混雜纖維粉煤灰混凝土基本力學性能與耐久性研究

陳代君， 陳欣美

（1 新疆建筑科學研究院(有限責任公司),新疆建設工程質量安全檢測中心(有限責任公司),新疆烏魯木齊 830054；2 烏魯木齊職業大學,新疆烏魯木齊 830054）

1 概述

混凝土材料的原料來源廣泛,成本較低,強度高,施工過程簡單易行,是我國建筑工程中使用量最大的建材。然而以水泥為主的傳統建材的制備核心工藝都是煅燒熟料,消耗大量的電能和熱能,耗能嚴重且能量利用率低,還會排放大量的SO2、CO2、CO等溫室氣體,和產生大量的粉塵污染[1]。在國家綠色、可持續發展的理念下,降低混凝土生產過程中的溫室氣體和減少能源的消耗是建筑工程領域的必然道路。

煤炭作為主要的消耗品廣泛應用在金屬冶煉、火力發電等工業場景中,根據研究表明,每消耗1噸的燃用煤,會產生約300kg的粉煤灰,粉煤灰作為燃料(一般指煤)在燃燒過程中產生的不可燃或燃燒不充分導致的微小顆粒,造成嚴重的大氣污染和生態破壞。同時因為粉煤灰的質量很輕,懸浮在空氣中,易被人體吸入,影響人體健康,同時,沉降的粉煤灰還會造成土地的鹽堿化[2]。為了減輕粉煤灰對生態的破壞,研究人員將粉煤灰強吸附能力的特點應用在建材、污水處理和農業等工程領域,更富有創造意義的將粉煤灰和混凝土相結合,開發出粉煤灰混凝土。

粉煤灰混凝土的開發是將粉煤灰取代混凝土中的部分水泥,在回收利用粉煤灰的同時,減少了水泥的使用,另一種意義上減少了水泥工業的污染。根據研究表明,粉煤灰會一定程度上增加混凝土的碳化深度和動彈性模量,改善混凝土的抗腐蝕性能等,但粉煤灰的加入會使得混凝土密度降低,強度也會受到一定的影響,為了加強粉煤灰混凝土的力學性能,研究人員將纖維混雜在混凝土中,以加強粉煤灰的強度和韌性等性能[3]。

2 粉煤灰與纖維混雜混凝土

2.1 粉煤灰混凝土

粉煤灰是經過煤炭等燃料經過燃燒后,一些不可燃的無機物分散而成的固體細小顆粒,由于粉煤灰本質上是不可燃的無機材料,本身并不存在凝膠特性,但當其與混凝土混合時,在環境中有水的參與下,粉煤灰會和混凝土發生反應,得到水化硅酸鈣凝膠(C-S-H凝膠)[4],水化硅酸鈣凝膠具有粒徑小、比表面積大和表面能高等特點,在水泥的凝結過程中,可作為填充物填充水泥中的微小孔隙。同時粉煤灰表面光滑的形貌特點和其對水的吸附力小的理化性質使得粉煤灰混凝土對水的需求量較少,加快了混凝土的凝結時間,提高混凝土的致密度[5]。除此之外,均勻分布的粉煤灰不僅可以作為填充物改善水泥多孔結構,還可以改善凝膠的顆粒分配,使得水泥的強度和抗滲性都有所提高[6]。

在對粉煤灰混凝土的研究中,粉煤灰起初是為了改善混凝土的工作性,但后來的研究發現粉煤灰對混凝土的加強作用可使得其運用于許多特殊環境,如三峽工程就使用到了粉煤灰摻雜混凝土來提高混凝土的耐久和穩定性等[7]。Seo等[8]研究發現粉煤灰的摻雜會增強再生骨料混凝土的碳化反應,所制混凝土的動彈性模量也有一定幅度的升高。而Wang等[9]對粉煤灰混凝土的抗滲性進行研究時發現,加入粉煤灰的混凝土組別表現出了對氯離子更好的抗滲性,且在進行了凍融循環實驗后的質量損失也更小。在其小組更新的研究[10]表明,粉煤灰也會提高混凝土的耐蝕性。關于粉煤灰提升混凝土的力學性能也有研究,Gao等[11]發現一定范圍內粉煤灰的添加量越高,混凝土的抗拉性能越高,但也有研究表明粉煤灰的加入使得混凝土的長期服役后抗壓強度和抗彎折能力相對平行組有較大的下降。

2.2 混雜纖維混凝土

混凝土作為現代建筑工程領域最為常用的建筑材料,具有強度高、穩定性好等優點,但混凝土的缺點也十分明顯：脆性過大、抗彎折能力過低,影響了其在多種環境下的應用。為了增強混凝土的韌性,研究人員將纖維材料與混凝土混雜,使得復合混凝土材料具有一定的混雜纖維特性,提高混凝土的抗裂性能和抗彎折能力[12-13]。

