海工抗盐冻纤维混凝土制备试验研究

沈彦忠，田苗苗，陈军平，祁明，张毅，骆丽珍，沈君

（1.新疆交通建设集团股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830015；2.交通运输部科学研究院，北京 100029）

0 引言

海工工程用混凝土由于长期受海水浸泡，在寒冷自然环境下，会出现力学性能和抗盐冻性能明显下降从而导致混凝土结构破坏的问题[1-4]。研究表明，通过掺加纤维和矿物掺合料可以改善混凝土的力学性能和抗盐冻性能。潘书才等[5]研究了聚乙烯纤维和聚丙烯纤维对混凝土抗冻性能的影响，发现双掺纤维混凝土的抗压强度要好于单掺纤维混凝土，且聚丙烯纤维对混凝土性能的提升程度优于聚乙烯纤维；尹玉龙[6]研究了玄武岩纤维混凝土的力学性能和耐久性能，发现适量的玄武岩纤维可以改善混凝土的力学性能和抗渗性能，但玄武岩纤维掺量过多时会降低混凝土的抗渗性能；陆荣威[7]研究了掺矿渣和粉煤灰的混凝土结合Cl-的性能，发现两者均有利于提高混凝土结合Cl-的能力，提高混凝土的抗盐蚀性；于本田等[8]研究了矿物掺合料对混凝土耐久性的影响，证明掺入粉煤灰和粒化高炉矿渣粉将提高混凝土的抗盐冻性。

可见，合理掺加纤维和矿物掺合料可以改善混凝土的力学性能和抗盐冻性能，但纤维和矿物掺合料的种类与用量对混凝土性能的影响差异很大。因此，本研究基于某地海工混凝土的性能设计要求，采用聚丙烯纤维、S75粒化高炉矿渣粉及二级粉煤灰配制抗盐冻海工混凝土，通过对比分析不同用量的聚丙烯纤维和矿物掺合料对混凝土的抗压强度和抗盐冻性能的影响，得出聚丙烯纤维和矿物掺合料的基本用量，为该项目的混凝土配合比设计提供依据。

1 试验

1.1 原材料

水泥：P·O 42.5水泥，符合《通用硅酸盐水泥》（GB175—2007）的要求。

矿物掺合料：S75级粒化高炉矿渣粉（简称矿粉），比表面积≥400kg/m2；C类Ⅱ级粉煤灰，45μm方孔筛筛余≤20%。

砂：细度模数为2.8的机制砂。

石：5～20mm连续级配，符合《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ52—2006）的要求。

聚丙烯纤维：长度为12mm的短切束状纤维，密度为0.90～0.92g/cm3。

减水剂：聚羧酸高性能减水剂，固含量为40.0%。

水：符合现行《混凝土拌和用水标准》（JGJ 63—2006）的要求。

1.2 方法与仪器

为研究聚丙烯纤维和矿物掺合料（矿粉与粉煤灰）对混凝土性能的影响，改变聚丙烯纤维和矿物掺合料的用量，研究其对混凝土抗压强度和抗盐冻性能的影响。混凝土坍落度设定为180～220mm，混凝土配合比如表1所示。

表1 （续）

表1 混凝土配合比

混凝土的抗压强度按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2019）进行测试，混凝土的抗冻性能按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082—2009）中的盐冻法进行测试，试验溶液为质量比为97%蒸馏水和3%NaCl配制而成的盐溶液。混凝土冻融试验仪器为CABRHDD2型单面冻融试验机。

2 结果与讨论

2.1 聚丙烯纤维掺量对混凝土性能的影响

2.1.1 抗压强度

相同的混凝土配合比条件下，研究聚丙烯纤维掺量对混凝土各龄期抗压强度的影响。不同体积率聚丙烯纤维的混凝土强度测试结果如表2和图1所示。

表2 不同体积率聚丙烯纤维的混凝土抗压强度

图1 不同体积率聚丙烯纤维的混凝土抗压强度

由表2和图1可知，相同混凝土配合比条件下，未掺聚丙烯纤维和聚丙烯纤维体积率为0.1%和0.15%的混凝土的28d抗压强度均大于40MPa。与未掺聚丙烯纤维的混凝土相比，聚丙烯纤维体积率为0.1%和0.15%的混凝土各龄期抗压强度均有不同幅度的提高。其中，聚丙烯纤维体积率为0.15%时，混凝土的1d,7d和28d抗压强度增幅均小于聚丙烯纤维体积率为0.1%时相应龄期混凝土的抗压强度增幅，但较未掺加聚丙烯纤维时仍分别增加2.08%,10.08%和8.48%。

2.1.2 抗盐冻性能

相同的混凝土配合比条件下，研究聚丙烯纤维掺量对混凝土抗盐冻性能的影响。不同体积率聚丙烯纤维的混凝土经28次冻融循环的单位表面面积剥落物质量测试结果如表3和图2所示。

表3 混凝土单位表面面积剥落物质量

图2 聚丙烯纤维体积率对混凝土单位表面面积剥落物质量的影响

由表3可知，经28次冻融循环后，未掺聚丙烯纤维和掺聚丙烯纤维体积率为0.1%和0.15%的混凝土单位表面面积剥落物质量分别为1 965g/m2,1 588g/m2和1 216g/m2，即未掺聚丙烯纤维的混凝土抗盐冻性能最差，聚丙烯纤维体积率为0.15%的混凝土抗盐冻性能最好。结合图2中混凝土单位表面面积剥落物质量随冻融循环次数的增加而增大的变化趋势可以看出，掺聚丙烯纤维后混凝土试块受盐侵蚀的速率有所下降。

