耐碱玻璃纤维在道路混凝土中的应用

2014-11-20黄艳

交通运输研究 2014年12期

黄艳

（新疆华天工程建设股份有限公司，新疆乌鲁木齐 830011）

0 引言

耐碱玻璃纤维是一种用来增强混凝土的肋筋材料，它的优点在于耐碱、抗腐蚀、抗冲击、抗拉抗弯、抗冻抗裂等，可设计性比较强，可以替代石棉和钢材。混凝土是一种脆性的材料，加入耐碱玻璃纤维后可以有效提高其力学性能。耐碱玻璃纤维依靠它的优点成为一种广泛应用于增强道路混凝土的新型材料。为了保证耐碱玻璃纤维的增强效果及结构的安全可靠性，必须使玻璃纤维在混凝土中保持长期的强度和韧性，然而工程中使用的水泥基材料会腐蚀耐碱玻璃纤维，损害材料的性能稳定，降低材料强度。

1 试验方法与结果

1.1 原料与养护条件分析

水泥：采用某水泥厂生产的符合GB 175—99要求的32.5级普通硅酸盐水泥。

耐碱玻璃纤维：试验中使用的是某玻璃纤维公司生产的耐碱玻璃纤维，该纤维的标准是：长度为12mm，抗拉强度是2 480MPa，含锆量在16.7%左右，1cm3中大约含有2.7g耐碱玻璃纤维。

粉炭灰和骨料：本文所采用的粉炭灰是新疆电厂的Ⅱ级材料，符合GB 1596—91规定和质量要求；对于细骨料而言，其主要是江沙，这些江沙的细度模数MX为2.7。而对于粗骨料，主要是由人工碎石组成，其直径不超过20mm。

在标准养护过程中，混凝土试件拆模以后，应当即置于水中进行养护，其中水温应当控制在20℃左右。对于热养护而言，通常是在标准养护之后的3d内进行，其主要采用不同梯度的温度对其进行慢慢的加热，当温度达到80℃以后才开始保持恒温，直至达到测试龄期为止。

1.2 试验方法

实践中，如果将耐碱玻璃纤维放置于水泥浆萃取液中，整个试验过程的时间消耗会比较长，同时也可能会改变耐碱玻璃纤维质量，难以准确反映出耐碱玻璃纤维的受腐蚀度。基于此，在该试验操作过程中，采用的主要是对耐碱玻璃纤维砂浆试件自身的腐蚀程度检验等方法，在温度不断升高过程中，加速试件老化，以此来推测其中建筑结构混凝土中的耐碱性能和实际可应用期限。

试验操作步骤和方法：采用先掺法对纤维砂浆试件进行制备，试件规格为40mm×40mm×160mm，其制备流程如图1所示；在完成上述操作以后的24h内，实施拆模操作，然后将试件于标准养护状态下养护3d的时间；对试件采取一定的热养护措施，以此来测试该试件自身的抗折强度和能力。

图1 耐碱玻璃纤维砂浆制备工艺流程

1.3 试验分析

1.3.1 砂浆中的耐碱玻璃纤维腐蚀性分析

在水泥砂浆中加入一定量的活性掺和料以及耐碱玻纤，如表1所示，其中Mf代表的活性掺和料是粉煤灰、Ms代表的是硅灰。

表1 砂浆试验方案

试验中可以看到，水泥水化试验中会形成碱性溶液，这将在一定程度上腐蚀玻璃纤维，进而降低玻璃纤维自身的荷载和抗拉强度。腐蚀强度不断增加的过程中，纤维出现一系列毛细孔及相关问题，这在很大程度上降低了砂浆自身的抗折性能和强度。大量的试验表明，方案一中的Mc1养护龄期达到4d时，其抗折强度就会达到最大限度，然后逐渐下降，同时该期间内的耐碱玻璃纤维自身的抗折强度开始慢慢的退化。然而，对于空白件Mc0而言，其抗折强度在不断的增加，这说明耐碱玻璃纤维很容易遭到严重的腐蚀而影响其性能，如图2所示。

图2 试件的抗折强度与养护龄期的关系

1.3.2 活性掺和料抑制腐蚀的作用分析

基于试验观察，若直接将一定量的耐碱玻璃纤维放入砂浆之中，则纤维就会遭受非常严重的腐蚀，最终丧失其抗压性能，这在很大程度上会对水泥整体性能产生不利影响。实践中，通过将活性掺和料加入到水泥砂浆之中进行试验操作，就其试验结果可以得出以下结论，即活性掺和料应用过程中，可对耐碱性纤维抑制性产生不利影响，甚至使其遭受严重的腐蚀。

