摘要:增强闸站工程底板的物理力学性能够更好地保证水工建筑物的安全运行。采用玄武岩纤维研究了一种高性能混凝土材料，通过室内试验分析了玄武岩纤维掺量为2、4、6、8kg/m3下，混凝土的抗冻性、抗压强度以及抗渗性能的变化规律。结果表明，玄武岩纤维有助于提升混凝土的力学性能，能够作为高性能混凝土材料用于闸站底板工程。
关键词:闸站;底板工程;玄武岩纤维;力学性能
在大中型水工建筑物的设计、施工及运行的管理过程中，由于受安装精度和安全运行的要求，均应考虑闸站工程底板高性能［1］。通常情况下，闸前后存在水位变化，会导致闸底板受力不均而产生拉应力，对于低性能混凝土很可能产生开裂等病害，严重威胁水闸的安全运行［2］。因此研究闸站工程底板高性能混凝土，是保证闸站工程安全运行的关键方法之一。目前国内外学者对高性能混凝土进行了部分研究。张宪南［3］通过室内试验的方式，探讨了纤维、减缩剂和膨胀剂对土石坝面板UHPC混凝土干缩性的影响;刘瑞琳［4］研究了不同钢纤维含量混凝土的抗冲磨特征，分析了冲磨试验中钢纤维混凝土质量损失与冲磨次数、钢纤维含量的关系;段国伟等［5］以凝灰岩和石灰岩作为研究对象，采用室内试验方法，对比分析不同水胶比、片状含量、石粉含量对混凝土抗压、抗折强度、流动度、坍落度的影响。此外还有部分学者研究了复掺粉煤灰、极细高硅型铁尾矿、橡胶等材料来制备高性能混凝土［6-7］。当前，玄武岩纤维作为环保型矿物纤维，其稳定性、耐腐蚀性和耐高温等性能优良，已在诸多工程领域得到应用，如航空航天材料、塑料生产和建筑行业。因此本文采用玄武岩钢纤维研究了一种高性能混凝土材料，通过室内试验分析了不同含量玄武岩纤维对混凝土的抗冻性、抗压强度以及抗渗性的影响，最终得出了最优设计配合比，研究成果可为相关底板工程提供参考。
1工程概况
此次桥闸工程位于扬中市新坝镇向阳村新坝大港与北大江交汇处，与新坝大港南端夹江江口的栏杆桥闸水系贯通，距江口约820m，为单孔通航节制闸，1972年12月开工建设，1973年7月建成。该闸属小(1)型水闸，闸的结构形式为开敞式，闸室顺水流方向长9.0m，闸孔净宽5.38m。新闸址距长江口750m，闸外通长江，闸内与新坝大港连接，水闸设计排涝流量65m3/s，引水流量50m3/s，泵站排涝流量18m3/s，引水流量9m3/s。闸站合建在一块底板上，节制闸居中布置，泵站4台机组位于节制闸两侧，其中双向水泵临近节制闸布置，单向水泵靠河岸侧布置。底板顺水流方向长18.5m，垂直水流方向宽28m。闸墩顶高程为10.50m，是一座具有防洪、排涝等综合功能的闸站。
2原材料及试验设计
本次采用的粉煤灰，密度为2.36g/cm3，比表面积2800cm2/g，属于F级粉煤灰，通过XRD光谱分析测得其主要的化学成分为SiO2、Al2O3，CaO。试验所用的玄武岩纤维(BF)购置与江苏省，图1为本次试验用玄武岩纤维材料与拌制现场，表1为硅灰各组分含量。根据前期的配合比设计，此次试验玄武岩纤维设置4组，分别为2、4、6、8、10kg/m3，砂550kg/m3，石子900kg/m3，硅灰98kg/m3，粗骨料与细骨料的配合比见表2。试验先在搅拌机中干拌4min，之后将配好的硅酸钠溶液、氢氧化钠溶液然后添加到固体中，湿拌5min，同时制备参照组。新拌混凝土颜色较深，外观光亮，将其装入100mm×100mm×100mm中振动成型，待观察无任何凝结迹象，抗压强度无任何退化后，送入养护箱养护28d。本次工程要求混凝土闸站主体、翼墙、进出水池等部位混凝土强度等级为C30，护坡纵、横格堙及垫层混凝土强度等级为C20;建筑混凝土抗冻等级均为F50，有防渗要求的混凝土抗渗等级为W6，因此在进行试验之前所有试验均要满足工程要求。
3混凝土抗冻性能
