1、 133 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）掺纤维水工混凝土性能影响研究孟庆宇（凌海市水利事务服务中心，辽宁 凌海 121200）摘 要：文章利用改性木纤维、玻璃纤维、木纤维和玄武岩纤维改良水工混凝土裂缝修补材料，探讨了掺纤维混凝土的工作性能、力学性能、拉伸黏结强度和干燥收缩变形特征。结果表明：玄武岩纤维与其它种类纤维相比能够更加突出裂缝修补材料的性能，掺 1.0%玄武岩纤维时裂缝修补材料的抗压、抗折和拉伸黏结强度最高，工
2、作性能较好，其早期变形从收缩转变成微膨胀，对于密实填充混凝土裂缝具有显著作用。关键词：纤维种类；裂缝修补；水工混凝土；试验分析中图分类号：TV431文件标识码：B由于特殊的外界环境和使用条件，水工混凝土在有害离子侵蚀、低温冻融循环以及干湿交替等作用下极易产生开裂破损，对水工构筑物的长效运行造成严重影响，为有效控制裂缝的持续扩大必须及时修补裂缝1-2。目前，有机树脂类是比较常用的修补材料，这类材料的修补效果较高，但也存在着易老化、价格高等许多问题，对于大范围裂缝修补工程的适用性较差。因此，在工程成本控制上选用有机物质和无机胶凝材料混合配制的裂缝修补材料更加有利，势必成为材料领域的发展趋势3-5。
3、本文将减水剂、憎水剂、消泡剂、纤维、可分散性乳胶粉、石英石粉等外加剂掺入硫铝酸盐水泥基材，通过配制新型裂缝修补材料探讨了不同纤维掺量、种类，对力学性能和工作性能的影响，旨在为快速修补水工混凝土裂缝提供科学依据。1 试验方法1.1 原材料准备试验所用原材料主要有缓凝剂、减水剂、憎水剂、消泡剂等外加剂，改性木纤维、玻璃纤维、木纤维和玄武岩纤维，以及可分散性乳胶粉、石英石粉、硫铝酸盐水泥等。1）外加剂：试验选用易溶于水的白色结晶型柠檬酸缓凝剂；苏博特PCA-聚羧酸高效减水剂，固含量 28%，平均密度 1.16g/mL，减水率 30%；GT 液态硅烷基憎水剂，体积密度 600g/L，粒径不超过 500
4、m；Lencolo2108 型干粉消泡剂，主要成分为丙酸酯共聚物，堆积密度 600kg/m3，平均粒径700m。2）纤维：试验选用白色粉末状改性木纤维，分散性高达99%，体积密度45g/L，平均长度2.8m；玻璃纤维弹性模量106GPa，长度35mm，密度2560kg/m3，断裂伸长率2.7%，抗拉强度2800MPa；白色粉末状B200型木质纤维，分散性96%，体积密度48g/L，平均长度2.7m；玄武岩纤维弹性模量110GPa，长度710mm，密度2720kg/m3，断裂伸长率2.6%，抗拉强度3860MPa。3）掺合料：可分散性乳胶粉最低成膜温度0，灰分 8%12%，堆积密度 500700
5、kg/m3；石英石粉的莫氏硬度 8，SiO2含量 95%，密度 2660kg/m3，粒径 80120 目，熔点 1770；硫铝酸盐水泥的28d 抗折、抗压强度 7.5MPa 和 73.2MPa，初凝、终凝时间 60min 和 180min，标稠用水量 50%。1.2 试验方案试验基材以硫铝酸盐水泥为主，探讨不同纤维收稿日期 2022-12-09作者简介孟庆宇（1972-），男，辽宁凌海人，高级工程师。文章编号:1007-7596（2023）01-0133-04DOI:10.14122/ki.hskj.2023.01.022 134 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1
6、.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）掺量和种类对裂缝修补材料的干燥收缩性能、拉伸黏结强度、抗折强度、抗压强度、流动度以及凝结时间的影响。设定试验对照组为不掺任何纤维的 A组，掺 0.5%、1.0%、1.5%玄武岩纤维组为 B、C、D组，掺1.0%木纤维、玻璃纤维、改性木纤维为E、F、G 组，掺 0.5%改性木纤维和 0.5%玄武岩纤维组为H 组。各试验组的其它材料掺入情况相同，减水剂、憎水剂、消泡剂掺量为 0.5%、1.0%、2.0%，石英石粉掺量 10%，具体如表 1 所示。表 1
