， 以期为新型合成纤维在水利水电工程中的应用提供技术 一E的支持 。 1 试验方法 1 1 试验原材料 水泥采用河北省奎 山水 泥集 团公 司生 产 的 P O 4 2 5 级水泥， 其主要物理实验性能见表 l 。粉煤灰采用石家庄裕 华热电厂生产的 I级粉煤灰， 其主要化学成分见表 2 。细集 料采用河砂， 表观密度 2 7 1 7 k g ms ， 细度模数 2 7 2 ， 属于中 砂。粗集料采用碎石， 粒径 5 4 O n l r n ， 连续级配碎石， 表观 密度 2 6 8 5 k g ms ， 压碎指标 8 7 。外加剂采用聚羧酸系高 效减水剂。纤维采用聚丙烯纤维( P P F ) 和钢纤维( S F ) ， 两类 纤维的主要物理性能指标见表 3 。 1 2试验 配合 比 根据理论计算公式同时结合实际工程经验， 所采用的试 验配合比见表 4 。其中， 0组为基准混凝土组( 未掺加纤维) ， 聚丙烯纤维( P P F ) 和钢纤维( S F ) 分别按三种不同掺量以外 掺的方式掺入基准混凝土。 1 3试验 测试 方法 混凝土的抗渗性能是指混凝土材料抵抗压力水渗透的 能力， 它是决定混凝土耐久性最基本的因素。参照 S L 3 5 2 一 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 4 0 7 修 回日期 ： 2 0 1 3 0 4 2 7 作者简介 ： 张昀保( 1 9 7 8) ， 男 ， 河北故城人 ， 工程师 ， 主要从事工程质量检测及大坝安全监测方 面的研究 。E - ma i l ： 9 4 7 4 2 0 1 q q c o m 9 0 试 薪鞠 m H 嘲 8 麟 张昀保等 纤维对水工混凝土抗渗性能的影响研究 种类 长度 m m 直径 m 长径比 抗拉强度 MP a 弹性模量 MP a 极限拉伸( ) 密度 ( g c r n -。 ) 表 4 试验配合比 k g m3 2 0 0 6 水工混凝土试验规程 中规定的混凝土相对渗透性试 验方法， 测定混凝土在恒定水压下的渗水高度， 计算相对渗 透性系数， 比较不同混凝土的抗渗性 。 抗渗试验试件采用 6 个尺寸为 1 8 0 ( 1 7 5 ) mm1 5 0 n l r f l 的圆台形试件， 将每组 6 个抗渗试件安装在混凝土抗渗试验 仪上， 将抗渗试验仪水压力一次加到 1 2 MP a ， 同时开始记 录时间( 准确至mi n ) 。在此压力下恒定 2 4 h ， 然后降压， 从试 模中取出试件。在试件两端面直径处， 按平行方向各放一根 钢垫条， 用压力机将试件劈开。将劈开面的底边 1 0等分， 在 各等分点处量出渗水高度( 试件劈开后 ， 过 2 3 mi n即可看 出水痕， 此时可用笔划出水痕位置， 便于量取渗水高度) 。以 各等分点渗水高度的平均值作为该试件的渗水高度。渗透 系数的计算由式( 1 ) 表示 ： 旦 n r 2 TH ( 1 ) 式中， K 为相对渗透性系数( c m h ) ； 为平均渗水高度 ( c m) ； H 为水压力， 以水柱高度表示 ( c m) ； T为恒压时间 ( h ) ； 口为混凝土的吸水率， 一般为 0 0 3 。 2 试 验结果与分析 2 1 聚 丙烯纤维( P P F ) 对水工混凝土抗渗性能的 影响 本试验研究不同掺量的聚丙烯纤维对混凝土抗渗性能 的影响规律 ， 试验结果见图 1 。 从图 1可以看出， 3 组掺人聚丙烯纤维的混凝土试件的 相对渗透系数较基准混凝土试件均有减小， 这说明在混凝土 中掺入一定量的聚丙烯纤维后， 混凝土试件的抗渗性能有明 显提高 ； 在试验所选定的聚丙烯掺量变化范围内， 当掺量为 1 k g m3 时， 混凝土相对渗透系数最小 ， 即抗渗性最高， 这说明 掺量为 1 k g m3的时候， 聚丙烯纤维对水工混凝土抗渗性能 提高最为显著， 在经过 2 4 h持续加压 1 2 MP a后渗透高度 仅为 1 1 c m， 相对渗透系数为 5 6 2 1 0 一c m h 。 