塑钢纤维改性聚合物混凝土的耐久性试验

2024-03-05刘伟俊

合成材料老化与应用 2024年1期

刘伟俊

(固始县建设工程质量监督站，河南信阳 465200）

在复杂腐蚀环境下，混凝土常因侵蚀造成材料破坏和性能下降，因此提高混凝土材料的耐久性成为建筑施工领域的焦点。针对混凝土耐久性问题，学者们进行了大量探究，如：钱宣青在高架桥混凝土中掺入碳纳米纤维，探究掺入后的混凝土抗冻融和耐腐蚀性能，试验结果表明，碳纳米纤维的掺入，提高了高架桥梁混凝土的抗冻融以及耐腐蚀性能，进而提高了材料耐久性[1]；彭冲则通过添加纳米偏高岭土对混凝土进行改性，并研究该改性混凝土在酸雨腐蚀环境下的耐久性，结果表明，纳米偏高岭土的掺入可增强混凝土材料酸雨侵蚀能力，且当掺入的纳米偏高岭土质量分数为7%时，可提高混凝土疲劳寿命1倍以上[2]；张平等研究了一种用凝灰岩粉改性水工混凝土，并对其耐久性进行研究，试验结果表明，当掺入的凝灰岩粉质量分数低于30%，凝灰岩粉比表面积控制在352m2·kg-1时，水工混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力和抗渗性得到提升[3]。

以上研究为提升混凝土耐久性提供了参考。本试验则在聚合物混凝土基础上，通过掺入不同掺量和不同长度的HPP纤维（塑钢纤维），并验证HPP掺入对聚合物混凝土性能的影响。

1 试验部分

1.1 材料与设备

主要材料：HPP纤维，工业级，山东力创新材料；粗骨料碎石，工业级，灵寿县梓舒矿产，粒径5～20 mm；细骨料河砂，工业级，石家庄晶森矿产，粒径0～5 mm；P.O 42.5普通硅酸盐水泥，工业级，上海乾胡实业；水性环氧树脂乳液，工业级，东莞市三鸣复合材料；水性环氧树脂固化剂，工业级，山东小青新化工；消泡剂，工业级，广州古德新材料；硫酸钠，AR，山东德彦化工；氯化钠，AR 山东伟伦化学。

主要设备：RD1020型电子天平，深圳市荣达仪器；SFS型搅拌机，上海新勒机电；WD-300型立式搅拌桶，济宁威达机械有限公司；JITAI-S10KN型万能试验机，北京吉泰科仪检测设备；RXH型烘干箱，南京鑫科锐机械设备；TDR-3型冻融试验机，沧州锡通昂建筑仪器。

1.2 试验方法

1.2.1 配合比设计

首先，将水性环氧树脂乳液、消泡剂、固化剂和水混合制备得到聚合物，然后将该聚合物与不同掺量、不同长度的HPP加入到混凝土中，制备成HPP聚合物混凝土。具体配合比设计见表1[4-5]。其中，A0试件为聚合物改性混凝土，A1～A8试件为塑钢纤维改性聚合物混凝土。

表1 混凝土配合比(kg·m-3)Table 1 Concrete mix ratio(kg·m-3)

1.2.2 试件制备

（1）根据表1的配合比，用电子天平称取适量的混凝土原材料，备用。

（2）在搅拌机中加入适量的水性环氧树脂、消泡剂、固化剂和水，待充分搅拌均匀后，获得高分子聚合物乳液，备用。

（3）在搅拌桶中加入适量的水泥和水预搅拌处理1min，然后向搅拌桶中加入适量的河砂、碎石，继续搅拌2min，以混合均匀，最后将适量的HPP纤维分3次加入搅拌桶中后，继续搅拌3min。

