耐堿玻璃纖維在高性能混凝土中的增強(qiáng)效應(yīng)研究

◎ 王豐年 王天天

1.德達(dá)交通建設(shè)發(fā)展集團(tuán)有限公司；2.德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院

與傳統(tǒng)的混凝土相比，高性能混凝土的工作性能、高強(qiáng)度和耐久性優(yōu)良，不僅技術(shù)上擁有優(yōu)勢(shì)，而且具有節(jié)能減排、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等顯著效益[1]。然而，高性能混凝土的脆性會(huì)隨著高性能強(qiáng)度的提高而增加，往往出現(xiàn)無征兆的破壞，這一弊端使其仍然不能成為理想的混凝土材料[2-3]。對(duì)于復(fù)雜的中型混凝土結(jié)構(gòu)或者大型混凝土結(jié)構(gòu)而言，上述弊端無疑增加了不穩(wěn)定因素，阻礙了高性能混凝土的推廣使用。因其具有耐堿、抗腐蝕、抗沖擊、抗拉抗彎、抗凍抗裂和可設(shè)計(jì)性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，耐堿玻璃纖維可以替代傳統(tǒng)石棉和鋼材，作為增強(qiáng)混凝土性能的肋筋材料[4-6]。依靠自身的材料特性，耐堿玻璃纖維有效改善了高性能混凝土的性能，應(yīng)用日益廣泛[7-9]。

為了研究不同耐堿玻璃纖維摻入量對(duì)高性能混凝土的性能的影響，本文通過對(duì)100多組不同耐堿玻璃纖維摻入量的高性能混凝土進(jìn)行歷時(shí)200多天的9d、28d、60d、90d、200d五種不同齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂抗拉試驗(yàn)以及抗折試驗(yàn)，對(duì)其在抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度三個(gè)方面的增強(qiáng)效應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比性分析研究，為耐堿性玻璃纖維在高性能混凝土中的推廣與應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原材料

1）水泥：42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；

2）粉煤灰：I級(jí)粉煤灰；

3）礦粉：S95級(jí)礦粉；

4）細(xì)骨料：泰安市地區(qū)的汶河中砂，細(xì)度模數(shù)2.4；

5）粗集料：泰安市地區(qū)的5～25 mm碎石；

6）水：泰山市地區(qū)的飲用井水；

7）萘系高效減水劑：減水率20%—25%，摻量2.5%；

8）耐堿玻璃纖維：采用泰山玻璃纖維有限公司生產(chǎn)的長(zhǎng)度為12mm耐堿性短切玻璃纖維，其主要的物理參數(shù)如表1所示。

表1 耐堿性短切玻璃纖維的主要物理參數(shù)

1.2 養(yǎng)護(hù)條件

1）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)：拆模后的高性能混凝土試件在溫度20±2°，相對(duì)濕度95%以上條件下養(yǎng)護(hù)直到測(cè)試齡期。

2）熱養(yǎng)護(hù)（加速老化）：試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3d后，放入加熱養(yǎng)護(hù)箱（水養(yǎng)），以10°C/h升溫到60°C，保持60°C的恒溫直到測(cè)試齡期。

1.3 試驗(yàn)條件

根據(jù)耐堿性玻璃纖維摻入順序的不同，分為先摻法、后摻法以及水摻法，本文采用先摻法，其成型工藝流程圖如圖1所示。

2.試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 無側(cè)限抗壓試驗(yàn)結(jié)果分析

無側(cè)限抗壓試驗(yàn)分別采用耐堿玻璃纖維摻量為0.0（A）、1.0（B）、1.5（C）、2.0（D）四種編號(hào)混凝土試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（9d、28d、60d、90d、200d齡期）和熱養(yǎng)護(hù)（1d、5d、10d、20d、25d齡期）條件下進(jìn)行抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，所測(cè)得抗壓強(qiáng)度變化曲線如圖2所示。

圖2 兩種養(yǎng)護(hù)條件下不同耐堿性玻璃纖維摻入量的混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化曲線

可見，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)與熱養(yǎng)護(hù)條件下，相比不摻入耐堿玻璃纖維，摻入耐堿玻璃纖維之后，混凝土的9d、28d、60d、90d、200d抗壓強(qiáng)度無明顯提高，說明摻入耐堿玻璃纖維對(duì)于高性能混凝土抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)作用不明顯，這是因?yàn)樵嚰艿綁毫ψ饔脮r(shí)，抵抗壓力作用的大小主要取決于骨料的強(qiáng)度，耐堿玻璃纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)較少。

2.2 抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

抗拉試驗(yàn)同樣采用耐堿玻璃纖維摻量為0.0（A）、1.0（B）、1.5（C）、2.0（D）四種編號(hào)混凝土試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（9d、28d、60d、90d、200d齡期）和熱養(yǎng)護(hù)（1d、5d、10d、20d、25d齡期）條件下進(jìn)行抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，所測(cè)得抗拉強(qiáng)度變化曲線如圖3所示。

