高性能流動(dòng)混凝土耐久性研究

甘霖

摘要：文章通過(guò)采用不同摻量組合纖維（鋼纖維、棕櫚纖維和合成纖維）配制成高性能流動(dòng)混凝土，研究其力學(xué)性能和耐久性，分析不同纖維在不同養(yǎng)護(hù)條件下（水固化和海水固化）對(duì)高性能混凝土試件的抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、靜態(tài)彈性模量和滲透性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)采用1.5%～1.75%鋼纖維、0.25%～0.5%棕櫚纖維和合成纖維組合的混合纖維能明顯提高混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、彈性模量，達(dá)到最佳效果，且經(jīng)過(guò)海水侵蝕的混凝土具有較好的抗?jié)B性。

關(guān)鍵詞：纖維；高性能流動(dòng)混凝土；配合比；力學(xué)性能；耐久性

0引言

水泥混凝土的性能取決于生產(chǎn)過(guò)程中使用的原材料質(zhì)量，但混凝土原材料生產(chǎn)對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞巨大，因此研究配制具有高性能、高韌性、高和易性和高耐久性的混凝土是迫切需要［1-2］。將纖維摻入混凝土材料中可提高其彎曲韌性和抗裂性，可使混凝土多種性能得到改善。其中，鋼纖維混凝土具有較好的力學(xué)強(qiáng)度和抗彎性，但鋼纖維含量不易過(guò)多，否則由于鋼纖維的存在，易使混凝土導(dǎo)電，引起一定的弊端［3］。優(yōu)化混凝土性能可選擇不同纖維材料組合摻入到混凝土中，以增強(qiáng)混凝土的不同性能。其中，第一種纖維提高混凝土開(kāi)裂應(yīng)力和極限強(qiáng)度；第二種纖維可改善混凝土的柔韌性和延展性，使開(kāi)裂后的混凝土仍具有韌性和應(yīng)變能力，可以阻止擴(kuò)展的宏觀裂紋并顯著提高復(fù)合材料的韌性，減小裂縫寬度，也提高了纖維混凝土拉伸強(qiáng)度［4-5］。不同尺寸和類型的混合纖維增強(qiáng)混凝土的性能不僅優(yōu)于鋼纖維混凝土，而且也好于單一尺寸和類型的纖維混凝土［6］。

因此，本文研究高性能流動(dòng)混凝土（HSFC）的基本特性，使不同摻量的混合纖維（3種不同類型的纖維，即鋼纖維、棕櫚纖維和合成纖維）摻入混凝土，通過(guò)對(duì)不同養(yǎng)護(hù)條件和養(yǎng)護(hù)齡期的纖維混凝土試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、彈性模量和滲透性等方面性能的測(cè)試分析，研究在海水養(yǎng)護(hù)條件下受海水侵蝕的纖維混凝土試件性能。

1 原材料分析和試驗(yàn)方法

1.1 原材料

（1）水泥及硅灰穩(wěn)定劑。采用普通硅酸鹽水泥（P·O42.5）及硅灰作為混凝土的穩(wěn)定材料，水泥及硅灰的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)符合規(guī)范要求，如表1所示。

（2）本文采用3種不同纖維增強(qiáng)混凝土耐久性，棕櫚纖維、合成纖維、鋼纖維的各項(xiàng)物理技術(shù)指標(biāo)分別如表2～4所示，其檢測(cè)結(jié)果符合規(guī)范要求。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

本文采用水和穩(wěn)定劑（水泥+硅灰）比為0.43，共配制了17種混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，如表5所示。水泥、硅灰和沙子摻量保持不變。減水劑的用量為穩(wěn)定劑（水泥+硅灰）材料重量的1.8%～2.2%，為了保持混凝土的工作性及均勻性，減水劑摻量為2.2%。以0.25%～2%綱纖維摻量配制成的混凝土為C1～C8；采用不同摻量鋼纖維和棕櫚纖維的混合纖維配制的混凝土為C9～C12；3種不同摻量的混合纖維（鋼纖維、棕櫚纖維和合成纖維）制備的混凝土為C13～C16。

1.3 試驗(yàn)方法

本文采用每種配合比制成3個(gè)100 mm×100 mm×100 mm的立方體混凝土試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)90 d或在海水條件下養(yǎng)護(hù)90 d和180 d后，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試；采用每種配合比制成3個(gè)半徑為150 mm、高為150 mm的混凝土圓柱體試件進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試；采用每種配合比制成3個(gè)半徑為150 mm、高為300 mm的混凝土圓柱體試件進(jìn)行靜態(tài)彈性模量測(cè)試；采用每種配合比制成3個(gè)100 mm×100 mm×100 mm的立方體混凝土試件進(jìn)行抗彎強(qiáng)度測(cè)試。

