不同介质作用下的纤维高强混凝土耐久性能研究

顾 维, 郭 芳

(1.湖南省交通科学研究院有限公司，湖南 长沙 410015； 2.交通建设工程湖南省重点实验室，湖南 长沙 410015；3.湖南交通职业技术学院，湖南 长沙 410132)

0 引言

高强混凝土指C60～C90强度等级的混凝土，具有强度高、耐久性好、变形小等特点。工程中选用高强混凝土能够减小截面尺寸，减轻自重，具有一定的经济效益。面对现代工程结构向大跨度、重载、高层发展的趋势，以及构造物需要承受各种恶劣环境条件的挑战，在各类重要结构与复杂环境条件下应用高强混凝土的场景不断增多，这对高强混凝土的耐久性提出了更高的要求。各种恶劣环境条件对高强混凝土的侵蚀会导致混凝土结构强度降低，并可能导致结构中钢筋的锈蚀。Afroughsabet等[1]研究表明，在高强混凝土中掺入硅灰可以改善混凝土的力学性能与耐久性能。Zhang等[2]研究了持续荷载与硫酸盐干湿循环耦合作用对钢筋混凝土结构的影响，发现在持续荷载和硫酸盐干湿循环耦合作用下，钢筋与混凝土之间的界面黏合性能出现退化，结构的极限载荷和应力-应变曲线整体呈下降趋势。王磊等[3]研究表明，氯盐溶液浸泡的高强混凝土在冻融作用下出现了更为严重的表层损伤现象，质量损失率和饱和吸水率也大大增加。Liu等[4]试验表明，混凝土受硫酸盐溶液介质影响，其孔隙率增加，微观结构劣化，耐久性能降低；且硫酸盐侵蚀时间越长，混凝土性能变化越明显。

混凝土中掺入复合纤维材料对于加强混凝土的抗拉强度与韧性具有积极作用，对混凝土的耐久性也有一定的影响[5]。Su等[6]研究表明，加入纤维可以抑制氯化物侵蚀过程中孔隙结构的恶化。当氯化物持续作用时，水泥水化产物稳定性下降，纤维与混凝土基体的结合强度开始减弱，此时纤维可能无法有效改善水泥混凝土的耐久性能。王振山等[7]发现，玄武岩纤维掺量为0.1%～0.2%时，混凝土具有较好的耐酸腐蚀性，不合理的纤维掺量反而会降低混凝土的性能。

本研究拟将纤维高强混凝土暴露于4种不同环境中，研究各类环境介质影响下高强混凝土的强度与耐久性。设置的4类环境介质分别为：空气介质、水介质、氯盐溶液介质和硫酸盐溶液介质。将不同纤维掺量的单掺钢纤维、单掺聚丙烯纤维及混掺钢纤维-聚丙烯纤维高强混凝土置入各类环境介质中，在28 d和180 d时进行试验，评估纤维高强混凝土在各类介质侵蚀下的强度与耐久性变化，探讨纤维掺量与掺入方法对纤维高强混凝土的影响。

1 原材料与试验方法

1.1 试验原材料

1.1.1胶凝材料

本试验使用的胶凝材料为P·O42.5水泥，其主要技术参数满足《通用硅酸盐水泥》(GB 175-2007)要求，测试结果如表1所示。

表1 水泥技术参数检测项目比表面积/(m2·kg-1)凝结时间/min初凝终凝安定性(雷氏夹法)含量/%抗压强度/MPa三氧化硫烧失量氧化镁3 d28 d规范要求≥300≥45≤600合格≤3.5≤5.0≤5.0≥23.0≥52.5检测结果320155305合格2.651.673.2638.260.5

1.1.2集料

粗集料最大粒径为16 mm，分为5～10、10～15、15～20 mm三档，其比例分别占38%、51%、10%。本研究所用粗集料属辉绿岩，根据《普通混凝土用砂石质量及检验方法标准》(JGJ 52-2006)要求，对主要技术参数进行测试，结果如表2所示。

表2 粗集料技术参数项目压碎值相对表观密度吸水性针状颗粒含量/%洛杉矶磨耗/%石料磨光值含泥量/%规范要求≤18.0≥2 650≤1.0≤5≤28.0≥47≤0.5检测结果14.82 7400.654.214.5680.3

本研究所用细集料为石英砂，松装密度为1 750 kg/m3，细度模数为2.9，不含黏土、云母及轻物质等杂质。粗细集料的各项指标均符合规范要求。

1.1.3硅灰

混凝土中掺入硅灰有利于提升其耐久性[8]，本研究所用硅灰的粒径为0.7 μm，符合《高强高性能混凝土用矿物外加剂》(GB/T 18736-2017)相关要求，硅灰技术参数如表3所示。

表3 硅灰技术参数%项目总碱量SiO2含量氯含量含水率烧失量需水量比规范要求≤1.5≥85≤0.1≤3.0≤4.0≤125测试结果1.0940.051.81.7108

