不同介質作用下的纖維高強混凝土耐久性能研究

顧 維, 郭 芳

(1.湖南省交通科學研究院有限公司，湖南 長沙 410015； 2.交通建設工程湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410015；3.湖南交通職業(yè)技術學院，湖南 長沙 410132)

0 引言

高強混凝土指C60～C90強度等級的混凝土，具有強度高、耐久性好、變形小等特點。工程中選用高強混凝土能夠減小截面尺寸，減輕自重，具有一定的經濟效益。面對現(xiàn)代工程結構向大跨度、重載、高層發(fā)展的趨勢，以及構造物需要承受各種惡劣環(huán)境條件的挑戰(zhàn)，在各類重要結構與復雜環(huán)境條件下應用高強混凝土的場景不斷增多，這對高強混凝土的耐久性提出了更高的要求。各種惡劣環(huán)境條件對高強混凝土的侵蝕會導致混凝土結構強度降低，并可能導致結構中鋼筋的銹蝕。Afroughsabet等[1]研究表明，在高強混凝土中摻入硅灰可以改善混凝土的力學性能與耐久性能。Zhang等[2]研究了持續(xù)荷載與硫酸鹽干濕循環(huán)耦合作用對鋼筋混凝土結構的影響，發(fā)現(xiàn)在持續(xù)荷載和硫酸鹽干濕循環(huán)耦合作用下，鋼筋與混凝土之間的界面黏合性能出現(xiàn)退化，結構的極限載荷和應力-應變曲線整體呈下降趨勢。王磊等[3]研究表明，氯鹽溶液浸泡的高強混凝土在凍融作用下出現(xiàn)了更為嚴重的表層損傷現(xiàn)象，質量損失率和飽和吸水率也大大增加。Liu等[4]試驗表明，混凝土受硫酸鹽溶液介質影響，其孔隙率增加，微觀結構劣化，耐久性能降低；且硫酸鹽侵蝕時間越長，混凝土性能變化越明顯。

混凝土中摻入復合纖維材料對于加強混凝土的抗拉強度與韌性具有積極作用，對混凝土的耐久性也有一定的影響[5]。Su等[6]研究表明，加入纖維可以抑制氯化物侵蝕過程中孔隙結構的惡化。當氯化物持續(xù)作用時，水泥水化產物穩(wěn)定性下降，纖維與混凝土基體的結合強度開始減弱，此時纖維可能無法有效改善水泥混凝土的耐久性能。王振山等[7]發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維摻量為0.1%～0.2%時，混凝土具有較好的耐酸腐蝕性，不合理的纖維摻量反而會降低混凝土的性能。

本研究擬將纖維高強混凝土暴露于4種不同環(huán)境中，研究各類環(huán)境介質影響下高強混凝土的強度與耐久性。設置的4類環(huán)境介質分別為：空氣介質、水介質、氯鹽溶液介質和硫酸鹽溶液介質。將不同纖維摻量的單摻鋼纖維、單摻聚丙烯纖維及混摻鋼纖維-聚丙烯纖維高強混凝土置入各類環(huán)境介質中，在28 d和180 d時進行試驗，評估纖維高強混凝土在各類介質侵蝕下的強度與耐久性變化，探討纖維摻量與摻入方法對纖維高強混凝土的影響。

1 原材料與試驗方法

1.1 試驗原材料

1.1.1膠凝材料

本試驗使用的膠凝材料為P·O42.5水泥，其主要技術參數(shù)滿足《通用硅酸鹽水泥》(GB 175-2007)要求，測試結果如表1所示。

表1 水泥技術參數(shù)檢測項目比表面積/(m2·kg-1)凝結時間/min初凝終凝安定性(雷氏夾法)含量/%抗壓強度/MPa三氧化硫燒失量氧化鎂3 d28 d規(guī)范要求≥300≥45≤600合格≤3.5≤5.0≤5.0≥23.0≥52.5檢測結果320155305合格2.651.673.2638.260.5

1.1.2集料

粗集料最大粒徑為16 mm，分為5～10、10～15、15～20 mm三檔，其比例分別占38%、51%、10%。本研究所用粗集料屬輝綠巖，根據(jù)《普通混凝土用砂石質量及檢驗方法標準》(JGJ 52-2006)要求，對主要技術參數(shù)進行測試，結果如表2所示。