現在市場常見的增強纖維相分為有機高分子纖維和無機纖維。有機纖維混雜的混凝土的韌性有一定程度上的提高,混凝土具備一定的抗沖擊性能,且有機長纖維的混雜還可以在混凝土的凝結過程中充當橋連的作用,延緩裂紋的萌發和擴展[14],短纖維的強化機理以填充孔隙和高表面能對混凝土粘合度增加實現的[15]。而無機纖維材料對混凝土的加強較多體現在抗壓強度等力學性能上。研究人員如Roohollah[16]、Qian[17]等均發現聚丙烯纖維復合混凝土的抗拉強度和韌性有所提高。其他研究也指出,纖維的混雜也會對混凝土造成負面效應,在高溫環境下,有機纖維混雜混凝土的失效程度比普通混凝土要高,其抗碳化和抗滲性也有所降低,這與混凝土內混雜的類型相關[18]。

不同種類和形態的纖維對混凝土的影響各不相同,為了有效結合各種纖維混雜混凝土的優點,研究人員于上個世紀就開發出了多種纖維混雜的方式對混凝土進行增強。然而,實驗表明,多種纖維的混雜并不都是對混凝土的性能進行增強的,大多呈現出負向混雜效應,即混凝土的性能反而比不上單一纖維混雜后的性能。賀晶晶等[19]在對多種纖維混雜的研究中發現,聚丙烯與玄武巖纖維的混雜組合對混凝土有著正向促進作用,這種促進作用也稱為“正混雜效應”。曹二偉等[20]在此基礎上發現了鋼纖維和聚丙烯纖維的混雜同樣具有正混雜效應,并且鋼纖維“聚丙烯纖維和玄武巖纖維”聚丙烯纖維混雜后的混凝土的碳化速度有所降低,后者碳化速率的降低幅度高達40%。

2.3 混雜纖維粉煤灰混凝土力學性能與耐久性

在混雜纖維混凝土技術發展的基礎上,研究人員將粉煤灰混凝土的設計理念加入到混雜纖維混凝土中,由于粉煤灰混凝土的缺陷大多在于致密度與力學性能上,混雜纖維混凝土的高致密性和優越的力學性能對粉煤灰混凝土有著較好的互補性。張明[21]將粉煤灰以陶粒的方式加入到鋼纖維-聚丙烯纖維混凝土中,并使用正交實驗思路對陶粒摻雜量對混雜纖維增強混凝土性能的影響進行分析。結果表明,水泥用量、粉煤灰砂率和聚丙烯纖維摻量都會對混雜纖維增強粉煤灰陶粒混凝土的抗壓強度有著較大的影響,其中水泥用量的影響最大,聚丙烯纖維摻量對其影響最小,42%的粉煤灰砂率和1.2kg·m-3的聚丙烯纖維摻量表現出最佳的混凝土性能,為混雜纖維增強粉煤灰陶粒混凝土的推廣及應用提供了試驗依據及參考。而侯經文[22]的研究表明,在H20、MgSO4、Na2SO4三種不同的服役環境中,粉煤灰摻量較低時混凝土的強度較大,且隨著干濕循環的進行,混凝土的強度有著小幅度的提升。該發現與Guilherme[23]的發現一致,粉煤灰混凝土的壓縮強度隨著粉煤灰含量的不斷增加而提升。除此之外,付轉霞[24]的研究表明,纖維混凝土會在硫酸鹽環境中與硫酸根發生化學反應,產生的鈣礬石和石膏會對纖維混凝土的孔隙有填充作用,通過對混凝土致密度化來提升了纖維混凝土的壓縮強度。

然而王軍[25]和李瑜[26]等人對粉煤灰-鋼纖維混凝土的力學性能研究中則顯示,粉煤灰的添加對鋼纖維混凝土的綜合性能存在一定的劣化作用,且粉煤灰用量大于10%～20%時,各項性能下降趨勢更為明顯。李肖[27]則將基準混凝土和粉煤灰混凝土進行凍融循環實驗對比,基準混凝土的抗壓強度會隨著凍融循環次數的增加而降低,然而粉煤灰混凝土的抗壓強度在凍融循環初期會有小幅度的升高,后期慢慢降低。程猛[28]在對粉煤灰纖維混雜混凝土的凍融循環實驗中對這種現象進行了解釋,混凝土內部的凍脹和滲透壓力和凍融循環產生的疲勞是產生損傷的原因,而粉煤灰的摻入可以有效減緩了壓力引起的應力集中,從而增加了混凝土抵抗凍融破壞的能力。

3 結語

混雜纖維粉煤灰混凝土的開發和應用不僅緩解了粉煤灰的污染問題,且隨著混凝土技術的發展,混雜纖維粉煤灰混凝土的配比等基礎研究已經越發成熟,混凝土的綜合性能已經有著較大的提升,且在抗凍方面有著獨特優勢,開始應用于各個領域中。但是依然存在很多問題,粉煤灰對混凝土的劣化作用不可小視,是以后需要攻克的難點。