I_ 1 _ - 0 P P 1 P PF 2 P P 3 试 件编号 图 1 不 同掺量聚 丙烯 纤维 混凝 土的相对渗透 系数 所设计的3种试验配合比下， 当混凝土抗渗试件中掺加 了聚丙烯纤维后， 其抗渗性能较基准组混凝土抗渗试件均有 不同程度的提高， 综合试验实测数据和前期工程经验分析 ， 对试验结果产生的原因做如下解析： 在试验现场新拌制的流 动态混凝土中， 由于聚丙烯纤维具有合成纤维的性质， 它的 强度和弹性模量要高于流动的水泥浆强度和弹性模量 ， 所以 在混凝土早期处于流动状态的时期， 聚丙烯纤维具有较好的 早期阻裂效应； 聚丙烯纤维的特点是密度较小， 直径较短， 因 此， 在混凝土当中掺入聚丙烯纤维之后， 抗渗试件内部的单 位体积内分布个数较多， 分布范围较广， 继而从整体上更好 的抑制了混凝土内部开裂， 混凝土内部裂缝则直接关系到混 凝土抗渗性能的优劣， 裂缝的减少阻碍了混凝土内部压力水 的渗入， 可提高混凝土的抗渗性能； 混凝土经过一定时间的 水化反应硬化后， 在试件内部均匀而又广泛分布的聚丙烯纤 维可以有效缓解混凝土试件在压力水渗入过程中引起的内 应力， 从而限制了试件内部微裂缝的扩展。所以聚丙烯纤维 的掺量在一定范围内时， 对混凝土抗渗性能改善明显。 从图 1可以看出， 混凝土试件的抗渗性能并不是随着聚 丙烯纤维掺入量的增大而提高。试验结果表明， 聚丙烯纤维 在混凝土中存在一个最佳掺量， 即聚丙烯纤维掺量为 1 k g m 3 的时候， 混凝土抗渗性能最好。这种现象产生的主要原因是 聚丙烯纤维对混凝土抗渗性能具有双面效应 。一方面， 聚丙 烯纤维的韧性和广泛分布性具有较好的阻裂效应 ， 可以减少 混凝土试件内部的有害裂缝， 提高混凝土的抗渗性能。另一 方面， 由于聚丙烯纤维表面具有憎水性， 在混凝土内部结构 体系中， 聚丙烯纤维与混凝土基本材料界面过度区域的结构 9 1 0 7 ：2 6 4 一 q _ l 】 蜷蝌霉 莨且 聿 第 1 1 卷 0 2 期 南水北调与水利科技 2 0 1 3年 6月 松散 ， 且界面水灰比较高， 呈现出弱界面效应， 所以， 当聚丙 烯纤维掺量较高时， 混凝土内部弱界面就会增多， 对混凝土 抗渗产生不利影响。 2 2 钢纤维( S F ) 对混凝土抗渗性能的影响 本试验研究不同掺量的钢纤维对混凝土抗渗性能的影 响规 律 ， 试验结果见图 2 。 8 5 ， I 8 7 5 妻， 蠢 1 j 5 s 6 嚣 5 5 _ 襄5 d 5 聚丙烯纤维掺量较高时， 对 昆 凝土抗渗性能产生负作用。 ( 2 ) 在混凝土中掺入钢纤维， 可以有效抑制混凝土内部 缝隙的产生， 钢纤维的掺量过大时反而会降低混凝土的抗渗 性能 。 参考文献 ： 1 马一平， 谈慕华 聚丙烯纤维水泥基复合材料物理力学性能研 究 ( I) ： 抗塑性干缩开裂 J 建筑材料学报， 2 0 0 0 ， 3 ( 1 ) ： 4 8 5 2 1- 2 姚武 ， 李杰 聚丙烯纤维对混凝土抗拉强度 的影 响 J 混凝土 ， 2 0 0 1， ( 1 0 )： 4 O 一 4 2 3 季斌， 余红发， 麻海燕， 等 三维编织钢纤维增强混凝土的冲击 压缩性能口 硅酸盐学报 ， 2 0 1 0 ， ( 4 ) ： 6 4 4 6 5 1 4 李国忠， 高子栋， 马庆宇 聚丙烯纤维和有机乳液复合改性脱硫 建筑石膏 J 建筑材料学报， 2 0 1 0 ， 1 3 ( 4 ) ： 4 3 0 4 3 4 5 Ch o D， Z h o u H， C h o Y， e t a 1 S t r u c t u r a l P r o p e r t i e s a n d S u p e r hy dr o p ho b i c i t y o f El e c t r o s p u n Po l y p r o p y l e n e F i be r s f r o m S o l u t i o n a n d Me l t J P o l y me r ， 2 0 1 0 ， 5 1 ( 2 5 ) ： 6 0 0 5 6 0 1 2 r 6 Wa n a s e k a r a N， C h a l i v e n d r a V， C a l v e r t P S u b - mi c r o n S c a l e Me c h a ni c a l Pr o p e r t i e s o f Po l y p r o p y l e n e Fi b