何喬意

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

1 材料與方法

1.1 原材料

水泥：P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，細(xì)度5%(80 μm篩余)，平均比表面積325.3 m2/kg，平均密度3200 kg/m3，氯離子含量0.04%，初凝和終凝時(shí)間分別為3 h 57 min和5 h 31 min，28 d抗折和抗壓強(qiáng)度分別為8.7 MPa和44.2 MPa。

骨料：粗骨料粒徑大小為5～20 mm，玄武巖材質(zhì)，平均表觀密度2700 kg/m3，堆積密度1570 kg/m3，含泥量0.32%，空隙率45%，壓碎值3.73；細(xì)骨料為天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.5，空隙率39%，堆積密度1560 kg/m3，表觀密度2600 kg/m3，含泥量1.2%。

添加劑：聚羧酸減水劑，固含量為10%，平均減水率為25%；抗分散劑，UWB-Ⅱ 型，主要成分為丙烯酸丁腈共聚物。

纖維：聚乙烯醇纖維(PVA纖維)，直徑37 μm，長(zhǎng)度11 mm，抗拉強(qiáng)度1096 MPa，平均伸長(zhǎng)率6%，平均密度1.28 g/cm3，模量為29.4GPa；鋼纖維，剪切波浪形，直徑為290 μm，長(zhǎng)度32 mm，抗拉強(qiáng)度1270 MPa，平均伸長(zhǎng)率3.8%，平均密度7.8 g/cm3，模量為210 GPa。

1.2 試驗(yàn)方案

探討PVA纖維和鋼纖維對(duì)水下抗分散混凝土流動(dòng)性、抗分散性和強(qiáng)度等指標(biāo)的影響?；炷恋乃z比分為0.35和0.50兩種，在每種水膠比下，鋼纖維摻量分別為0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%，PVA纖維摻量分別為0%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%；水膠比為0.35時(shí)，抗分散劑摻量為2.0%，水膠比為0.5時(shí)，抗分散劑摻量為3.5%，減水劑摻量均為1.0%。具體試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 試驗(yàn)方案單方配合比情況 kg

1.3 試件制備

本文相關(guān)試驗(yàn)均按照《水下不分散混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5117—2021)中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。首先將膠凝材料、細(xì)骨料、粗骨料、纖維和抗分散劑等進(jìn)行干拌，攪拌時(shí)間為3 min，然后向干拌料中摻入1/2(減水劑+水)，繼續(xù)攪拌1.5 min，接著再向干拌料中摻入剩余1/2(減水劑+水)，再繼續(xù)攪拌1.5 min，制得不分散混凝土拌合物。將拌合物進(jìn)行水下澆筑成型，澆筑完2 d后拆模，然后將試件放入水槽中(水溫20℃)養(yǎng)護(hù)至對(duì)應(yīng)齡期進(jìn)行試驗(yàn)[1-3]。

1.4 試驗(yàn)內(nèi)容

主要進(jìn)行不同纖維摻量下混凝土的流動(dòng)性、抗分散性和強(qiáng)度試驗(yàn)[4]。流動(dòng)性試驗(yàn)主要包括新拌混凝土的坍落度和坍?dāng)U度，抗分散性試驗(yàn)主要包括懸濁物含量測(cè)試和濁度測(cè)量，強(qiáng)度試驗(yàn)主要包括28 d養(yǎng)護(hù)齡期下的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。

2 鋼纖維對(duì)性能的影響

2.1 鋼纖維對(duì)流動(dòng)性影響

不同鋼纖維摻量下水下抗分散混凝土的坍落度和坍?dāng)U度對(duì)比見圖1。從圖1中可知：在相同水膠比下，隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土的坍落度和坍?dāng)U度均呈逐漸減小的變化特征，且下降幅度會(huì)越來越大，這是因?yàn)槔w維具有更大比表面積，需要更多的砂漿和膠凝材料進(jìn)行包裹，同時(shí)鋼纖維增強(qiáng)了與骨料和膠凝材料的咬合力，導(dǎo)致漿液的流動(dòng)性降低；當(dāng)水膠比為0.35和0.50時(shí)，將鋼纖維摻量由0%增至1.00%后，坍落度分別下降了31%和35%，坍?dāng)U度分別下降了39%和38%，水膠比較小的試驗(yàn)組流動(dòng)性下降幅度更大。

圖1 鋼纖維對(duì)混凝土流動(dòng)性的影響規(guī)律

2.2 鋼纖維對(duì)抗分散性影響

不同鋼纖維摻量下水下抗分散混凝土的懸濁物含量和濁度值對(duì)比見圖2。從圖2中可知：在相同水膠比下，隨著鋼纖維摻量的增加，懸濁物和濁度值均呈逐漸減小的變化特征，這是因?yàn)閾饺脘摾w維后，可以黏聚更多的砂漿和膠凝材料，因而混凝土的抗分散性得到增強(qiáng)，纖維摻量越大，混凝土抗分散性提升幅度越大；水膠比為0.50時(shí)的懸濁物和濁度值的下降幅度明顯大于水膠比為0.35的下降幅度，前者懸濁物和濁度值分別降低了30.8%和23.9%，后者懸濁物和濁度值分別降低了12.9%和10.4%，這是因?yàn)榈退z比時(shí)，混凝土中的膠凝材料含量更多，更有利于與鋼纖維材料黏合，故而抗分散性下降幅度較小，當(dāng)鋼纖維摻量超過0.8%后，水膠比為0.50的混凝土抗分散性才會(huì)強(qiáng)于水膠比為0.35的試驗(yàn)組。