混凝土滲透測(cè)試程序：（1）標(biāo)本取芯，半徑為40 mm、高60 mm的混凝土圓柱體試件；（2）將試樣在烘箱中干燥72 h，以確保測(cè)試干燥試件；（3）在圓柱體曲面上涂上硅橡膠化合物，并置于干燥器中24 h；（4）將試樣置于滲透器中，施加氣壓；15 min后試樣達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；（5）使用氣泡計(jì)測(cè)量氣體流動(dòng)時(shí)間［7］。混凝土滲透率計(jì)算關(guān)系式如下：

2 結(jié)果與討論

2.1 不同纖維對(duì)混凝土工作性能的影響

由表5可分析出不同纖維摻量對(duì)混凝土流動(dòng)性能的影響效果，由于鋼纖維的加入降低了高性能流動(dòng)混凝土的流動(dòng)性，因此需要在纖維混凝土中加入更多的減水劑才能滿足混凝土和易性的需求。混凝土中，采用棕櫚纖維、合成纖維、混合纖維代替鋼纖維都會(huì)導(dǎo)致更好的流動(dòng)性。因此，棕櫚纖維和合成纖維對(duì)混凝土流動(dòng)性或工作性的影響遠(yuǎn)小于鋼纖維混凝土。

2.2 抗壓強(qiáng)度分析

由表6可知，當(dāng)鋼纖維摻量為0～1%時(shí)，隨著鋼纖維摻量的增加，其抗壓強(qiáng)度也隨之增加，由于混凝土中孔隙率降低，同時(shí)也增加了混凝土力學(xué)的粘結(jié)強(qiáng)度；鋼纖維摻量從0增加到1%時(shí)，高性能流動(dòng)混凝土抗壓強(qiáng)度增加了10%。但當(dāng)鋼纖維摻量為1%～2%時(shí)，隨著摻量繼續(xù)增加，混凝土抗壓強(qiáng)度卻隨之降低。因此在纖維混凝土中鋼纖維摻量為1%時(shí)，單一纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度較好。

由混合纖維材料試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)棕櫚纖維摻量為0.25%～0.5%及鋼纖維摻量為1.5%～1.75%時(shí)，其高性能流動(dòng)混凝土抗壓強(qiáng)度值最大，這是由于不同尺寸和類型的混合纖維會(huì)提供不同約束條件。而且，由于混合纖維的加入，提高了混凝土力學(xué)粘結(jié)強(qiáng)度，纖維在一定程度上能夠延遲微裂紋的形成及發(fā)展。當(dāng)采用摻量＞0.5%棕櫚纖維或棕櫚纖維和合成纖維時(shí)，可明顯發(fā)現(xiàn)不同摻量混凝土抗壓強(qiáng)度會(huì)明顯降低，棕櫚纖維或棕櫚纖維本身的剛度較低及混凝土試件在受壓過(guò)程中易使砂漿基質(zhì)位置，進(jìn)而降低了高性能流動(dòng)混凝土整體抗壓強(qiáng)度。

高性能流動(dòng)混凝土經(jīng)過(guò)海水固化后，其混合纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度降低了5%～9%。而在采用鋼纖維和棕櫚纖維或鋼纖維、棕櫚纖維和合成纖維組合形成混合纖維的混凝土后，其抗壓強(qiáng)度降低較小，表明不同類型纖維組合加入到混凝土中改善了高性能流動(dòng)混凝土空隙率，使混凝土在海水的侵蝕作用下依舊保持較高的抗壓強(qiáng)度。

2.3 抗彎強(qiáng)度分析

高性能流動(dòng)混凝土的抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表7所示，隨著鋼纖維摻量的增加，鋼纖維混凝土的抗彎強(qiáng)度也隨之增加。當(dāng)鋼纖維摻量為1.5%時(shí)，其抗彎強(qiáng)度增長(zhǎng)約36%，鋼纖維改善了高性能流動(dòng)混凝土的韌性基體、致密性和均勻性。當(dāng)鋼纖維摻量＞1.5%時(shí)，其抗彎強(qiáng)度略有降低。

1.75%鋼纖維與0.25%棕櫚纖維組成的混合纖維（C9）及1.5%鋼纖維+0.25%棕櫚纖+0.25%合成纖維（C16）的合成纖維明顯提高了纖維混凝土抗彎強(qiáng)度，相比于不含纖維混凝土，含纖維混凝土抗彎強(qiáng)度最高可增加40%，鋼纖維具有較強(qiáng)的剛度且可改善混凝土首次開(kāi)裂強(qiáng)度，而棕櫚纖維和合成纖維相對(duì)柔韌，從而提高了開(kāi)裂后混凝土的韌性。