e r s Ex p o s e d t O Ul t r a v i o l e t a n d T h e r ma l D e g r a d a t io n J P o l y me r D e g r a d a t i o n a n d S t a bi l i t y ， 2 01 1 ， 9 6 ( 4 )： 4 3 2 4 3 7 7 Wa n g C， H s i e h T C ， C h e n g Y W S o l u t io n - e l e c t r o s p u n l s o t a c t i c Po l y p r o p y l e n e Fi b e r s ： Pr o c e s s i n g a n d Mi c r os t r u c t u r e De v e l o p me n t D u r i n g S t e p wi s e An n e a l i n g J Ma c r o mo l e c u l e s ， 2 0 1 0 ， 4 3 ( 2 1 )： 9 02 2 9 0 2 9 8 季斌， 余红发， 麻海燕， 等 三维编织钢纤维增强混凝土的冲击 压缩性能 J 硅酸盐学报， 2 0 1 0 ， ( 4 ) ： 6 4 4 6 5 1 9 3 C u i X Y， Gu Z Y， J i a n g D Q， e t a 1 I n S i t u Hy d r o t h e r ma l G row t h o f Me t a l Or g a n i c Fr a me wo r k 1 9 9 F i l ms o n S t a i n l e s s S t e e l Fi b e r s f o r S o l i d - Ph a s e Mi c r o e x t r a c t i 0 n o f Ga s e o u s Be n z e ne Ho mo l o g u e s J An a l y t i c a l C h e mi s t r y ， 2 0 0 9 ， 8 1 ( 2 3 ) ： 9 7 7 1 9 7 7 7 1 O K i m D J ， E 1 一 T a w i l S ， N a a m a n A E E f f e c t o f Ma t r i x S t r e n g t h o n Pu l l o u t B e h a v i o r o f Hi g h St r e n g t h De f o r me d S t e e l F i b e r s 口 A C I S p e c i a l P u b l i c a t i o n ， 2 0 1 0 ， 2 7 2 ( 7 ) ： 1 3 5 1 5 0 ( 上接 第 8 9页) 载试验法。根据规范要求并结合工程条件， 成桩 2 8 d后， 随 机选桩 6根， 其 中闸室段 3根， 翼墙段 3根。根据试验曲线 特征， 在最大荷载作用下未达到极限状态， 6 根复合地基承载 力特征值分别为 1 5 6 k P a ， 1 6 2 k P a ， 1 7 7 k P a 和 1 2 7 k P a ， 1 3 6 k P a ， 1 2 8 k P a ， 均满足地基承载力特征值的设计要求。 根据以上数据发现， 试验得到的复合地基承载力特征值 均略大于计算值的 1 1 倍。从而验证了初步设计时， 计算公 式及参数的选取是合理的。 4 工程效果 后赵节制闸主体工程完工后， 通过 了通水验收， 并在 9 2 试 豁 薪 究 2 0 1 0年一2 0 1 1 年“ 引黄补淀” 工程中投入运用。同时， 运行 管理单位对闸室和翼墙的沉降、 位移进行了全过程观测。观 测成果显示， 工程在整个运用过程中， 各项观测指标均满足 规范和设计要求， 充分说明深层搅拌桩在后赵节制闸地基处 理中的应用是成功的。 参考文 献： 1 左东启 水工设计手册 ( 第一 卷) I- M 北京 ： 水利 电力 出版社 ， 1 9 8 3 2 尤丽刚 水泥土搅拌桩在后赵节制闸地基处理中的应用E J 山 西建筑 ， 2 0 1 1 ， 3 8 ( 9 ) ： 9 1 9 2