对比掺聚丙烯纤维前后混凝土试块的抗压强度和冻融测试结果可以发现，适量掺加聚丙烯纤维可以提高混凝土各龄期强度，并改善其抗盐冻性能。这是因为聚丙烯纤维在混凝土内部搭接交联形成三维网络结构，增加了混凝土的韧性，使得混凝土试块的受压变形由脆性转变为具有类似延展性。混凝土试块在纵向受压时，由于泊松效应会发生横向体积膨胀，并随着压力的增大在混凝土试块内部逐渐形成微裂纹，而混凝土内部的聚丙烯纤维网状结构在受压初期起到缓冲作用，吸收部分能量进而从整体上推迟了裂纹的出现和扩大[9]。当压力进一步增大，混凝土试块在被破坏前必然要克服聚丙烯纤维与混凝土基体的相互作用力，故掺体积率0.1%和0.15%的聚丙烯纤维可在一定程度上提高混凝土的抗压强度。但随着聚丙烯纤维掺量的增加，增大了聚丙烯纤维与混凝土基体的黏结界面，而这些界面在压力作用下属于裂纹形成和发展的薄弱区域[9-12]，故聚丙烯纤维体积率为0.15%时混凝土的强度比体积率为0.1%时略低。此外，聚丙烯纤维在混凝土内部形成的网络结构可改变混凝土基体的孔结构，降低孔隙的连通性，一定程度上减少冻融循环过程中水在混凝土孔隙内反复结冰膨胀融化对混凝土结构的破坏，并减少Cl-等通过孔隙对混凝土内部结构的侵蚀[13]，进而提高了混凝土的抗冻和抗盐蚀性能。

2.2 矿物掺合料对混凝土性能的影响

2.2.1 抗压强度

将聚丙烯纤维体积率固定为0.15%，研究矿物掺合料掺量对混凝土各龄期抗压强度的影响。不同掺量矿物掺合料的混凝土强度测试结果如表4和图3所示。

表4 不同矿物掺合料掺量的混凝土抗压强度

图3 不同矿物掺合料掺量的混凝土抗压强度

由表4和图3可知，当矿物掺合料的用量为30%时混凝土各龄期（1d,7d,28d）强度分别为14.92MPa,43.42MPa和56.91MPa，但随着矿物掺合料用量的逐渐增加，混凝土各龄期强度呈下降趋势，当矿物掺合料掺量为50%时，混凝土的28d抗压强度仍可达47.31MPa。对比不同掺量矿物掺合料的混凝土强度变化可以看出，随着矿物掺合料掺量由50%逐渐减少为40%和30%，混凝土各龄期抗压强度均有所增长，但增长幅度整体上逐渐减小。

2.2.2 抗盐冻性能

将聚丙烯纤维体积率固定为0.15%，研究矿物掺合料掺量对混凝土抗盐冻性能的影响。不同掺量矿物掺合料的混凝土经28次冻融循环的单位表面面积剥落物质量测试结果如表5和图4所示。

表5 不同掺量矿物掺合料的混凝土单位表面面积剥落物质量

图4 矿物掺合料掺量对混凝土单位表面面积剥落物质量的影响

由表5可知，经28次冻融循环测试后，矿物掺合料掺量为30%,40%和50%的混凝土试块的单位表面面积剥落物质量分别为434g/m2,558g/m2和1 216g/m2，即矿物掺合料掺量为30%的混凝土抗盐冻性能最好；结合图4可知，混凝土试块单位表面面积剥落物质量随循环次数的增加而增大，但矿物掺合料掺量为30%和40%的试块受盐侵蚀的速率较矿物掺合料掺量为50%时明显降低。

结合上述聚丙烯纤维用量对混凝土性能影响的试验结果可知，当聚丙烯纤维体积率为0.15%且矿物掺合料用量为30%时，混凝土28d抗压强度增加30.50%，同时试块经28次冻融循环后的单位表面面积剥落物质量减少77.91%，抗压强度和抗盐冻性能明显改善。这是因为除了聚丙烯纤维对混凝土性能的改善外，矿物掺合料的细度大于水泥颗粒，能够填充水泥颗粒之间的孔隙，大大降低混凝土中有害孔的数量并提高混凝土的密实度[14-15]；此外，矿物掺合料会与水泥水化产生的氢氧化钙发生反应，激发自身的潜在胶凝性能，生成尺寸更小、包裹性更好的水化硅酸钙凝胶，并伴随着对Cl-的物理吸附和化学固化，最终形成更致密的混凝土结构。最终，在聚丙烯纤维的物理连接和矿物掺合料的物理填充及水化反应的协同作用下，改善了混凝土的孔隙率和孔结构，进而提升了抗压强度和抗盐冻性能。

3 结论

本文研究了聚丙烯纤维和矿物掺合料对混凝土抗压强度和抗盐冻性能的影响，得出如下结论：

（1）聚丙烯纤维的掺量对混凝土抗压强度和抗盐冻性能的影响规律不同。相同配合比下，与未掺加聚丙烯纤维相比，聚丙烯纤维体积率为0.1%时混凝土的28d抗压强度最大，而聚丙烯纤维体积率为0.15%时混凝土经28次冻融循环后单位表面面积剥落物质量最小。

（2）纤维掺量固定，当混凝土中矿物掺合料的比例由50%减少为30%时，混凝土的抗压强度和抗盐冻性能逐渐提高，但改善幅度整体上逐渐减小。

（3）掺加适量的聚丙烯纤维可在一定程度上改善混凝土的抗压强度和抗盐冻性能，而聚丙烯纤维和矿物掺合料的合理复掺对混凝土抗压强度和抗盐冻性能的改善效果更显著。