圖2 鋼纖維對(duì)混凝土抗分散性的影響規(guī)律

2.3 鋼纖維對(duì)強(qiáng)度影響

不同鋼纖維摻量下水下抗分散混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度對(duì)比見圖3。從圖3中可知：在相同水膠比下，隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土的28 d抗壓和抗折強(qiáng)度均近似呈線性增大的變化特征；相較于不摻鋼纖維試驗(yàn)組，當(dāng)摻入1.0%的鋼纖維后，水膠比為0.35和0.50的試驗(yàn)組抗壓強(qiáng)度分別增加了34%和35%，抗折強(qiáng)度分別增加了40%和42%；相同鋼纖維摻量下，水膠比越低，強(qiáng)度越高。

圖3 鋼纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響規(guī)律

3 PVA纖維對(duì)性能的影響

3.1 PVA纖維對(duì)流動(dòng)性影響

不同PVA纖維摻量下水下抗分散混凝土的坍落度和坍?dāng)U度對(duì)比見圖4。從圖4中可知：隨著PVA纖維增加，混凝土的流動(dòng)性也是呈逐漸減小的變化特征，當(dāng)PVA纖維由0%增至0.25%時(shí)，水膠比0.35和0.50試驗(yàn)組的坍落度分別降低了45%和41%，坍?dāng)U度分別降低了44%和41%，這是因?yàn)镻VA纖維表面存在大量的親水基團(tuán)羥基，因而親水性很強(qiáng)，可以保證骨料被牢牢吸附住，使得漿液更加黏稠。水膠比對(duì)坍落度的影響不大，但對(duì)坍?dāng)U度有一定影響，水膠比大的試驗(yàn)組坍?dāng)U度大。

圖4 PVA纖維對(duì)混凝土流動(dòng)性的影響規(guī)律

3.2 PVA纖維對(duì)抗分散性影響

不同PVA纖維摻量下水下抗分散混凝土的懸濁物和坍濁度值對(duì)比見圖5。從圖5中可知：在相同水膠比下，隨著PVA纖維摻量增加，懸濁物和坍濁度值也是呈逐漸減小的變化特征，PVA摻量越大，下降幅度越大，表明混凝土的抗分散性越來越強(qiáng)；與鋼纖維表現(xiàn)一致的是，PVA纖維對(duì)水膠比大的抗分散性的影響程度要明顯大于對(duì)水膠比小的影響程度。

圖5 PVA纖維對(duì)混凝土抗分散性的影響規(guī)律

3.3 PVA纖維對(duì)強(qiáng)度影響

不同PVA纖維摻量下水下抗分散混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度對(duì)比見圖6。從圖6中可知：相同水膠比下，隨著PVA纖維摻量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度呈先增大后減小的變化特征，水膠比越大，強(qiáng)度越低，當(dāng)PVA摻量為0.15%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，當(dāng)PVA摻量為0.10%時(shí)，抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值。

圖6 PVA纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響規(guī)律

4 經(jīng)濟(jì)性分析

由于水下混凝土一般要求坍落度為210～250 mm，坍?dāng)U度為430～470 mm，因此從滿足流動(dòng)性這一條件，再確保其他性能達(dá)到最佳的基礎(chǔ)上，在每種水膠比下各優(yōu)選了一組鋼纖維和PVA纖維的最佳配合比，見表2。查閱相關(guān)資料，對(duì)不分散的原材料價(jià)格進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果為：水泥520元/t，天然河砂360元/t，粗骨料240元/t，抗分散劑價(jià)格15 000元/t，聚羧酸減水劑價(jià)格為18 000元/t，鋼纖維價(jià)格為9000元/t，PVA纖維價(jià)格為18 000元/t，將表1中的材料用量乘以價(jià)格，可以得到優(yōu)選配合比的材料造價(jià)，從經(jīng)濟(jì)性來講：選用PVA纖維進(jìn)行水下抗分散混凝土改良的經(jīng)濟(jì)性要高于鋼纖維，且當(dāng)水膠比為0.35，PVA纖維摻量為0.15時(shí)的經(jīng)濟(jì)性最佳。

表2 不同優(yōu)選配合比經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

5 結(jié) 論

(1)不管是摻入鋼纖維還是摻入PVA纖維，起到提升不分散混凝土抗分散性和強(qiáng)度的效果，但也會(huì)降低混凝土的流動(dòng)性。

(2)隨著纖維摻量的增加，混凝土的抗分散性越來越好，強(qiáng)度隨著鋼纖維摻量增加呈線性增大趨勢(shì)，隨著PVA纖維摻量增加呈先增大后減小變化趨勢(shì)，并在0.15%和0.10%時(shí)，抗壓和抗折強(qiáng)度分別達(dá)到最大值。

(3)在滿足流動(dòng)性指標(biāo)前提下，優(yōu)選了4組水下抗分散混凝土配合比，并對(duì)其進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，結(jié)果表明：當(dāng)水膠比為0.35，PVA纖維摻量為0.10%時(shí)，水下抗分散混凝土造價(jià)最低，宜在工程中予以優(yōu)先選用。