新型抗裂防渗水工混凝土基本性能及其配筋压力管研究(1.河北工业大学；2.大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室)
作者简介：田稳苓(1961-)，女，河北大城人，副教授，博士，研究方向：混凝土结构基本理论。
为解决大型储油和储水结构中的防渗问题，本文提出了一种兼具承重与防渗两项功能的新型混凝土——钢纤维膨胀混凝土，且其施工工艺与普通混凝土相同。钢纤维膨胀混凝土是以自应力硫铝酸盐水泥混凝土为基体，将钢纤维乱向分散于其中而形成的一种新型复合材料，以下简称为SFEC.其基本原理为：乱向分散于膨胀混凝土中的钢纤维，能有效地限制混凝土的膨胀变形，充分利用膨胀混凝土的膨胀变形特性及钢纤维的限胀增强和阻裂增强作用，使混凝土的抗拉强度、抗渗性及气密性得以提高和改善。此外，由于SFEC有足够的膨胀能来张拉钢筋产生化学预应力，使配筋SFEC结构构件抗裂、抗渗及耐久性得以很大的提高和改善；因此，SFEC可望在水工结构中推广应用。本文对其基本力学性能和膨胀变形性能，及其配筋轴拉试件的力学、变形性能进行了系统的试验研究和理论分析，研究成果将为这一新型复合材料的进一步深入研究和工程应用提供一定的试验数据和理论依据。
1 试验概况
1.1 材料、配比及试件养护 选用湖南冷水滩特种水泥厂生产的45Kg级硫铝酸盐自应力水泥，鞍山产剪切平直型钢纤维，平均长度为32mm、等效直径0.6mm、长径比53.细骨料河砂为中砂，粗骨料碎石为石灰岩，粒径5～15mm.日常自来水，管体配筋采用冷拔低碳钢丝。水泥用量为564kg/m3，水灰比为0.45，水泥、砂、石的质量比为1∶1.20∶1.68，试件编号如表1所示。试件成型后24h脱模，脱模后放入常温水中养护17d，然后在阴凉处继续浇水覆盖草袋在空气中养护至龄期65d.
表1 试件
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ρf(%) | 0.0 | 1.0 | 1.5 | 2.0 |
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试件 | E0 | E1 | E2 | E3 |
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1.2 试验方法 基本力学性能试验包括立方体抗压、劈拉、抗折强度和弯曲韧性。试件制作及试验均按照《钢纤维混凝土试验方法》(CECS13：89)[1]进行。鉴于我国尚无统一的膨胀变形测定方法[2]，膨胀收缩性能试验按文献[1]进行，试件尺寸为100mm×100mm×515mm，并分为自由膨胀试件和限制膨胀试件。自由膨胀试件在试件两端轴心处预埋测头；限制膨胀试件在试件中心加一根Φ12的钢筋(配筋率为ρs=1.13%)，且两端加焊限制钢板，与表1试件相对应的钢筋限制试件的编号为E0L、E1L、E2L和E3L，试件成型后按试验要求如期量测试件的变形。
为探讨配筋SFEC构件的轴拉力学及变形特性，本文选水工工程中最具代表性的压力水管作为试验模型，对配筋SFEC管状试件内压作用下的力学、变形性能进行试验研究和理论分析。管件内直径为500mm，外直径为610mm，高为300mm.试件共成型16组，每组成型2个试件，试件参数及编号如表2所示。采用强制式搅拌机拌合混凝土，之后将拌合物装入钢模，振捣成型。本试验采用橡胶水袋内压试验方法，通过自行设计、加工的环状试件内压加载设备，使试件沿轴向处于自由状态，保证试件只受环向拉力作用。试验装置及具体试验方法详见文献[3]。
表2 试件参数及编号
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序号 | 试件类型 | 编号 | ρf(%) | ρs(%) | 序号 | 试件类型 | 编号 | ρf(%) | ρs(%) |
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1 | | PE11 | 1.0 | 0.53 | 10 | 膨胀混凝土管 | PE00 | 0.0 | 0.0 |
2 | | PE21 | 1.5 | 0.53 | 11 | 钢纤维 | PE10 | 1.0 | 0.0 |
3 | | PE31 | 2.0 | 0.53 | 12 | 膨胀混 | PE20 | 1.5 | 0.0 |
4 | 配筋 | PE12 | 1.0 | 0.99 | 13 | 凝土管 | PE30 | 2.0 | 0.0 |
5 | SPEC管 | PE22 | 1.5 | 0.99 | 14 | 钢筋膨胀 | PE01 | 0.0 | 0.53 |
6 | | PE32 | 2.0 | 0.99 | 15 | 混凝土管 | PE02 | 0.0 | 0.99 |
7 | | PE13 | 1.0 | 1.22 | 16 | (自应力混凝土管) | PE03 | 0.0 | 1.22 |
8 | | PE23 | 1.5 | 1.22 | | | | | |
9 | | PE33 | 2.0 | 1.22 | | | | | |
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2 力学性能试验结果及分析
2.1 强度试验结果 试验测得的强度值如表3所示。试验结果表明，钢纤维体积率是其抗压性能的重要影响因素，随钢纤维体积率的增加，抗压强度增长很快。同时，钢纤维的掺入大大提高了膨胀混凝土的劈拉强度、极限抗折强度和抗折初裂强度。