表2 粗集料技術參數(shù)項目壓碎值相對表觀密度吸水性針狀顆粒含量/%洛杉磯磨耗/%石料磨光值含泥量/%規(guī)范要求≤18.0≥2 650≤1.0≤5≤28.0≥47≤0.5檢測結果14.82 7400.654.214.5680.3

本研究所用細集料為石英砂，松裝密度為1 750 kg/m3，細度模數(shù)為2.9，不含黏土、云母及輕物質等雜質。粗細集料的各項指標均符合規(guī)范要求。

1.1.3硅灰

混凝土中摻入硅灰有利于提升其耐久性[8]，本研究所用硅灰的粒徑為0.7 μm，符合《高強高性能混凝土用礦物外加劑》(GB/T 18736-2017)相關要求，硅灰技術參數(shù)如表3所示。

表3 硅灰技術參數(shù)%項目總堿量SiO2含量氯含量含水率燒失量需水量比規(guī)范要求≤1.5≥85≤0.1≤3.0≤4.0≤125測試結果1.0940.051.81.7108

1.1.4減水劑

所用減水劑為減水率28%的聚羧酸減水劑，外觀為淡黃色液體。

1.1.5纖維

采用端鉤型鋼纖維，使其與水泥混凝土之間有良好的錨固作用。聚丙烯纖維抗拉強度高，在堿性環(huán)境下耐受力高，在混凝土工程中應用廣泛。兩種纖維的技術參數(shù)如表4所示。

信息數(shù)據(jù)的準確、完整、安全是動態(tài)監(jiān)控工作開展的基礎。一是數(shù)據(jù)及時錄入。各預算單位自行錄入的財務信息，如財務核算數(shù)據(jù)、政府采購計劃數(shù)據(jù)等，要及時錄入到信息系統(tǒng)中，便于進行數(shù)據(jù)比對、分析，開展實時動態(tài)監(jiān)控。二是掌握數(shù)據(jù)調整。監(jiān)控部門要及時掌握各預算單位職責變化、預算調整等基礎信息數(shù)據(jù)，以此作為對信息系統(tǒng)中數(shù)據(jù)進行相應調整、對動態(tài)監(jiān)控預警規(guī)則調整的依據(jù)。三是確保數(shù)據(jù)安全。要采取有效防護措施，防止財務數(shù)據(jù)遭到破壞或受到攻擊。同時，要建立災備系統(tǒng)和應急預案，有序應對突發(fā)事件的發(fā)生，確保財務信息數(shù)據(jù)安全。

表4 纖維技術參數(shù)類型長度/mm直徑/μm長徑比密度/(g·cm-3)彈性模量/GPa抗拉強度/MPa鋼纖維35600607.8220600聚丙烯纖維1841.54500.918.2400

1.2 配合比設計

本實驗配合比參考《高強混凝土應用技術規(guī)程》(JGJ/T 281-2012)及相關研究設置，水灰比固定為0.32，硅灰摻量為水泥用量的12%，最終混凝土配合比為：m水∶m水泥∶m硅灰∶m粗集料∶m細集料∶m減水劑=1∶0.32∶0.12∶1.82∶1.25∶0.02。

纖維摻量按體積分數(shù)計，為探究不同纖維類型及不同纖維摻量對高強混凝土耐久性的影響，共設置3種纖維摻入方法：①分別摻入0.5%、1.0%、1.5%、2%的鋼纖維；②分別摻入0.15%、0.30%、0.45%、0.60%的聚丙烯纖維；③混合摻入0.5%鋼纖維+0.2%聚丙烯纖維(S0.5P0.2)、1.0%鋼纖維+0.4%聚丙烯纖維(S1.0P0.4)、1.5%鋼纖維+0.4%聚丙烯纖維(S1.5P0.4)、2.0%鋼纖維+0.6%聚丙烯纖維(S2.0P0.6)。

1.3 試驗方法

制備150 mm×150 mm×150 mm立方體試件測試高強混凝土的抗壓強度，選用YAW-2000B電液伺服萬能壓力試驗機進行試驗；彎拉強度試驗采用三分點加壓的方法進行，試件為150 mm×150 mm×550 mm梁式試件，控制加荷速度為0.10 MPa/s。