依照标准，混凝土的抗冻等级F为相对动弹性模量下降至不低于60%时的最大冻融循环次数，图2给出了普通混凝土和加入玄武岩纤维混凝土的抗冻性能变化情况。由图2可知，随着冻融循环次数的增加，5种混凝土的相对弹性模量均呈现出降低的趋势，但当BF=2、4、6kg/m3时，混凝土相对弹性降低速度明显缓慢与普通混凝土，相对弹性模量均大于普通混凝土。当冻融循环次数为300次时，普通混凝土相对弹性模量为61%，而BF=2、4、6kg/m3时，相对弹性模量分别降低至72%、76%、82%，抗冻等级远高于普通混凝土。这是由于普通混凝土中水遇冷结冰会发生体积膨胀，引起混凝土内部结构的破坏，混凝土毛细孔隙中水的冰点随着孔径的减小而降低，且当温度降低到0℃以下时，促使水变成为冰，因受毛细孔壁约束形成膨胀压力，从而在孔周围的微观结构中产生拉应力导致当混凝土受冻时，损伤混凝土的内部微观结构。而加玄武岩纤维后，混凝土抗冻性能增加是由于其减少了由混凝土内应力所产生的裂缝，特别是混凝土在塑性阶段干燥脱水所产生的裂缝，且降低了参与抵抗冻融时的膨胀压力与渗透压力，减少裂缝的扩展，从而提高了混凝土的抗冻融能力。但值得一提的是，当BF=8kg/m3时，玄武岩混凝土的抗冻性能出现明显下降，当冻融循环次数为100次时，抗冻性能逐渐低于普通混凝土，当冻融循环次数为300时，相对弹性模量仅为50%。
4混凝土抗压强度
图3给出了普通混凝土和加入玄武岩纤维混凝土的抗压强度变化情况。由图3可知，玄武岩纤维混凝土的抗压优势明显，未加入玄武岩纤维时，混凝土抗压强度为34MPa，而当BF=2kg/m3，混凝土抗压强度增加5MPa;当BF=4kg/m3，混凝土抗压强度相比普通混凝土增加7MPa;当BF=6kg/m3，混凝土抗压强度增加11MPa，而当BF=8kg/m3，混凝土抗压强度直接增长至49MPa。这是由于在混凝土的制备过程中内部原来就存在缺陷，加入玄武岩纤维后，纤维与基体间黏结紧密，形成的复合混凝土会减小缺陷的程度，对于裂缝发生和发展的约束作用，降低内部裂缝端部的应力集中系数，因此玄武岩纤维混凝土的强度高于普通混凝土。
5混凝土抗渗性
图4给出了普通混凝土和加入玄武岩纤维混凝土的抗渗性变化情况。由图4可知，玄武岩纤维含量的增加有助于提升混凝土的抗渗性，但存在临界值。对于普通混凝土，其能抵抗最大静水压力而不发生渗漏的值为0.62MPa，而当加入2kg/m3的玄武岩纤维时，抗渗强度增加至0.65MPa;加入4kg/m3的玄武岩纤维时，抗渗强度增加至0.68MPa;当玄武岩纤维含量为6kg/m3时，混凝土抗渗性达到最大，为0.71MPa。当BF=8kg/m3时，混凝土抗渗强度出现降低，仅为0.66MPa。从试验结果分析可知，一方面玄武岩纤维能够提升混凝土抗渗性，是由于纤维与水泥集料有极强的结合力，很容易与混凝土材料混合。此外，纤维细度大，当微裂缝在细裂缝发展的过程中，不同向的细纤维具有明显阻挡作用，消耗了混凝土内部应力产生的作用，阻止了细裂缝进一步发展。因此，玄武岩纤维可以有效地抑制混凝土早期干缩微裂的产生和发展，极大地减少了混凝土收缩裂缝，尤其是有效地抑制了连通裂缝的产生，有效提高了混凝土抗渗能力。但同时也可以看到，在设计纤维含量时不能过高，因为过高的纤维含量会导致混凝土与纤维之间不能充分混合，反而会形成纤维团聚体，导致混凝土产生渗流通道，因此在实际工程中，应当重视纤维含量的配比设计。
6结语
本文采用玄武岩纤维研究了一种高性能混凝土材料，通过室内试验分析了不同含量玄武岩纤维对混凝土的抗冻性、抗压强度以及抗渗性的影响。结果表明，当冻融循环次数为300次时，玄武岩纤维含量为6kg/m3时混凝土抗冻等级远高于普通混凝土，但超过8kg/m3会降低混凝土抗冻性。而对于混凝土抗压强度，当玄武岩纤维含量为8kg/m3，混凝土抗压强度直接增长至49MPa，比普通混凝土提高15MPa。此外，含量为6kg/m3时的玄武岩纤维混凝土抗渗等级最高。因此最终根据以上实验结果得出，水泥298kg/m3，水133.4kg/m3，粗骨料1052.4kg/m3，细骨料82.5kg/m3，玄武岩纤维6kg/m3这一配比为最佳配比。
作者：周巍 单位：镇江市华源建设监理有限公司