2.2 强度增强效应及增强机理分析 强度提高系数K(%)=[(钢纤维膨胀混凝土强度-基体混凝土强度)/基本混凝土强度]×100
根据试验结果计算出的强度提高系数如表4所示，可以看出，随着钢纤维体积率的增加，混凝土的抗压、劈拉、抗折强度均大幅度提高，这充分肯定了钢纤维对具有较大膨胀变形能力混凝土的限制作用和良好的约束效果。
表3 实测强度值(MPa)
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试件 | 抗压强度 | 劈拉强度 | 抗折初裂强度 | 极限抗折强度 |
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E0 | 34.96 | 2.83 | 3.87 | 4.84 |
E1 | 38.93 | 3.57 | 4.84 | 6.16 |
E2 | 40.75 | 3.77 | 7.31 | 8.76 |
E3 | 52.10 | 5.09 | 8.22 | 9.24 |
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表4 强度提高系数K(%)
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试件 | 抗压强度 | 劈裂强度 | 抗折初裂强度 | 极限抗折强度 |
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E1 | 11.40 | 26.2 | 42.7 | 27.5 |
E2 | 16.60 | 33.3 | 85.6 | 81.0 |
E3 | 49.30 | 80.2 | 116.8 | 90.9 |
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由于基体混凝土性能的差别，SFEC的增强机理与普通钢纤维混凝土的增强机理有所不同。试验结果表明，SFEC的增强效应是钢纤维与混凝土膨胀变形联合作用的结果。文献[3]认为在SFEC中，钢纤维的增强作用体现在两方面：(1)钢纤维通过限制膨胀变形使基体混凝土内部结构得以改善，同时也将使混凝土内部产生自应力，因而提高了基体混凝土的初裂强度，即限胀增强作用。(2)在基体混凝土微裂后，钢纤维作为裂缝开裂的限制体，依靠其与基体间的粘结力，抑制裂缝的引发和开展，提高混凝土的强度，即阻裂增强作用，这一点与普通钢纤维混凝土的增强机理是相同的。由此可见，膨胀混凝土各项力学性能指标得以提高的原因：钢纤维的限胀作用，提高了混凝土基体强度；钢纤维的阻裂作用，改善了基体裂缝尖端的应力场。
表5 弯曲韧度指数
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试件 | ρf(%) | ηm5 | ηm10 | ηm30 |
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E0 | 0.0 | 3.400 | 6.620 | 5.060 |
E1 | 1.0 | 4.195 | 7.066 | 9.930 |
E2 | 1.5 | 4.791 | 7.752 | 20.526 |
E3 | 2.0 | 5.593 | 11.050 | 22.265 |
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2.3 弯曲韧性 实测的SFEC的弯曲荷载 挠度曲线如图1所示，图中横坐标S为跨中挠度值，纵坐标P为荷载值；表5为按图1计算出的SFEC弯曲韧度指数。试验及分析结果表明：钢纤维的加入明显改善了膨胀混凝土的弯曲变形性能，弯曲韧性随钢纤维体积率的增加而提高。
3 膨胀收缩特性
3.1 自由变形特征 图2为SFEC自由变形曲线，从图中可以看出：膨胀混凝土(E0)的自由膨胀率较大，龄期28d的膨胀率达到2.272×10-3，且后期仍有一定量的膨胀变形增加，155d时回水3d后，有较快的膨胀变形产生。钢纤维对其膨胀变形有较大影响，随着钢纤维掺量的增加，膨胀率减小，但当钢纤维掺量大到一定程度时，钢纤维掺量的增加对膨胀率影响逐渐减小(如ρf=1.5%与ρf=2.0%时的混凝土膨胀收缩变形曲线很接近)，同时可以看出其膨胀变形有一稳定期。膨胀混凝土的膨胀变形稳定期一般为56d[4]，本文SFEC的试验结果也基本反映了这一稳定期特点。
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图1 弯曲荷载-挠度曲线 | 图2 SFEC膨胀变形 |
3.2 限制变形特征 图3(a)、(b)、(c)分别为ρf=1.0%，1.5%，2.0%的SFEC在钢筋(配筋率为1.13%)限制下的变形曲线图。试验曲线表明，钢纤维与钢筋联合限制效果较单独限制效果显著。同时也可以看出SFEC(ρf=1.0%，ρf=1.5%，ρf=2.0%)的自由膨胀率比相应混凝土在钢筋(ρs=1.13%)限制下的膨胀率大很多，而这一膨胀率之差，可张拉钢筋使混凝土产生自应力。可见，SFEC作为一种增强的特殊膨胀混凝土，用于自应力混凝土结构，形成钢纤维增强自应力混凝土结构，以提高结构的抗拉强度和抗渗性能是完全可行的。
3.3 膨胀变形方程 根据试验结果及统计回归计算分析，建议SFEC膨胀率按下式计算。
自由膨胀率方程
εf(t)=εf(t)0β | (1) |
εf(t)0=2.423×10-3t/2.610+t | (2) |
式中：β为钢纤维体积率影响系数，ρf≤1.0%时，β=0.708，ρf≥1.5%时，β=0.627，其间按直线插入；t为膨胀混凝土龄期，单位：(d).
