复杂环境下纤维混凝土改性及耐久性试验研究

2024-02-29刘伟俊

盐科学与化工 2024年2期

刘伟俊

（固始县建设工程质量监督站，河南信阳 465200）

受到各种复杂环境的影响，混凝土建筑材料易被氯离子等盐环境侵蚀，材料体积膨胀并产生裂缝，导致混凝土强度等性能大幅度降低，安全性得不到保障［1］。因此，提高混凝土材料的耐久性成为混凝土领域发展的一个重点。对此，许多学者进行研究。刘汝超等制备了一种外掺玄武岩纤维型改性混凝土，并对其耐久性进行探讨。试验结果表明，当在混凝土中掺入0.05% 18 mm 长度的玄武岩纤维时，材料抗渗性的改善情况最好［2］。而周兴宇等则通过添加不同尺度下的聚丙烯纤维对混凝土进行改性，并研究其性能。试验结果表明，在混凝土中混掺纤维，可以减小材料基体中的孔径并且使孔径大小更加均匀，从而提高其耐久性［3］。除此之外，李霞等通过添加2%聚乙烯纤维对混凝土进行改性，并研究其耐久性变化情况。试验结果表明，在掺入2%聚乙烯纤维后，该材料抗氯离子性能、抗碳化性能以及保温性能均得到提高，耐久性良好［4］。以上学者的研究为混凝土耐久性的发展提供了参考方向。基于此，试验主要在玄武岩—聚丙烯纤维混凝土的基础上，添加不同掺量的碳酸钙晶须，对材料再次进行改性，并研究其性能。

1 试验部分

1.1 材料与设备

主要材料。P.O 42.5 普通硅酸盐水泥，工业纯，上海乾胡实业；粉煤灰，工业纯，石家庄光宁矿产；粗骨料碎石，工业纯，灵寿县梓舒矿产，粒径5～30 mm；细骨料天然河砂，工业纯，石家庄晶森矿产，粒径0～5 mm；萘系减水剂，工业纯，山东天宏化工；网状聚丙烯纤维，工业纯，山东力创新材料；玄武岩纤维，工业纯，泰安浩达新材料；碳酸钙晶须，工业纯，灵寿金源矿业；氯化钠，分析纯，山东伟伦化学。

主要设备。RD1020 型电子天平，深圳市荣达仪器；WD-300型立式搅拌桶，济宁威达机械有限公司；DYE-2000 型压力试验机，鼎鹏河北试验仪器；JITAI-S10KN 型电子多功能试验机，北京吉泰科仪检测设备；JWS-7555 型场发射扫描电镜，新启航半导体；TDR-3 型快速冻融循环机，沧州锡通昂建筑仪器。

1.2 试验方法

1.2.1 配合比设计

试验中，混凝土的主要改性材料为碳酸钙晶须，通过添加不同掺量的碳酸钙晶须对网状聚丙烯纤维及玄武岩纤维共同改性的混杂纤维混凝土（XWC-）再次进行改性，制备一种晶须改性混杂纤维混凝土，并将普通混凝土（PC）和混杂纤维混凝土（XWC）作为对比，研究其性能。其中，混凝土的配合比设计见表1［5-6］。

表1 试件配合比设计Tab.1 Sample mix design

1.2.2 纤维混凝土的制备

（1）根据表1 中混凝土的配合比设计，用电子天平称取适量的纤维混凝土原材料，备用。

（2）先在搅拌桶中加入少量水泥、河砂和水，预搅拌1 min。然后加入剩下的水泥、河砂及碎石，并加入适量粉煤灰和碳酸钙晶须，继续搅拌1 min。

（3）向搅拌桶中分两次加入网状聚丙烯纤维及玄武岩纤维，每次搅拌时间为1 min。

（4）将剩下的水加入到搅拌桶中，并加入适量的减水剂，搅拌处理3 min，获得晶须改性混杂纤维混凝土砂石浆。

（5）在试件模具内侧刷上一层润滑油，然后将步骤（4）中制备的砂石浆倒入模具中，在倒入砂石浆时注意插捣成型。

（6）将装有砂石浆的模具在振动台上振实处理2 min，排除材料内部多余的气泡，然后用塑料薄膜密封，在常温环境下放置24 h。

（7）脱模，将试件转移到养护室内进行养护处理一定时间，然后取出，贮存备用。

1.3 性能测试

（1）坍落度。在混凝土砂石浆筑模之前，对试验制备的各混凝土材料进行坍落度测试，分析混凝土的和易性。

（2）抗压强度。通过压力试验机对试件进行测试，分析其抗压强度性能。

（3）抗折强度。通过万能试验机对混凝土试样进行测试，分析材料的抗折强度。

（4）微观形貌。通过扫描电镜（SEM）对混凝土试样进行测试，分析其微观形貌情况。

（5）抗盐溶液冻融循环试验。用氯化钠配置不同浓度的盐溶液环境，分别模拟盐卤湖水环境以及极高浓度盐碱环境，进行盐溶液冻融循环试验，并通过材料的质量损失率情况，分析其耐久性［7］。

