硫酸鹽干濕循環(huán)作用下纖維混凝土力學性能研究

王 飛

(1.中國水電建設(shè)集團十五工程局有限公司，陜西 西安 710000，2.陜西秦海檢測科技有限公司，陜西 西安 712000)

0 引言

硫酸鹽對混凝土的腐蝕是較嚴重的危害之一，針對如何防止自然環(huán)境中的硫酸鹽對混凝土的腐蝕，學者們進行了多方面研究。關(guān)喜彬[1]研究了凍融循環(huán)周次對混雜纖維混凝土孔結(jié)構(gòu)影響，研究結(jié)果表明：隨著凍融循環(huán)周期的增加，混雜纖維混凝土抗壓和劈裂抗拉強度較凍融前明顯降低，凍融損傷量增大；趙雅明等[2]對混雜纖維增強高強混凝土性能進行了研究，研究結(jié)果表明：混雜纖維降低了混凝土的工作性，但提高了混凝土抗裂性能；韓亞兵[3]對城市軌道交通隧道混雜纖維高性能混凝土耐久性能試驗進行了研究，研究結(jié)果表明：混摻玄武巖纖維和鋼纖維的高性能混凝土的抗硫酸鹽腐蝕能力，較單摻纖維的混凝土有顯著提高，混凝土中適量的摻入玄武巖纖維或鋼纖維可有效提高高性能混凝土的抗凍能力；徐超[4]，辛明等[5]對玄武巖-聚丙烯纖維混凝土抗硫酸鹽干濕循環(huán)試驗進行了研究，研究結(jié)果表明：在混凝土中適量摻入纖維能夠提升混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力。

根據(jù)以上學者對玄武巖纖維和聚丙烯纖維混雜混凝土的研究，模擬硫酸鹽腐蝕環(huán)境，采用玄武巖纖維和聚丙烯纖維混凝土進行不同比例的混合，將制成的纖維混凝土作為試驗對象，進行硫酸鹽干濕循環(huán)試驗，對纖維混凝土的力學性能進行研究。

1 項目概況

項目位于山東半島東端，規(guī)劃在黃海海岸劃分部分區(qū)域建設(shè)海域養(yǎng)殖基地，基地內(nèi)擬建漁船停靠碼頭，采用的纖維混凝土極易受到海水中硫酸鹽的腐蝕，對纖維混凝土的抗壓強度及劈裂抗拉強度要求較高，對此，本文模擬硫酸鹽腐蝕環(huán)境，采用玄武巖纖維和聚丙烯纖維不同比例的混合，將制成的纖維混凝土作為試驗對象，進行硫酸鹽干濕循環(huán)試驗，對纖維混凝土的力學性能進行了研究。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

試驗以不摻入纖維的素混凝土為基準混凝土，基準混凝土采用水泥、粗骨料、細骨料、和攪拌用水制成，配合比見表1。水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，粗骨料為天然碎花崗石，粒徑為5～18mm，細骨料為優(yōu)質(zhì)河砂，粒徑為0.25～0.6mm，砂率為36.5%，水為普通生活用水。

表1 基準混凝土的配合比 單位：kg/m3

試驗采用的纖維混凝土為玄武巖纖維混凝土和聚丙烯纖維混凝土，玄武巖纖維為高彈模量，聚丙烯纖維為低彈模量，2種纖維的物理性能見表2。

表2 纖維的物理性能

2.2 試驗方法

試驗制備普通混凝土和纖維混凝土共10種類型，纖維混凝土中玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比分別為1∶1、1∶2、2∶1，纖維體積摻量分別為0.06%、0.12%、0.18%。將制備好的不同種類的混凝土試件分為3組，每組10個，各種類型各1個，共30個。將制備好的混凝土拆除模具后，放入標準養(yǎng)護室進行28d的標準養(yǎng)護。養(yǎng)護結(jié)束后對混凝土試件進行硫酸鹽干濕循環(huán)試驗。