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(a)ρf=1.0% (b)ρf=1.5% (c)ρf=2.0%
图3 钢筋膨胀限制下的膨胀变形 |
εfs(t)=εfs(t)0β1 | (3) |
εfs(t)0=8.7×10-4t/2.061+t | (4) |
式中：β1为钢筋限制情况下，钢纤维体积率影响系数，ρf≤1.0%，β1=1.002，ρf≥1.5%时，β1=0.75，其间按直线插入。
为检验所建议公式的精确性，与实测值进行了比较，如图4所示实测值与计算值吻合较好。
4 配筋SFEC管的试验结果及分析
4.1 荷载-位移曲线 图5所示为试验管件在内压作用下，内压荷载(P)与管件环向平均变形(S)的关系曲线。从图5(a)可知，随配筋率的增加管体的开裂荷载、极限荷载及延性均有较大幅度提高，但PE02和PE03的开裂荷载较接近，说明当配筋率超过一定值时，配筋率的增加对开裂荷载的提高作用很小。由图5(b)可见，管体的开裂荷载随钢纤维体积率的增加而增加，且开裂后，由于钢纤维的阻裂效应，使极限荷载仍有较大幅度提高，但PE21和PE31破坏延性较差，这是因为钢纤维的增强作用，大幅度提高了试件的开裂荷载，开裂荷载与极限荷载相近，使构件一裂即坏，延性较差。图5(c)表明，随钢纤维体积率的增加，开裂荷载和极限荷载显著增加，破坏时的变形较大。图5(d)表明，管体的开裂荷载随钢纤维体积率的增加而增大，而极限荷载基本不受钢纤维掺量的影响，延性随钢纤维体积率的增加略有减少，但破坏时的变形仍较大。通过对试验结果的分析、比较和对试件破坏过程的观察可得下列结论：
(1)钢纤维对管件的开裂荷载和极限荷载均有显著的提高作用；(2)管件的延性主要取决于钢筋的配筋率；(3)配筋SFEC管，开裂后的荷载 变形曲线很平缓，开裂荷载较大，由于钢纤维的限胀、阻裂增强作用，使钢筋对管体开裂荷载的贡献增大，对抗裂控制的管件，更能充分发挥钢筋的作用。(4)钢纤维的掺入改善了管体的破坏形态，彻底避免了管件由于膨胀变形过大出现爆管或使用过程中混凝土保护层的剥落现象。 | 
| 图4 实测值与建议公式曲线限制膨胀率方程 | |
4.2 开裂荷载和极限荷载 4.2.1 开裂荷载 开裂荷载指荷载 变形曲线上变形明显增大时的荷载。实测试件的开裂荷载随配筋率及钢纤维体积率的变化关系如图6所示。从图中可以看出，在钢纤维体积率(配筋率)一定情况下，开裂荷载随配筋率(钢纤维体积率)的增加而增加。(1)若以PE00的轴拉强度为参照，计算出各管件的开裂强度提高百分率：钢纤维膨胀混凝土管件为13.66%～28.70%；自应力混凝土管为33.98%～111.07%；配筋SFEC管为41.28%～181.71%.可见，钢筋和钢纤维联合增强作用，大于彼此分别作用的效果之和。(2)若以钢纤维体积率为变量，比较其开裂强度的提高率，则有：E10，PE20，PE30比PE00分别提高13.66%，24.99%，28.76%；PE11，PE21，PE31比PE01分别提高5.45%，32.14%，41.77%；PE12，PE22，PE32比PE02分别提高9.21%，22.3%，14.23%；PE13，PE23，PE33比PE03分别提高21.23%，28.56%，33.47%.可见，钢纤维在钢筋SFEC管中的增强效果，好于在不配筋的钢纤维膨胀混凝土管中的增强效果。 | 
| 图5 荷载-变形曲线 | |