2 结果与分析

2.1 坍落度分析

由图1可知，随着混杂纤维混凝土中碳酸钙晶须掺量不断增多，混凝土砂石浆的坍落度不断下降。对于普通混凝土（PC），其坍落度为142 mm，而未添加碳酸钙晶须的混杂纤维混凝土（XWC），其坍落度降低到95 mm，这与普通混凝土相比，降低幅度为33.1%。这表明，在混凝土中添加混杂纤维，可以增强其工作性能。当继续在混杂纤维混凝土中掺入碳酸钙晶须时，材料的坍落度进一步降低。当材料中的碳酸钙晶须掺量达到3.5%时，坍落度仅为29 mm，对比普通混凝土降低79.6%，对比混杂纤维混凝土降低69.5%。这表明，碳酸钙晶须的掺入，可以有效降低材料坍落度，增强混凝土砂石浆的工作性能。

图1 砂石浆坍落度Fig.1 Slump of sand and gravel slurry

以上这些情况出现主要有两个原因。一是在混凝土材料中掺入混杂纤维，可以增加材料基体的密实度，同时，纤维在材料基体内部起到较好的连桥作用，基体之间的粘接效果增加；二是碳酸钙晶须的比表面积较大，同时具备吸水性能，对水分子的吸附作用较强，因此，当碳酸钙晶须掺入混杂纤维混凝土时，材料中的水分减少，坍落度下降明显，混凝土材料的离析现象被抑制［8-9］。综上，在混杂纤维混凝土中掺入碳酸钙晶须，可以有效降低混凝土坍落度，材料的工作性能良好。

2.2 抗压强度分析

由图2 可知，当混杂纤维混凝土中掺入的碳酸钙晶须增多时，试件的抗压强度出现先增加后迅速下降的变化趋势。普通混凝土（PC）试件，其抗压强度为49.6 MPa，未添加碳酸钙晶须改性的混杂纤维混凝土（XWC）试件，其抗压强度为49.1 MPa，这与PC 相差不大。当在混杂纤维混凝土中掺入的碳酸钙晶须较少时，试件的抗压强度在49.0 MPa 左右，这与PC 和XWC 均无较大差别；当掺入2.5%碳酸钙晶须时，试件的抗压强度最高，为54.5 MPa，与PC相比增幅为9.9%；此后，当混杂纤维中碳酸钙晶须的掺量增多到3.0%或3.5%时，抗压强度出现大幅度降低的趋势。以上现象表明，在混杂纤维混凝土中掺入适量的碳酸钙晶须，可以提升其抗压强度。

图2 试件抗压强度Fig.2 Compressive strength of the specimen

综合分析可知，这些变化出现的原因可能是，在混凝土中掺入混杂纤维，纤维之间的相互穿插作用在基体内部形成三维网状结构，在混凝土材料基体之间起到桥接效果，增强了材料的结构紧密性，同时，也引入了一些薄弱区。因此，在抗压强度方面，混杂纤维混凝土与普通混凝土的差别较小。然而，碳酸钙晶须的掺入，进一步加强了纤维对材料基体的桥接作用，基体间的界面粘结作用加强。同时，碳酸钙晶须属于混凝土内部的微小单元，可以对一些基体内部的缺陷起到填补作用，使混杂纤维混凝土中的薄弱区减少。在混杂纤维混凝土中添加适量的碳酸钙晶须，可以使其抗压强度提高。但当材料中添加的碳酸钙晶须过多时，晶须在材料内部分散不均匀，容易出现团聚等现象，使材料中局部水泥浆料减少，材料结构不均匀，从而在混凝土基体内部形成薄弱区，抗压强度迅速下降［10］。综上，当掺入2.5%碳酸钙晶须时，混杂纤维混凝土的抗压强度较好。

