不同纤维混凝土耐久性研究

孟思宇，左俊卿，王 超

(1.中冶天工上海十三冶建设有限公司城市建设分公司，上海200901;2.同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室，上海201804;3.香港科技大学土木及环境工程系，香港九龙999077)

纤维增强混凝土(或简称纤维混凝土)，是以水泥浆、砂浆或混凝土为基材，以金属材料、无机材料或有机纤维为增强材料组成的一种水泥基复合材料，它是将短而细的，具有高抗拉强度、高极限延伸率、高抗碱性等良好性能的纤维均匀地分散在混凝土基体中形成的一种新型建筑材料[1]。纤维材料的加入，将抑制混凝土早期塑性裂缝的产生，并限制外力作用下水泥基材料中裂缝的扩展，对提高混凝土抗渗、抗冻、抗碳化等耐久性有一定的促进作用[2～4]。常见的增强纤维有尼龙纤维、钢纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维、碳纤维和玻璃纤维等，但在工程中广泛应用的纤维以钢纤维和聚丙烯纤维居多，随着近年来玻璃纤维的改性成功，其在工程中具有越来越大的应用前景。本文采用快冻试验法研究掺加不同纤维的混凝土在冻融循环过程中的质量变化和冻融前后抗压强度的变化，并进行碳化试验，来对比各种纤维对混凝土耐久性的影响。

1 不同纤维对混凝土抗冻性影响

1.1 试验原材料及方法

水泥为中国水泥厂生产的海螺牌P.O42.5水泥;砂:中砂，细度模数为2.6，质量符合GB/T14685－93建筑用砂国家标准;石子:5mm～25mm连续级配，质量符合GB/T14685－93建筑卵石碎石国家标准;水:清洁饮用水;纤维:玻璃纤维1种，聚丙烯纤维2种(以聚丙烯纤维Ⅰ和聚丙烯纤维Ⅱ区分)，钢纤维1种，其基本物理性能见表1。

表1 4种纤维基本物理性能

混凝土抗冻性试验按《水工混凝土试验规程》(SL352－2006)进行，采用快冻试验法。以C50为配合比设计基础，要求坍落度达到180mm～220mm，并以此配合比为基准配合比，通过掺加各种推荐掺量的纤维作为纤维混凝土的配合比，各试样的配合比见表2，制作的试件尺寸为100mm×100mm×100mm。冻融试验前试件在(20±3)℃的水中浸泡4d，然后擦去表面水后，用天平称其重量。采用混凝土快速冻融试验机，对试件在饱和水状态下进行快速冻融试验。在冻结和融化终了时试件中心温度分别控制在－(17±2)℃和(8±2)℃之间，每次冻融循环在2.5h～4h内完成，用于融化的时间不少于整个冻融时间的1/4。每种纤维掺量的试件3个一组，分别经过冻融循环25、50、75、100次后，从冻融箱中取出试件盒，小心将试件从试件盒中取出，冲洗干净擦去表面水分后，称量其质量，并在100次冻融循环后测试试件的抗压强度。

表2 各组试验配合比 /kg/m3

1.2 试验结果与分析

1.2.1 混凝土抗剥落性能试验 混凝土冻融破坏首先表现为表层剥落，由表及里进行冻害损伤。原因在与混凝土表面层含水率通常大于其内部含水率，且受冻时表面的温度低于内部的温度，所以在内外温度应力场作用下冻害往往是由表面层开始逐步深入向内发展。故探寻混凝土的剥落机理，对提高混凝土的抗剥落性能及其耐久性具有非常重要的意义。混凝土的抗剥落性能用混凝土的重量损失率(时间冻融前后重量之差与试件冻融前重量的比值)表示。对不同纤维的混凝土进行试验研究，试验结果见表3。

表3 各个冻融循环次数下混凝土的质量损失率 /%

根据表3绘质量损失率绝对值与冻融循环次数关系曲线可得图1。

图1 各组混凝土质量损失率绝对值与冻融循环次数关系曲线

由图1可得，各组混凝土的冻融试块随着冻融循环次数的增加质量并未损失，反而有一定程度的增加。这是因为基准混凝土的强度很高，达到50MPa以上，冻融循环并未造成其内部和表面破坏，但冻融循环造成试件内部裂隙加大，这些裂隙吸收液态水的质量大于表面浆体层脱落的质量(本次试验中试件表面完好，因此表面浆体层未有明显脱落)，从而引起试件质量的增加。从图1中还可发现，在不同冻融循环次数下，各种纤维表现出了一致的规律，质量增加率始终是:钢纤维混凝土＜玻璃纤维混凝土＜基准混凝土＜聚丙烯纤维混凝土(2种聚丙烯表现出了一致的规律)。在相同的冻融循环次数情况下，其裂隙加大的体积应大致相当，而钢纤维混凝土和玻璃纤维混凝土的质量增加小于基准混凝土，可见钢纤维和玻璃纤维的掺入确可减小由冻融引起的裂隙体积的加大，而聚丙烯纤维混凝土增加的质量大于基准混凝土，并不能说明聚丙烯纤维的掺入导致裂缝加大的体积更多，这里多增加的质量可能是由于聚丙烯纤维自身吸收了更多的水所致[5]。