4.2.2 极限荷载 极限荷载是指管体在内压作用下，达到破坏时所承受的最大内压力。极限荷载随配筋率及钢纤维体积率的变化曲线如图7所示。从图7(a)可知在钢纤维体积率一定时，极限荷载随配筋率的增大而增大，但PE33的极限荷载比PE32的略低，这可能是由于配筋率较高，钢筋净距小，再加上钢纤维体积率较大，使混凝土浇筑捣实不均而造成的。从图7(b)可见，在配筋率ρs=1.22%时，其极限强度基本不受钢纤维体积率的影响；而其它配筋率下，极限强度均随钢纤维体积率的增加而增加。例如：(1)PE10、PE20、PE30比PE00分别提高13.66%、24.99%、28.77%；(2)PE11、PE21、PE31比PE01分别提高26.7%、41.70%、42.87%；(2)PE12、PE22、PE32比PE02分别提高13.21%、20.57%、31.53%；(4)PE13、PE23、PE33比PE03分别提高11.9%、3.88%、-1.64%.可见，在能保证管件混凝土浇筑均匀，振捣密实的情况下，钢纤维对管体极限荷载的贡献，因钢筋的限胀作用而增大。其原因是在钢筋限制膨胀变形的作用下，钢纤维与基体混凝土间的粘结力增强，钢纤维对极限强度的贡献增大，尽管开裂荷载较大，但开裂荷载与极限荷载之比仍较小，使管件有足够的安全储备。试验比较分析表明，配筋SFEC压力管体中的钢纤维，比用于普通混凝土管，其增强效果提高47.7%左右[3]。
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(a) (b)
图7 极限荷载 |
4.3 配筋SFEC管的分析与评价 对比钢纤维和连续配筋对开裂强度的贡献，可作如下分析，以PE12为例，1.0%的钢纤维对管体开裂荷载的贡献为1.048MPa；而0.99%钢筋的贡献为1.510MPa；PE02中0.99%钢筋对相应膨胀混凝土管开裂荷载的贡献为1.834MPa，PE03中1.22%钢筋对管体开裂荷载的贡献为2.035MPa.配筋膨胀混凝土管，配筋率每提高1.0%，开裂强度提高0.878MPa，若配筋率为0.99%(PE02)，掺加1.0%的钢纤维则其开裂强度提高0.724MPa.但需注意，所掺加的1.0%的钢纤维，对管体纵向抗裂仍有较大贡献，而只增加环向配筋率，对纵向抗裂无影响。若按钢纤维对膨胀混凝土强度的增强效应考虑，则1.0%的钢纤维对其纵向开裂强度的贡献至少为0.322MPa；此外，配筋SFEC管中，由于膨胀变形及钢筋限制膨胀变形作用，增大了钢纤维的增强效果。由此可见，配筋SFEC管比配筋膨胀混凝土管更经济合理。配筋SFEC压力管，由于钢纤维的阻裂作用，改善了其破坏形态，彻底防止了由于膨胀变形过大，产生的保护层剥落及爆管现象，同时，也增大了运输过程中管体的安全性，可间接降低压力管的造价。又由于钢纤维限胀及阻裂增强作用，使管体混凝土更加密实，抗渗性得以提高，同时，钢筋保护层混凝土的密实性增强，有利于防止钢筋的锈蚀，提高其耐久性。
通过对钢筋SFEC管的试验研究、理论分析及综合评述，可知配筋SFEC管，是经济、合理、实用的结构形式。且利用这种配筋形式，有望安全地使用膨胀变形能力更大的膨胀混凝土，以达到提高抗裂、抗渗性能的目的。
5 结论
(1)钢纤维能有效地限制混凝土的膨胀变形。(2)钢纤维的限胀、阻裂增强作用，使膨胀混凝土内部结构更加密实，也有一定的自应力产生，故而大大增强了膨胀混凝土的抗压、抗拉、极限抗折和抗折初裂强度，提高了弯曲韧性，改善了其抗渗性能。(3)配筋SFEC管，是经济、合理、实用的结构形式。且利用这种配筋形式，有望安全地使用膨胀变形能力更大的膨胀混凝土，以达到提高抗裂、抗渗性能和耐久性的目的。
参 考 文 献：
[1] 中国工程建设标准化协会标准。钢纤维混凝土试验方法(CECS13：89)[S]。1991.
[2] 吴中伟，张鸿直。膨胀混凝土[M]。北京：中国铁道出版社，1990.
[3] 田稳苓。钢纤维膨胀混凝土增强机理及其应用研究[D]。大连：大连理工大学，1998。
[4] 李乃珍，刘兰计，等。自应力硫铝酸盐水泥及其混凝土膨胀稳定期的研究[J]。混凝土与水泥制品，1990，(6).