將試件標準養(yǎng)護3 d后，暴露于以下環(huán)境介質中。①空氣環(huán)境介質：將試件置于正常室溫、濕度的室內環(huán)境中；②水環(huán)境介質：將試件置于裝滿純凈水的容器中，保持水面完全沒過試件頂部的狀態(tài)；③氯化物侵蝕環(huán)境介質：將試件置于含9%氯化鈉溶液的容器中，每月更換溶液以保持氯化物濃度；④硫酸鹽侵蝕環(huán)境介質：將試件置于含9%硫酸鎂溶液的容器中，每月更換溶液以保持硫酸鹽濃度。

2 試驗結果與分析

2.1 空氣環(huán)境介質

在室內環(huán)境中，混凝土主要接觸空氣，且不受到自然降水的影響。在這種情況下，混凝土的碳化與堿骨料反應都不易發(fā)生。設置此種環(huán)境可與其他介質侵蝕的環(huán)境進行對比。整理空氣介質作用下的混凝土試件抗壓強度與彎拉強度試驗結果，并繪制關系圖(見圖1)。

本研究分別對各纖維摻量的高強混凝土進行28d與180 d試驗，纖維高強混凝土的強度隨著齡期出現(xiàn)了增長。由圖1(a)可知，摻入鋼纖維可增加混凝土的抗壓強度，28 d與180 d時，1.0%摻量的鋼纖維高強混凝土比不摻鋼纖維的抗壓強度分別提高了16.8%與17.6%，而摻入聚丙烯纖維對抗壓強度提升不明顯。高強混凝土的水灰比較低，摻入鋼纖維后，鋼纖維與水泥基材的過渡區(qū)得以強化，減小了過渡區(qū)薄弱帶來的不利影響。在基材強度高的混凝土中，鋼纖維的增強效果更為顯著。

由圖1(a)～(b)可知，纖維的加入改善了高強混凝土的彎拉性能和抗壓強度，且兩者隨著纖維摻量的增加先升高后降低，對高強混凝土的前期強度與后期強度均有影響。當纖維摻入過多時可能導致薄弱區(qū)域增多，致使力學性能下降。由圖1(c)可知，合適摻量的混雜纖維可以使混凝土強度更大幅度增強，在試驗齡期28 d時，混摻有1%鋼纖維與4%聚丙烯纖維的高強混凝土的抗壓強度和彎拉強度分別比無纖維普通高強混凝土高16.2 MPa和2.9 MPa。

(a)鋼纖維

(b)聚丙烯纖維

(c)鋼-聚丙烯纖維混摻圖1 空氣介質作用下的纖維高強混凝土試驗結果

2.2 水環(huán)境介質

處于潮濕和浸水環(huán)境下的混凝土，水分會更容易進入混凝土內部，導致鋼筋腐蝕、凍融循環(huán)和堿骨料反應等破壞作用更容易發(fā)生?？偨Y水環(huán)境介質作用下的混凝土試件抗壓強度與彎拉強度試驗結果并繪制關系圖，如圖2所示。

(a)鋼纖維

(b)聚丙烯纖維

(c)鋼-聚丙烯纖維混摻圖2 浸水條件下的纖維高強混凝土試驗結果

由圖2可知，浸水條件下高強混凝土并未出現(xiàn)較大的強度下降，在180 d齡期時出現(xiàn)了一定的強度增長，可能是混凝土中未水化顆粒的水化作用所致。單純的水介質對高強混凝土影響較小，適量的纖維摻入混凝土形成了更為致密的結構，抑制了混凝土的收縮與開裂，提高了混凝土的致密程度。由圖2可知，鋼纖維摻量為0.5%～1.5%時對混凝土的抗壓強度具有較好的增強效果，聚丙烯纖維為0.45%時對混凝土的彎拉有較好的增強效果。然而單摻聚丙烯纖維在0.6%時，抗壓強度較未摻纖維的高強混凝土小，彎拉強度也急劇下降，這可能是由于纖維摻量過高，纖維之間出現(xiàn)分散不均、堆疊等情況，導致結構薄弱面的出現(xiàn)，致使混凝土強度劣化?；鞊嚼w維高強混凝土表現(xiàn)良好，強度與耐久性均得到一定提高。