7、裂缝修补材料配合比设计 单位：kg/m3编号 水水泥 胶粉/%石英石粉/%改性木纤维/%玻璃纤维/%木纤维/%玄武岩纤维/%减水剂/%憎水剂/%消泡剂/%A301201.01000000.51.02.0B301201.0100000.50.51.02.0C301201.0100001.00.51.02.0D301201.0100001.50.51.02.0E301201.010001.000.51.02.0F301201.01001.0000.51.02.0G301201.0101.00000.51.02.0H301201.0100.5000.50.51.02.01.3 试验方法依据水泥胶砂干
8、缩试验方法、混凝土界面处理剂、水泥胶砂强度检验方法、水泥胶砂流动度测定方法和水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法等要求，测定各试验组裂缝修补材料的干燥收缩率、拉伸黏结强度、抗折与抗压强度、流动度、凝结时间等。2 结果与分析2.1 各组工作性能依据不同配合比配制的裂缝修补材料流动度、凝结时间测试结果如表 2 所示。结果表明，掺玄武岩纤维(B、C、D 组)的裂缝修补材料初凝、终凝时间较试验对照组(A 组)，都有所延长，这是由于玄武岩纤维的水分吸附能力较强，水化时可以优先吸附水分，在一定程度上抑制水泥水化，但随着水化的持续进行这部分被吸附的水分逐渐释放，促进水泥的持续水化；掺玄武岩纤维的裂缝
9、修补材料初始流动度明显减小，从最初的 240250mm(A 组)大幅减小到 150165mm(B、C、D 组)，30min 后从110120mm(A组)减小到65100mm(B、C、D组)，表明玄武岩纤维的掺入会提高材料的稠度6。表 2 工作性能试验数据编号初凝/min终凝/min初始流动度/mm30min 后流动度/mmA40457080240250110120B556011012016016590100C50551201301501607585D50551351401601656575E5256175195230240120130F5256175195230240120130G607019
10、0200210220110120H5560180190190200100110掺木纤维试验组(E组)的终凝时间较对照组(A组)提高近 200%，这是由于木纤维难溶于水，在水中的分散性较差且水分吸附能力较低，所以木纤维的掺入使得终凝时间延长，极易产生泌水现象，但不会对流动度造成较大影响。掺玻璃纤维试验组(F组)的初凝、终凝时间较对照组(A组)有所延长，其初始流动度、30min 后流动度和终凝时间与掺木纤维组(E 组)相差不大，未发现泌水现象，但玻璃纤维的掺入会产生许多难以消除的气泡，对材料的修补性能造成不利影响7。掺改性木纤维试验组(G 组)的初凝、终凝时间较掺木纤维组(E 组)进一步延长，但流
11、动度减小，混掺改性木纤维和玄武岩纤维试验组(H 组)的流动度、凝结时间较单掺改性木纤维组(G 组)有所减小。2.2 力学性能分析试验分析空白对照组和掺 1%纤维试验组的修补材料 28d 强度，如图 1 所示。图 1 裂缝修补材料的强度变化从图 1 可以看出，掺入纤维会在不同程度上降低裂缝修补材料的抗压强度，其中掺玻璃纤维试 135 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）验组(F 组)的抗压强度降幅最高，较空白对照组减小 48.