1.1.4减水剂

所用减水剂为减水率28%的聚羧酸减水剂，外观为淡黄色液体。

1.1.5纤维

采用端钩型钢纤维，使其与水泥混凝土之间有良好的锚固作用。聚丙烯纤维抗拉强度高，在碱性环境下耐受力高，在混凝土工程中应用广泛。两种纤维的技术参数如表4所示。

信息数据的准确、完整、安全是动态监控工作开展的基础。一是数据及时录入。各预算单位自行录入的财务信息，如财务核算数据、政府采购计划数据等，要及时录入到信息系统中，便于进行数据比对、分析，开展实时动态监控。二是掌握数据调整。监控部门要及时掌握各预算单位职责变化、预算调整等基础信息数据，以此作为对信息系统中数据进行相应调整、对动态监控预警规则调整的依据。三是确保数据安全。要采取有效防护措施，防止财务数据遭到破坏或受到攻击。同时，要建立灾备系统和应急预案，有序应对突发事件的发生，确保财务信息数据安全。

表4 纤维技术参数类型长度/mm直径/μm长径比密度/(g·cm-3)弹性模量/GPa抗拉强度/MPa钢纤维35600607.8220600聚丙烯纤维1841.54500.918.2400

1.2 配合比设计

本实验配合比参考《高强混凝土应用技术规程》(JGJ/T 281-2012)及相关研究设置，水灰比固定为0.32，硅灰掺量为水泥用量的12%，最终混凝土配合比为：m水∶m水泥∶m硅灰∶m粗集料∶m细集料∶m减水剂=1∶0.32∶0.12∶1.82∶1.25∶0.02。

纤维掺量按体积分数计，为探究不同纤维类型及不同纤维掺量对高强混凝土耐久性的影响，共设置3种纤维掺入方法：①分别掺入0.5%、1.0%、1.5%、2%的钢纤维；②分别掺入0.15%、0.30%、0.45%、0.60%的聚丙烯纤维；③混合掺入0.5%钢纤维+0.2%聚丙烯纤维(S0.5P0.2)、1.0%钢纤维+0.4%聚丙烯纤维(S1.0P0.4)、1.5%钢纤维+0.4%聚丙烯纤维(S1.5P0.4)、2.0%钢纤维+0.6%聚丙烯纤维(S2.0P0.6)。

1.3 试验方法

制备150 mm×150 mm×150 mm立方体试件测试高强混凝土的抗压强度，选用YAW-2000B电液伺服万能压力试验机进行试验；弯拉强度试验采用三分点加压的方法进行，试件为150 mm×150 mm×550 mm梁式试件，控制加荷速度为0.10 MPa/s。

将试件标准养护3 d后，暴露于以下环境介质中。①空气环境介质：将试件置于正常室温、湿度的室内环境中；②水环境介质：将试件置于装满纯净水的容器中，保持水面完全没过试件顶部的状态；③氯化物侵蚀环境介质：将试件置于含9%氯化钠溶液的容器中，每月更换溶液以保持氯化物浓度；④硫酸盐侵蚀环境介质：将试件置于含9%硫酸镁溶液的容器中，每月更换溶液以保持硫酸盐浓度。

2 试验结果与分析

2.1 空气环境介质

在室内环境中，混凝土主要接触空气，且不受到自然降水的影响。在这种情况下，混凝土的碳化与碱骨料反应都不易发生。设置此种环境可与其他介质侵蚀的环境进行对比。整理空气介质作用下的混凝土试件抗压强度与弯拉强度试验结果，并绘制关系图(见图1)。

本研究分别对各纤维掺量的高强混凝土进行28d与180 d试验，纤维高强混凝土的强度随着龄期出现了增长。由图1(a)可知，掺入钢纤维可增加混凝土的抗压强度，28 d与180 d时，1.0%掺量的钢纤维高强混凝土比不掺钢纤维的抗压强度分别提高了16.8%与17.6%，而掺入聚丙烯纤维对抗压强度提升不明显。高强混凝土的水灰比较低，掺入钢纤维后，钢纤维与水泥基材的过渡区得以强化，减小了过渡区薄弱带来的不利影响。在基材强度高的混凝土中，钢纤维的增强效果更为显著。

由图1(a)～(b)可知，纤维的加入改善了高强混凝土的弯拉性能和抗压强度，且两者随着纤维掺量的增加先升高后降低，对高强混凝土的前期强度与后期强度均有影响。当纤维掺入过多时可能导致薄弱区域增多，致使力学性能下降。由图1(c)可知，合适掺量的混杂纤维可以使混凝土强度更大幅度增强，在试验龄期28 d时，混掺有1%钢纤维与4%聚丙烯纤维的高强混凝土的抗压强度和弯拉强度分别比无纤维普通高强混凝土高16.2 MPa和2.9 MPa。

(a)钢纤维

(b)聚丙烯纤维

(c)钢-聚丙烯纤维混掺图1 空气介质作用下的纤维高强混凝土试验结果

2.2 水环境介质

处于潮湿和浸水环境下的混凝土，水分会更容易进入混凝土内部，导致钢筋腐蚀、冻融循环和碱骨料反应等破坏作用更容易发生。总结水环境介质作用下的混凝土试件抗压强度与弯拉强度试验结果并绘制关系图，如图2所示。