1.2.2 各组混凝土冻融前后抗压强度 不同纤维混凝土28d龄期和冻融循环100次后立方体抗压强度对比表见表4，柱状图如图2。

表4 各组混凝土冻融前后抗压强度

由图2可以看出，各组混凝土在经历100次冻融循环后，其抗压强度与标准条件养护28d后的抗压强度相比均有所下降。其中基准混凝土下降最大，达到14.7%;两种聚丙烯纤维、玻璃纤维和钢纤维混凝土的强度损失依次为 9.7%、8.2%、6.7%和 4.0%，可见与不含纤维的基准混凝土相比，掺入纤维能明显降低由冻融引起的抗压强度损失。就纤维品种而言，在100个冻融循环下，钢纤维混凝土展示出了最优的抗冻性能，玻璃纤维混凝土次之，聚丙烯纤维提高效果最差，这个和混凝土的冻融循环下混凝土的质量损失率有一定的正相关性，由于聚丙烯纤维混凝土在冻融循环过程中吸收了更多的水分，冻融作用下水的膨胀应力必将对混凝土造成一定的损害，从而导致其强度的降低。

图2 各组混凝土冻融前后抗压强度

2 不同纤维混凝土碳化性能研究

2.1 试验原材料及方法

试样配合比同表2，试件尺寸为100mm×100mm×100mm。混凝土碳化试验按《水工混凝土试验规程》(SL352－2006)进行，碳化试验前试件在(60±2)℃的烘箱中烘干48h，然后直接移入CO2浓度为(20±3)%、温度为(20±5)℃、相对湿度为(70±5)%的标准碳化试验箱中进行碳化试验。碳化至规定龄期，从碳化试验箱中取出试件，用压力机把试块劈开，清洁表面粉末，并立即喷上浓度为1%酚酞乙醇溶液，约30s后，按每10mm一个测量点测出断面各点的碳化深度。

2.2 试验结果与分析

各组试件碳化龄期分别为3d、7d、14d和28d的碳化数据见表5。

表5 各组纤维混凝土不同碳化龄期的碳化深度/mm

由表5得图3。由图3可以看出，各组混凝土的碳化深度均随着碳化龄期的增加而增长，玻璃纤维和两种聚丙烯纤维混凝土的碳化深度均明显小于同期基准混凝土，在28d碳化龄期，聚丙烯纤维Ⅰ混凝土的碳化深度较基准混凝土降低了14.3%，聚丙烯纤维Ⅱ混凝土降低了11.4%，玻璃纤维混凝土降低了10%，聚丙烯纤维对混凝土碳化的改善强于玻璃纤维，钢纤维对混凝土碳化深度的改善有限，较接近基准混凝土。

图3 各组混凝土碳化深度－碳化龄期关系图

纤维改善混凝土的抗碳化能力，一般认为是由于混凝土中加入纤维以后，纤维均匀分布在水泥砂浆中，彼此相连形成网络，抑制骨料下沉，阻碍混凝土拌合物离析，降低混凝土的泌水，从而减少了混凝土中的孔隙通道;同时，大量分布在砂浆中的纤维会使砂浆中的毛细孔变小，毛细管细化甚至堵塞，另外，纤维的加入减少或阻止了混凝土中裂缝的形成、生长及扩展，并阻断裂纹的连通，也就是说，在纤维混凝土中，纤维削弱了CO2的扩散途径，抑制了CO2的扩散，故纤维混凝土的抗碳化能力高于基准混凝土[6]。玻璃纤维和聚丙烯纤维混凝土的抗碳化能力好于钢纤维，是因为钢纤维本身密度较高，且直径较粗，即使在同体积混凝土所含钢纤维体积率较大，钢纤维的纤维间距也明显高于聚丙烯纤维和玻璃纤维。

各纤维混凝土中，纤维的体积率分别为:两种聚丙烯纤维混凝土0.099%，玻璃纤维混凝土0.037%，钢纤维混凝土0.449%。根据Romualdi提出的纤维间距理论[7]，按式(1)计算纤维间距，聚丙烯纤维Ⅰ混凝土中纤维间距为0.557mm，聚丙烯纤维Ⅱ混凝土纤维间距为1.973mm，玻璃纤维混凝土纤维间距为1.004mm，可见聚丙烯纤维Ⅰ的纤维间距明显小于玻璃纤维，其对毛细管细化和阻塞作用更明显;聚丙烯纤维Ⅱ纤维间距大于玻璃纤维，但其对混凝土抗碳化能力的改善也强于玻璃纤维，可能是由于聚丙烯纤维Ⅱ使新拌混凝土具有更好的黏聚性，降低了混凝土的离析和泌水，从而减少了混凝土中的孔隙通道。

式中，df—纤维直径;p—纤维体积百分数，p=100ρf，pf为体积百分数。

3 结论

(1)纤维的掺入可明显提高混凝土的抗冻性能，在100次冻融循环后，混凝土的质量未发生损失，且冻后强度相对保留值为钢纤维混凝土＞玻璃纤维混凝土＞聚丙烯纤维Ⅱ混凝土＞聚丙烯纤维Ⅰ混凝土，说明对混凝土抗冻性能的改善，钢纤维最好，玻璃纤维次之，聚丙烯纤维效果较差。

(2)纤维的掺入提高了混凝土的抗碳化能力，其中聚丙烯纤维的提高效果最明显，玻璃纤维次之，钢纤维较差。

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