方案二中加入的粉煤灰量大约在30%，其中Mf1砂浆自身的抗折强度处于最低阶段时，在第3d出现，随后便不断的增强。方案三中加入的粉煤灰量大约在40%，其中Mf3砂浆自身的抗折能力也在不断的增强。方案四中加入的是硅灰，其中Ms1砂浆自身的抗折能力会在第5d出现最低，然后持续走高，如图3所示。

图3 掺活性掺和料砂浆的抗折强度与养护龄期的关系

通过以上试验发现，加入粉煤灰以后，耐碱玻璃纤维砂浆自身的净增抗折能力会在短时间内呈现出下降趋势，然后则一直处于较为稳定的良好抗折性状态，这说明这一阶段的水泥砂浆碱溶液很少对耐碱玻璃纤维产生腐蚀性；当加入粉煤灰量超过30%以后，耐碱玻璃纤维的抗折性就基本稳定了。而硅灰的活性比较高，可以在短时间内发生水化，因此虽然掺入硅灰的砂浆的强度一直在下降，但是也可以在一定程度上抑制碱溶液对耐碱玻璃纤维的腐蚀，具体表现在抗压强度下降了3d之后一直到第11d，这段时间里掺入硅灰的砂浆的抗折强度一直都处于相对稳定的水平。但是由于在砂浆中掺入硅灰的成本比较高，所以在大面积道路建设中还是会选择掺入粉煤灰，以降低建设成本。

2 配制道路耐碱玻璃纤维混凝土的方法

试验表明，掺入粉煤灰可以有效抑制水泥水化过程中对耐碱玻璃纤维的腐蚀，但是试验采用的是容量比较小的试件。在实际的道路施工中，需要的混凝土非常多，因此要掺入的粉煤灰的量也比较难把握。在此，本文采用的配制耐碱玻璃纤维道路混凝土的方法是最紧密堆积法。

2.1 最紧密堆积法的设计思路

基于传统配合比设计理论研究可知，混凝土中加入大量粉煤灰以后，就会降低早期的强度，针对这一问题，可采用最紧密堆积法克服。所谓最紧密堆积法，实际上就是设计过程中将骨料作为最基本的主骨架，通过不断增加水泥浆的方法，来减少集料用量。需要注意的是在此过程中不能改变集料和砂的合理配备比例。当水泥浆量固定、水胶比例改变时，水泥浆质量也会随之发生一定的改变，采用最紧密堆积法的优势在于用大量的集料当作支撑骨架，对集料中的砂、石比例进行严格的控制，以此来有效提高混凝土应用的可靠性。加入适当的粉煤灰以后，不仅可以有效发挥混凝土自身的化学效应、不断强化微观结构上的紧密度，而且还可以有效增加混凝土自身的物理紧密度，以此来抑制耐碱玻璃纤维受腐。

2.2 道路耐碱玻璃纤维混凝土的性能分析

根据最紧密堆积法的设计方法，配制两种耐碱玻璃纤维混凝土，如表2所示。

表2 紧密堆积法的混凝土配比及力学性能

从表2中可以看出，最紧密堆积法的应用过程中，配制出来的耐碱玻璃纤维混凝土劈压比处于0.14～0.182，对于水化后期的劈压比上升幅度要比早期的更大一些。对于一般的混凝土劈压比而言，其处于0.045～0.071范围内，这表明采用该种方法配出来的耐碱玻璃纤维混凝土抗折性能较好，而且可以有效满足当前道路尤其是路基的抗折性要求。

2.2.1 力学性能

一般而言，混凝土骨料主要用在最紧密堆积法之中，并用作基本骨架。当加入高于33%的粉煤灰以后，其强度会在以后的3d时间内上升到28.9MPa左右，这就有效地满足了混凝土早期强度需求。粉煤灰加入后发生二次水化，此时将吸附水倒出，以有效保护水泥后续水化和混凝土结构的后期强度。

2.2.2 收缩性能

混凝土中的耐碱玻璃纤维均匀分布，可有效切断毛细孔、使毛细孔数量大幅度减少，以此来降低毛细孔压力，进行降低混凝土自身的收缩值；粉煤灰养护过程中，可有效降低混凝土收缩值。混凝土的收缩性能比较好，可以防止道路的开裂，提高道路的抗渗力，还能提高道路的抗冻能力，这十分符合新疆的气候特点，可以进一步的应用推广。