將達到養(yǎng)護齡期的混凝土試件從養(yǎng)護室取出，自然晾干，取表面平整的試件放入方形玻璃容器中，每個試件擺放間距為25mm。混凝土試件擺放完成后，將5%的硫酸鈉溶液注入玻璃容器中，當溶液表面高于試件50mm時，停止注入溶液。然后將容器采用透明薄膜密封，防止容器中硫酸溶液揮發(fā)，影響試驗精度。混凝土試塊在溶液中浸泡5d后，取出試件，放在室內(nèi)進行5d自然晾干，將此步驟作為1個干濕循環(huán)周期，再重復進行相同的操作。試驗過程中每隔30d更換1次溶液，確保硫酸鈉溶液濃度為5%，經(jīng)過12個干濕循環(huán)周期后，觀察混凝土的表面變化，對干濕循環(huán)結(jié)束后混凝土試件進行力學性能試驗。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 混凝土的抗壓強度

素混凝土及纖維混凝土的試驗結(jié)果見表3，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，可得纖維混凝土(玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比1∶1)的抗壓強度曲線，及各類混凝土硫酸鹽干濕循環(huán)下的抗壓強度對比曲線，如圖1所示。

表3 素混凝土及纖維混凝土的試驗結(jié)果

如圖1(a)所示，在自然環(huán)境條件下，纖維混凝土的抗壓強度均大于素混凝土。隨著纖維摻量的增加，混凝土的抗壓強度先增大再減小。當纖維摻量為0.06%時，自然環(huán)境下纖維混凝土和腐蝕環(huán)境下纖維混凝土的抗壓強度分別為44.6、49.4MPa；當纖維摻量為0.12%時，2類混凝土的抗壓強度分別為49.2、53.2MPa；當纖維摻量為0.18%時，2類混凝土的抗壓強度分別為49.1、50.6MPa。纖維摻量為0.12%的混凝土抗壓強度最大，相較素混凝土，強度提高了9.2%。由此可知，混凝土摻量0.12%的纖維可以有效的提高混凝土的抗壓強度。

如圖1(b)所示，對照表3所列數(shù)據(jù)，素混凝土的抗壓強度最小，最小值為40.2MPa，當混凝土中摻入纖維后，其抗壓強度較素凝土，均增大明顯。當玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比2∶1、纖維摻量為0.12%時，制成的纖維混凝土抗壓強度最大，最大值為49.8MPa，其次為玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比1∶1的纖維混凝土，抗壓強度為49.6MPa。由此可知，素混凝土摻入合適比例的纖維，能有效的提高混凝土的抗壓強度[6-7]。

由圖1可知，摻入纖維的混凝土，抗壓強度均大于素混凝土，纖維摻量為0.12%的混凝土抗壓強度最大。當纖維摻量為0.12%、玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比為2∶1時，制成的纖維混凝土抗壓強度最大，玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比為1∶1時，制成的纖維混凝土抗壓強度次之。

3.2 混凝土的劈裂抗拉強度

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，可得纖維混凝土(玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比1∶1)的劈裂抗拉強度曲線，及各類混凝土硫酸鹽干濕循環(huán)下的劈裂抗拉強度對比曲線，如圖2所示。

如圖2(a)所示，在自然環(huán)境條件下，纖維混凝土的劈裂抗拉強度均大于素混凝土。隨著纖維摻量的增加，混凝土的劈裂抗拉強度均逐漸增大。當纖維摻量為0.06%時，自然環(huán)境下纖維混凝土和腐蝕環(huán)境下纖維混凝土的劈裂抗拉強度分別為3.6、3.1MPa；當纖維摻量為0.12%時，2類混凝土的劈裂抗拉強度分別為3.8、3.6MPa；當纖維摻量為0.18%時，2類混凝土的劈裂抗拉強度分別為4.2、4MPa。纖維摻量為0.18%的混凝土抗拉強度增加明顯，相較素混凝土，抗拉強度提高了23.5%。纖維摻量為0.06%、0.12%的混凝土抗拉強度相較素混凝土，抗拉強度分別提高了5.8%、11.7%。由此可知，混凝土摻入0.18%的纖維，其抗拉強度最大，混凝土摻入0.12%的纖維，其抗拉強度次之。