經(jīng)過(guò)海水侵蝕的纖維混凝土，其抗彎強(qiáng)度降低約4%～7.5%。這是由于混凝土試件表面鋼纖維遭到腐蝕進(jìn)而降低了混凝土的抗彎強(qiáng)度，致使混凝土表面產(chǎn)生脫落；由于鋼纖維的開(kāi)裂和脆弱性增加，引起鋼纖維混凝土的表面劣化嚴(yán)重降低了混凝土的彎曲應(yīng)力。因此，不同類型的混合纖維提高了混凝土的抵抗力。

2.4 靜態(tài)彈性模量分析

如表8所示為高性能流動(dòng)混凝土靜態(tài)彈性模量計(jì)算結(jié)果，采用2%的鋼纖維導(dǎo)致靜態(tài)彈性模量的增加。分析C0與C8的彈性模量測(cè)試結(jié)果，靜態(tài)模量彈性由42.1 GPa增加到54.8 GPa，鋼纖維的剛度較好，這導(dǎo)致高性能流動(dòng)混凝土的彈性模量更高。在摻量為0.25%～0.5%的棕櫚纖維以及棕櫚纖維和合成纖維與鋼纖維形成的混合纖維中，C9和C16的靜態(tài)彈性模量值最高，彈性模量的增加是由于混凝土減少顆粒基質(zhì)的脫落，即骨料的彈性模量與硬化水泥漿體的彈性模量之差變得足夠小，從而導(dǎo)致混凝土更高的粘合強(qiáng)度，使混凝土具有較高的彈性模量。

經(jīng)過(guò)180 d海水侵蝕作用下纖維混凝土的彈性模量下降了3%～7%，鋼纖維、棕櫚纖維和合成纖維組合的混合纖維靜態(tài)彈性模量降低最少，說(shuō)明含有不同類型纖維的混凝土具有控制試件內(nèi)部開(kāi)裂的能力。因?yàn)樽貦袄w維和合成纖維的存在減少了鋼纖維表面的腐蝕，所以這些纖維對(duì)海水中侵蝕的混凝土試件具有更強(qiáng)的耐久性。

2.5 抗?jié)B性分析由表9可知，經(jīng)過(guò)海水侵蝕的摻量為2%鋼纖維混凝土滲透性相比于標(biāo)準(zhǔn)水養(yǎng)護(hù)的正常養(yǎng)護(hù)試樣的滲透性，其滲透率由7.36×10-18 m2降至4.21×10-18 m2。混合纖維的測(cè)試結(jié)果還表明，這種夾雜物可顯著降低滲透性。含纖維混凝土滲透率都有所下降，不同類型組合摻量的混合纖維混凝土滲透率最低。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)配合比設(shè)計(jì)、力學(xué)特性及耐久性試驗(yàn)研究不同纖維摻量的高性能流動(dòng)混凝土基本性能，得出主要結(jié)論如下：

（1）當(dāng)鋼纖維摻量為1%時(shí)，高性能流動(dòng)混凝土的抗壓強(qiáng)度提高了30%；采用-0.5%～0.2%的棕櫚纖維和1.5%鋼纖維組成的混合纖維混凝土抗壓強(qiáng)度明顯得到提高。經(jīng)過(guò)180 d海水侵蝕鋼纖維混凝土與1.5%鋼纖維、0.25%棕櫚纖維和0.25%合成纖維的混合纖維混凝土抗壓強(qiáng)度降低9%。

（2）當(dāng)鋼纖維摻量為1.5%時(shí)，高性能流動(dòng)混凝土的抗彎強(qiáng)度提高約36%；采用1.5%鋼纖維、0.25%棕櫚纖維或0.25%合成纖維組成的混合纖維的180 d海水侵蝕抗彎強(qiáng)度降低最少。

（3）摻量為1.5%鋼纖維、0.25%棕櫚纖維和合成纖維的混合纖維混凝土靜態(tài)彈性模量值最高，且經(jīng)過(guò)180 d海水侵蝕，彈性模量?jī)H降低3%。

（4）摻量為2%鋼纖維混凝土滲透率由7.36×10-18 m2降至4.21×10-18 m2。海水暴露180 d后滲透率增加的百分比表明，混合纖維混凝土提供的滲透率最低；含纖維混凝土滲透率都有所下降，不同類型組合摻量的混合混凝土滲透率最低。

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作者簡(jiǎn)介：甘 霖（1991—），工程師，主要從事道路檢測(cè)方面的研究工作。