2.3 氯鹽溶液環(huán)境介質

氯離子主要通過擴散、滲透、毛細管吸收以及電化學遷移等作用侵入水泥基材料內部。氯離子可以與水泥石中的Ca(OH)2和C3A等發(fā)生化學反應，生成易溶的CaCl2和板狀的Friedel 鹽。圖3為氯鹽溶液浸泡條件下的混凝土試件抗壓強度與彎拉強度試驗結果。

(a)鋼纖維

(b)聚丙烯纖維

(c)鋼-聚丙烯纖維混摻圖3 氯鹽溶液浸泡下的高強混凝土試驗結果

由圖3可知，氯鹽溶液浸泡對高強混凝土強度有不利影響。對比空氣介質與水介質中的高強混凝土，氯鹽介質作用180 d的高強混凝土彎拉強度下降了22%。不同纖維高強混凝土強度變化趨勢基本相同，隨著纖維摻量增加，強度先增長后降低。在纖維摻量較大時，高強混凝土的耐久性降幅增大，強度下降明顯。鋼纖維高強混凝土在0.5%摻量時抗壓強度較好，在1%摻量時彎拉強度較高。由圖3(b)可知，聚丙烯纖維無法提升氯鹽溶液作用下的高強混凝土抗壓強度，但對試件的彎拉強度有所增強。加入聚丙烯纖維可以有效抑制高強混凝土水化過程中收縮裂紋的產生和發(fā)展，減少微裂紋的數(shù)目，增加高強混凝土的密實程度。然而聚丙烯長徑比較大，比表面積較大，大量摻入混凝土時可能引入了更多的間隙，反而造成不利影響。

2.4 硫酸鹽溶液環(huán)境介質

硫酸鹽能與水泥的水化產物發(fā)生反應，生成具有膨脹性的物質，在試件內部形成巨大膨脹應力導致混凝土結構的破壞，強度逐漸喪失。根據(jù)試驗結果，繪制硫酸鹽溶液浸泡下纖維高強混凝土力學性能與纖維摻量的關系曲線，如圖4所示。

(a)鋼纖維

(b)聚丙烯纖維

(c)鋼-聚丙烯纖維混摻圖4 硫酸鹽溶液浸泡下的高強混凝土試驗結果

由圖4可知，硫酸鹽介質作用下，高強混凝土的耐久性較差。硫酸鹽介質對高強混凝土彎拉強度影響程度大于對抗壓強度的影響程度。硫酸鹽介質影響下，鋼纖維仍可增強高強混凝土的抗壓強度與彎拉強度，而摻入聚丙烯纖維僅提高了高強混凝土的彎拉強度，且增強幅度較小。由圖4(a)、(b)可以看出，硫酸鹽介質作用下，28 d與180 d的高強混凝土抗壓強度、彎拉強度相差不大。圖4(c)表明，適當比例的混摻纖維可以提高硫酸鹽介質作用下的高強混凝土早期強度，混摻纖維高強混凝土的后期強度優(yōu)于單摻纖維或無纖維高強混凝土。對于不同摻入方式的混摻纖維高強混凝土，05％鋼纖維混合02％聚丙烯纖維的高強混凝土耐久性良好，但彎拉性能改善效果較小。15％鋼纖維混合04％聚丙烯纖維的高強混凝土彎拉性能良好，但抗壓強度較低。本試驗中，混雜纖維的最佳比例為鋼纖維摻量10％加聚丙烯纖維摻量04％。此時混摻纖維高強混凝土的抗壓強度比未摻纖維混凝土高198％，彎拉強度大32MPa。

3 結論

1)氯鹽溶液與硫酸鹽溶液介質對高強混凝土耐久性影響較大，空氣與水介質對高強混凝土耐久性影響較小。

2)隨著環(huán)境介質作用時間的增長，鋼纖維仍可有效增強高強混凝土的強度。摻入聚丙烯纖維僅對高強混凝土的彎拉強度有顯著影響，混摻纖維的摻入方法可增強高強混凝土的早期強度。

3)摻纖維高強混凝土耐久性能良好，但大含量纖維會導致高強混凝土的耐久性能降低?；鞊戒摾w維與聚丙烯纖維比單摻纖維對高強混凝土的強度與耐久性具有更好的增強效果。