如圖2(b)所示，素混凝土的抗拉強度最小，最小值為2.46MPa，當混凝土中摻入纖維后，其劈裂抗拉強度均大于素混凝土，當玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比1∶1、纖維摻量為0.18%時，制成的纖維混凝土劈裂抗拉強度最大，最大值為4MPa，其次為玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比2∶1、纖維摻量為0.18%的纖維混凝土，其抗壓強度為3.93MPa。由此可知，素混凝土摻入合適比例的纖維，能有效的提高混凝土的抗劈裂強度。

由圖2可知，纖維混凝土抗劈裂強度均大于素混凝土，纖維摻量為0.18%的混凝土劈裂抗拉強度最大，當纖維摻量為0.18%、玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比為1∶1時，制成的纖維混凝土劈裂抗拉強度最大，玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比為2∶1時，制成的纖維混凝土劈裂抗拉強度次之。

3.3 混凝土的軸心抗壓強度

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，可得纖維混凝土(玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比1∶1)的軸心抗壓強度曲線，及各類混凝土硫酸鹽干濕循環(huán)下的軸心抗壓強度對比曲線，如圖3所示。

圖3 混凝土的軸心抗壓強度

如圖3(a)所示，在自然環(huán)境條件下，纖維混凝土的軸心抗壓強度均大于素混凝土。隨著纖維摻量的增加，自然環(huán)境下的纖維混凝土的軸心抗壓強度先減小再增大，然后再減小，腐蝕環(huán)境下的軸心抗壓強度先增大再減小。在玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比為1∶1條件下，當纖維摻量為0.12%時，混凝土的軸心抗壓強度最大，相較素混凝土的軸心抗壓強度增加了9.4%。腐蝕環(huán)境條件下，當玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比為1∶1、纖維摻量分別為0.05%、0.12%、0.18%時，混凝土的軸心抗壓較素混凝土的軸心抗壓強度分別增加了7.2%、19.3%、13.5%。由此可知，纖維摻量為0.12%的纖維混凝土，軸心抗壓強度最大，纖維摻量為0.06%的纖維混凝土，軸心抗壓強度次之。

如圖3(b)所示，隨著纖維摻量的增加，混凝土的軸心抗壓強度均逐漸增大，玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比為2∶1、纖維摻量為0.18%時，混凝土軸心抗壓強度最大，當玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比為1∶1、纖維摻量為0.12%時，混凝土軸心抗壓強度次之。由此可知，玄武巖纖維混合比的增大，能有效增加混凝土軸心抗壓強度。

由圖3可知，玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比為1∶1條件下，纖維摻量為0.12%的纖維混凝土，軸心抗壓強度最大，纖維摻量為0.06%的纖維混凝土，軸心抗壓強度次之。當玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比為2∶1、纖維摻量為0.18%時，混凝土軸心抗壓強度最大，當玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比為1∶1、纖維摻量為0.12%時，混凝土軸心抗壓強度次之。

4 結(jié)論

本文通過模擬硫酸鹽腐蝕環(huán)境，采用玄武巖纖維和聚丙烯纖維混凝土進行混合，制成纖維混凝土，進行硫酸鹽干濕循環(huán)試驗，分析纖維混凝土的力學性能，結(jié)果表明：混凝土中適量摻入纖維，可提高混凝土抗壓強度及劈裂抗拉強度。纖維摻量為0.12%的混凝土抗壓強度最大。當纖維摻量為0.12%、玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比為2∶1時，制成的纖維混凝土抗壓強度最大；當纖維摻量為0.18%、玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比為1∶1時，制成的纖維混凝土劈裂抗拉強度最大；玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比為2∶1、纖維摻量為0.18%時，混凝土軸心抗壓強度最大。