2.3 抗折强度分析

由图3可知，当混杂纤维混凝土中掺入的碳酸钙晶须增多时，抗折强度呈现先增后减的变化。抗折强度最小的是普通混凝土（PC）试件，为4.26 MPa；当在混凝土中掺入混杂纤维进行改性时，材料的抗折强度增加至5.42 MPa，对比PC 增幅为27.2%。当在混杂纤维混凝土（XWC）中继续添加碳酸钙晶须进行再次改性时，材料的抗折强度继续升高；对于掺入2.5%碳酸钙晶须的混杂纤维混凝土试件，其抗折强度最大，为6.63 MPa，这与PC 相比，增幅为55.6%。然而，当碳酸钙晶须的掺量大于2.5%时，材料的抗折强度出现快速降低的变化现象；当碳酸钙晶须的掺量为3.5%时，抗折强度下降至5.45 MPa，对比抗折强度峰值的降幅为17.8%，但高于普通混凝土和未添加碳酸钙晶须的混杂纤维混凝土试件。

图3 试件抗折强度Fig.3 Bending strength of the test piece

以上这些变化表明，混杂纤维的掺入，会提高材料的抗折强度，同时，继续添加碳酸钙晶须会进一步增加抗折强度。综合分析可知，混杂纤维本身具备较好的韧性，当在混凝土中添加混杂纤维时，纤维可以加强混凝土基体间的粘结效果，起到连桥作用。当材料受到外力作用时，混凝土中的混杂纤维可以分散应力，并且抑制材料内部裂纹等缺陷扩展，宏观表现为混凝土抗折强度提高，韧性增强。而碳酸钙晶须的添加，使混杂纤维对混凝土的作用效果进一步加强，同时，填补了因添加混杂纤维至材料基体中引入薄弱区等缺陷，因此材料抗折强度再次提升。但是，研究表明过多的碳酸钙晶须反而会使混凝土基体内部的薄弱区增多，引起材料性能降低［11-12］。综上，当混杂纤维混凝土中添加2.5%碳酸钙晶须时，材料抗折强度较好，韧性良好。

2.4 SEM分析

试验选择对在以上研究中性能较好的XWC-2.5 试件（即添加2.5%碳酸钙晶须改性的混杂纤维混凝土试件）断裂形貌进行分析，结果见图4。由图4（a）可知，试件中网状聚丙烯纤维可以很好地包覆材料基体，试件表面较平整，没有裂缝等宏观缺陷产生。由图4（b）可知，当试件断裂时，玄武岩纤维在混凝土基体间穿插，与基体紧密结合，没有断裂或被拔出，材料基体比较完整，这表明混凝土基体间的粘结作用较强，材料性能较好。由图4（c）可知，碳酸钙晶须在混凝土基体内部分布比较均匀，可以抑制材料内部裂纹的扩展，进一步增强材料的韧性和强度性能。综合来看，混凝土材料中的网状聚丙烯纤维、玄武岩纤维以及碳酸钙晶须相互作用，起到增强增韧的效果［13］。因此，试验制备的晶须改性混杂纤维混凝土，具备较好的强度和韧性。

图4 材料微观形貌Fig.4 Material micromorphology

2.5 耐久性分析

图5（a）为普通混凝土（PC）试件分别在清水环境、模拟盐卤湖水环境以及模拟极高浓度盐碱环境中的冻融循环试验情况。由图5（a）可知，当各复杂环境中的冻融循环次数不断增多时，试件的质量基本上不断下降。同时，当冻融循环次数相同时，试件质量损失从高到低依次是：模拟极高浓度盐碱环境、模拟盐卤湖水环境、清水环境。这表明当环境中的氯离子浓度提高时，试件质量损失更加严重。可以看到，在模拟盐卤湖水冻融循环25 次之后，PC 的质量有所上升，这可能是因为在冻融循环前期，氯离子的侵蚀的水分子的渗透，使材料中水化产物和侵蚀产物增多，从而引起材料质量升高［14］。图5（b）为在混杂纤维混凝土中添加2.5%碳酸钙晶须改性的试件冻融循环试验结果。将图5（b）与图5（a）对比可知，经过碳酸钙晶须改性后的混杂纤维混凝土，在各种复杂环境下的冻融循环质量损失情况均低于PC，这表明该材料抵抗盐溶液侵蚀和冻融循环的能力较强，耐久性较好。发生这种现象的主要原理可能是，在混凝土中，网状聚丙烯纤维、玄武岩纤维以及碳酸钙晶须相互作用，使材料基体结构更加紧密。而此试验中，盐溶液冻融循环对试件的破坏，主要是由Cl-与材料中的带正电离子、水化产物等发生反应，进一步生成水化产物或侵蚀产物等，从而引起材料体积膨胀，裂纹开始扩展为宏观裂缝，使材料结构破坏。然而，混凝土中的纤维、晶须等减缓了这种膨胀应力，使材料耐久性增加［15-16］。综上，掺入2.5%碳酸钙晶须改性的混杂纤维混凝土，其在各种复杂环境下的耐久性高于普通混凝土，材料耐久性良好。