(a)钢纤维

(b)聚丙烯纤维

(c)钢-聚丙烯纤维混掺图2 浸水条件下的纤维高强混凝土试验结果

由图2可知，浸水条件下高强混凝土并未出现较大的强度下降，在180 d龄期时出现了一定的强度增长，可能是混凝土中未水化颗粒的水化作用所致。单纯的水介质对高强混凝土影响较小，适量的纤维掺入混凝土形成了更为致密的结构，抑制了混凝土的收缩与开裂，提高了混凝土的致密程度。由图2可知，钢纤维掺量为0.5%～1.5%时对混凝土的抗压强度具有较好的增强效果，聚丙烯纤维为0.45%时对混凝土的弯拉有较好的增强效果。然而单掺聚丙烯纤维在0.6%时，抗压强度较未掺纤维的高强混凝土小，弯拉强度也急剧下降，这可能是由于纤维掺量过高，纤维之间出现分散不均、堆叠等情况，导致结构薄弱面的出现，致使混凝土强度劣化。混掺纤维高强混凝土表现良好，强度与耐久性均得到一定提高。

2.3 氯盐溶液环境介质

氯离子主要通过扩散、渗透、毛细管吸收以及电化学迁移等作用侵入水泥基材料内部。氯离子可以与水泥石中的Ca(OH)2和C3A等发生化学反应，生成易溶的CaCl2和板状的Friedel 盐。图3为氯盐溶液浸泡条件下的混凝土试件抗压强度与弯拉强度试验结果。

(a)钢纤维

(b)聚丙烯纤维

(c)钢-聚丙烯纤维混掺图3 氯盐溶液浸泡下的高强混凝土试验结果

由图3可知，氯盐溶液浸泡对高强混凝土强度有不利影响。对比空气介质与水介质中的高强混凝土，氯盐介质作用180 d的高强混凝土弯拉强度下降了22%。不同纤维高强混凝土强度变化趋势基本相同，随着纤维掺量增加，强度先增长后降低。在纤维掺量较大时，高强混凝土的耐久性降幅增大，强度下降明显。钢纤维高强混凝土在0.5%掺量时抗压强度较好，在1%掺量时弯拉强度较高。由图3(b)可知，聚丙烯纤维无法提升氯盐溶液作用下的高强混凝土抗压强度，但对试件的弯拉强度有所增强。加入聚丙烯纤维可以有效抑制高强混凝土水化过程中收缩裂纹的产生和发展，减少微裂纹的数目，增加高强混凝土的密实程度。然而聚丙烯长径比较大，比表面积较大，大量掺入混凝土时可能引入了更多的间隙，反而造成不利影响。

2.4 硫酸盐溶液环境介质

硫酸盐能与水泥的水化产物发生反应，生成具有膨胀性的物质，在试件内部形成巨大膨胀应力导致混凝土结构的破坏，强度逐渐丧失。根据试验结果，绘制硫酸盐溶液浸泡下纤维高强混凝土力学性能与纤维掺量的关系曲线，如图4所示。

(a)钢纤维

(b)聚丙烯纤维

(c)钢-聚丙烯纤维混掺图4 硫酸盐溶液浸泡下的高强混凝土试验结果

由图4可知，硫酸盐介质作用下，高强混凝土的耐久性较差。硫酸盐介质对高强混凝土弯拉强度影响程度大于对抗压强度的影响程度。硫酸盐介质影响下，钢纤维仍可增强高强混凝土的抗压强度与弯拉强度，而掺入聚丙烯纤维仅提高了高强混凝土的弯拉强度，且增强幅度较小。由图4(a)、(b)可以看出，硫酸盐介质作用下，28 d与180 d的高强混凝土抗压强度、弯拉强度相差不大。图4(c)表明，适当比例的混掺纤维可以提高硫酸盐介质作用下的高强混凝土早期强度，混掺纤维高强混凝土的后期强度优于单掺纤维或无纤维高强混凝土。对于不同掺入方式的混掺纤维高强混凝土，05％钢纤维混合02％聚丙烯纤维的高强混凝土耐久性良好，但弯拉性能改善效果较小。15％钢纤维混合04％聚丙烯纤维的高强混凝土弯拉性能良好，但抗压强度较低。本试验中，混杂纤维的最佳比例为钢纤维掺量10％加聚丙烯纤维掺量04％。此时混掺纤维高强混凝土的抗压强度比未掺纤维混凝土高198％，弯拉强度大32MPa。

3 结论

1)氯盐溶液与硫酸盐溶液介质对高强混凝土耐久性影响较大，空气与水介质对高强混凝土耐久性影响较小。

2)随着环境介质作用时间的增长，钢纤维仍可有效增强高强混凝土的强度。掺入聚丙烯纤维仅对高强混凝土的弯拉强度有显著影响，混掺纤维的掺入方法可增强高强混凝土的早期强度。

3)掺纤维高强混凝土耐久性能良好，但大含量纤维会导致高强混凝土的耐久性能降低。混掺钢纤维与聚丙烯纤维比单掺纤维对高强混凝土的强度与耐久性具有更好的增强效果。