由圖3（a）可見，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，相比不摻入耐堿玻璃纖維，摻入耐堿玻璃纖維之后，混凝土的9d、28d、60d、90d、200d齡期的抗拉強(qiáng)度均有不同幅度的提高，其中1.5（C）組別的混凝土在各個(gè)齡期內(nèi)抗拉強(qiáng)度值最大，說明摻入耐堿玻璃纖維可提高高性能混凝土的抗拉強(qiáng)度，這是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下混凝土在承受抗拉強(qiáng)度時(shí)，高性能混凝土與耐堿玻璃纖維共同承受拉力作用，并且隨著齡期的增加，耐堿玻璃纖維增強(qiáng)越明顯，當(dāng)高性能混凝土退出工作后，耐堿玻璃纖維仍能承受一定拉力，提高了混凝土的抗拉強(qiáng)度。

由圖3（b）可見，熱養(yǎng)護(hù)條件下在10d齡期之前，耐堿性玻璃纖維高性能混凝土的抗拉強(qiáng)度隨著齡期的增加而提高，熱養(yǎng)護(hù)10d時(shí)混凝土強(qiáng)度達(dá)到最大值，這說明熱養(yǎng)護(hù)早期提高了水泥的水化速度，提高了混凝土的早期強(qiáng)度，隨著齡期的增加，耐堿玻璃纖維增加效果越明顯。10d齡期之后混凝土的抗拉強(qiáng)度開始降低，這是因?yàn)殡m然熱養(yǎng)護(hù)條件下?lián)饺肽蛪A玻璃纖維提高了水泥石基體的致密性，摻入的耐堿玻璃纖維超過一定量后，減小了骨料與水泥石基體界面區(qū)的接觸面積，降低了界面區(qū)的強(qiáng)度，加之水泥水化作用產(chǎn)生了大量堿性物質(zhì)，仍對(duì)耐堿玻璃纖維產(chǎn)生腐蝕作用，因此，混凝土的抗拉強(qiáng)度降低。

2.3 靜載抗折試驗(yàn)結(jié)果分析

靜載抗折試驗(yàn)同樣采用耐堿玻璃纖維摻量為0.0（A）、1.0（B）、1.5（C）、2.0（D）四種編號(hào)混凝土試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（9d、28d、60d、90d、200d齡期）和熱養(yǎng)護(hù)（1d、5d、10d、20d、25d齡期）條件下進(jìn)行抗折強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，所測(cè)得抗折強(qiáng)度變化曲線如圖4所示。

圖4 兩種養(yǎng)護(hù)條件下不同耐堿性玻璃纖維摻入量的混凝土抗折強(qiáng)度隨齡期的變化曲線

可見，相比不摻入耐堿玻璃纖維，摻入耐堿玻璃纖維之后，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)早期，混凝土抗折強(qiáng)度增幅較大，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，各組別混凝土試件的抗折強(qiáng)度增幅開始減小，其中1.5（C）組別的混凝土抗折強(qiáng)度在28d齡期之后始終保持最大值。這是因?yàn)槟蛪A玻璃纖維摻量較少時(shí)，耐堿玻璃纖維與水泥石集體之間難以起到提高粘結(jié)性作用，影響抗折強(qiáng)度的提高；耐堿玻璃纖維摻量超過一定量后，耐堿玻璃纖維在水泥石基體中的平均間距逐漸縮小，縮小到一定程度后，耐堿玻璃纖維之間出現(xiàn)搭接、交叉、纏繞、重疊現(xiàn)象，導(dǎo)致耐堿玻璃纖維與水泥石接觸面積減小，粘結(jié)性降低，影響抗折強(qiáng)度的提高。

熱養(yǎng)護(hù)條件下的抗折強(qiáng)度變化趨勢(shì)與熱養(yǎng)護(hù)條件下的抗拉強(qiáng)度變化趨勢(shì)相似。經(jīng)過分析可知，造成這種強(qiáng)度變化趨勢(shì)的原因相同，在此不再贅述。

3.結(jié)論

基于無側(cè)限抗壓試驗(yàn)、劈裂抗拉試驗(yàn)與抗折試驗(yàn)三種力學(xué)性能試驗(yàn)，考慮摻入量、養(yǎng)護(hù)條件和養(yǎng)護(hù)齡期等影響因素，研究了耐堿玻璃纖維在高性能混凝土中的增強(qiáng)效應(yīng)，主要結(jié)論包括：

（1）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，耐堿玻璃纖維作為摻入料摻入到高性能混凝土中，對(duì)于混凝土的抗壓強(qiáng)度無明顯增強(qiáng)效果，但能夠較大幅度地提高混凝土的抗拉強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度。

（2）通過熱養(yǎng)護(hù)條件可以測(cè)定耐堿玻璃纖維混凝土的長(zhǎng)期性能，通過三種力學(xué)性能試驗(yàn)可以獲知，耐堿玻璃纖維在養(yǎng)護(hù)前期對(duì)混凝土有明顯的增強(qiáng)效應(yīng)。但在養(yǎng)護(hù)后期由于水泥水化作用產(chǎn)生大量堿性物質(zhì)，仍會(huì)對(duì)耐堿玻璃纖維產(chǎn)生腐蝕作用。

（3）通過對(duì)比分析三種力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果可知，耐堿玻璃纖維摻量也是影響混凝土增強(qiáng)效應(yīng)的因素；基于本文中特定的試驗(yàn)參數(shù)和條件，確定了HP耐堿玻璃纖維的最佳摻量為1.5kg/m3。