12、2%。究其原因，掺入的纤维具有乱向分布特性，若搅拌不均匀极易产生泌水，并进一步使得浆体出现分层；此外，在水化形成的碱性环境中，掺入的纤维会形成许多难以消除的气泡，致使试件内部出现空腔或薄弱结构，对修补材料强度造成影响8。然而掺入改性木纤维或玄武岩纤维，由于纤维具有较高的弹性模量和抗拉强度，与空白对照组相比其抗折强度有所增加，尤其是掺玄武岩纤维试验组(C 组)抗折强度提高 50.0%，抗压强度降幅最小约 18.8%。依据上述分析结果，综合性能表现优异的是掺玄武岩纤维组，所以对裂缝修补材料利用玄武岩纤维加以改性，试验结果见图 2。结果表明，掺不同量的玄武岩纤维均会在一定程度上降低裂缝修补材料强度，
13、抗折强度则表现出先上升后下降的变化趋势。具体而言，掺 1%玄武岩纤维的修补材料抗折强度最高，抗压强度降幅最小，究其原因是掺入过量纤维会使得纤维的分布不均，从而产生内部缺陷，引起应力集中现象，不利于抗折强度的提升。图 2 不同玄武岩纤维掺量的强度2.3 拉伸黏结强度裂缝修补材料拉伸黏结强度随不同玄武岩掺量的变化特征，如图 3 所示。结果表明，裂缝修补材料拉伸黏结强度随玄武岩纤维掺量的增加表现出先上升后下降的变化趋势，掺 1%玄武岩纤维时拉伸黏结强度最高。究其原因是玄武岩纤维的抗拉强度明显高于硫铝酸盐水泥，将 57mm 长的纤维掺入硫铝酸盐水泥中会发挥较好的“增韧”作用，这在一定程度上提高了拉伸黏
14、结强度，同样若掺量过高则会因搅拌不均而产生原生缺陷，对拉伸黏结强度的提升造成不利影响9。00.10.20.30.40.50.60.70.800.511.5玄武岩纤维掺量/%拉伸黏结强度/MPa图 3 不同玄武岩纤维掺量的拉伸黏结强度变化2.4 干燥收缩变形为达到更好的修复效果，裂缝修补材料的变形性能必须优于被修补的混凝土，单位长度上裂缝修补材料变形率受不同玄武岩掺量的影响见图 4。结果显示，028d 内未掺玄武岩纤维的裂缝修补材料呈收缩状态，而掺玄武岩纤维时则转变成膨胀状态，并且单位长度变形率随着纤维掺量的增加呈减小趋势。究其原因，将玄武岩纤维掺入裂缝修补材料中会形成网络织构体，在水泥硬化过程
15、中这些网络织构体发挥着保水束水作用，有利于减小早期失水速率，消除或降低收缩变形；持续增大纤维掺量，则浆体与纤维之间的黏结拉应力不断增大，变形开始趋于稳定，玄武岩纤维的掺入发挥着持续提供体积微膨胀的作用10-12。图 4 不同玄武岩纤维掺量的变形率变化3 结 论通过试验研究对比分析了不同掺量、种类纤维改性水工混凝土裂缝修补材料的性能，主要结论如下：1）在裂缝修补材料中掺入纤维有利于改善其工作性能，延长凝结时间，但玻璃纤维或木纤维的掺入会引起泌水现象，因产生大量气泡而影响材料 136 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang
16、 Hydraulic Science and Technology （Total No.51）的强度，对于改良裂缝修补材料玄武岩纤维的适用性更好。2）掺 1%玄武岩纤维时裂缝修补材料的黏结拉伸强度、抗折强度最高，变形由原来的收缩转变成微微膨胀，具有持续提供体积微膨胀的良好作用。参考文献：1 苏骏，郑辉，郭旺，等PVA 纤维与织物复合增强水泥基材料弯曲韧性研究 J.混凝土与水泥制品，2019(05):48-532 李光伟.纤维素纤维在水工抗冲磨高性能混凝土中的应用 J.水利水电技术，2011，42(10):124-1273 彭子凌，李响，陈霞，等.混凝土水下裂缝快速修补环保材料试验研究 J.人民长江，2021，52(08):208-2134 宋文浚.聚丙烯短纤维水工混凝土力学性能试验研究 J.山西水利科技，2018(04):36-385 王志旺，杨鼎宜，王金辉，等聚丙烯腈纤维混凝土耐久性能试验研究 J.混凝土与水泥制品，2019(11):49-526 李瑞混凝土建筑材料中高弹性环氧基裂缝修补材料的应用分析 J.粘接，2020(41):107-110.7 李海洪，陈昊翔，邓春林碳纤维修复混