（4）将步骤（2）获得的聚合物高分子乳液分3次添加到（3）的搅拌桶中，再加入一定量的水搅拌3min，得到改性混凝土砂浆。

（5）在试件模具内侧刷上润滑油，将改性混凝土砂浆倒入模具中，一边倒入一边插捣，直至倒入的砂浆料略高于模具口则停止。

（6）将试件模具放置在振动台上振荡3min，以排除试件内的气泡，然后用PE薄膜将试件封装，并在常温环境下静置24h。

（7）24h后脱模，并将试件放入水中养护一段时间，取出，得到HPP聚合物混凝土试件。

1.3 性能测试

1.3.1 抗压强度

通过万能试验机对HPP聚合物混凝土试件进行测试，分析其抗压强度。其中，立方体试件的尺寸为100mm×100mm×100mm。

1.3.2 劈裂抗拉强度

通过万能试验机以0.06MPa/s的压力加载速度对100mm×100mm×100mm立方体试件进行破坏，分析试件的劈裂抗拉强度。

1.3.3 抗冻融循环性能

通过冻融试验机对HPP聚合物混凝土试件进行200次冻融循环测试，分析其抗冻融循环性能。

1.3.4 抗硫酸盐侵蚀性能

采用干湿循环法对材料进行30次硫酸盐抗侵蚀干湿循环。其中，一次干湿循环为：在25℃左右的环境下，先将试件放入10%的硫酸钠溶液中浸泡15h，然后排空硫酸钠溶液，风干试件30min，最后在80℃环境下烘干6h，再冷却处理2h[6]。

1.3.5 抗氯离子渗透性能

采用干湿循环法和质量浓度为35%的氯化钠溶液对试件进行测试，分析试件的抗氯离子渗透性能。

2 结果与分析

2.1 抗压强度

由图1可知，当混凝土中HPP纤维掺量增加时，抗压强度为先升高后降低。其中，HPP纤维长度为20mm试件的抗压强度要高于HPP纤维长度为30mm的试件抗压强度。对于未添加HPP的聚合物混凝土A0试件，其抗压强度为38.7MPa。对于掺入20mm和30mm长度HPP的HPP聚合物混凝土，当掺入的HPP体积分数为0.5%HPP纤维时，抗压强度均达到最大值，分别为45.4MPa和42.5MPa。然而，当掺入的HPP体积分数为0.6%时，抗压强度出现下降。

图1 试件抗压强度Fig. 1 Compressive strength of the specimen

分析可知，发生以上现象的原因，是在混凝土中掺入聚合物高分子乳液时，在搅拌制备过程中会引入气泡，从而使材料基体密实度降低。因此，单独添加聚合物的混凝土试件的抗压强度低。当在试件中同时添加聚合物和HPP时，HPP可改善材料基体之间的粘结效果，增强内部材料的紧密性。因此，得到的HPP聚会物混凝土抗压强度提高。但当HPP掺量较少时，由于HPP与材料基体之间的粘结界面属于材料中的薄弱面，在受到外力作用时，这些薄弱区域容易出现应力集中，从而使HPP聚合物混凝土的抗压强度降低。然而，当聚合物混凝土中掺入的HPP过多时，材料内部出现团聚和打结等现象，从而使得HPP聚合物混凝土性能降低[7-8]。综上，当在聚合物混凝土中掺入0.5%的HPP时，混凝土试件的抗压强度最高。

2.2 劈裂抗拉强度

由图2可知，当在混凝土中添加聚合物时，A0试件的劈裂抗拉强度为3.19MPa。当聚合物混凝土中掺入的HPP体积分数增加时，聚合物混凝土的劈裂抗拉强度提高，且高于为未添加HPP的聚合物混凝土试件。当HPP掺量为0.6%，长度为20mm和30mmHPP试件的劈裂抗拉强度分别达到3.86MPa和4.26MPa。综合分析可知，发生以上这些现象的原因是，当在普通的混凝土中加入聚合物时，材料基体中的水化反应与聚合物的破乳成膜反应同时发生。这些水化产物和高分子薄膜在材料基体内部相互穿插，形成一种三维网状结构。因此，混凝土的劈裂抗拉强度和耐久性提高。当在混凝土中同时掺入聚合物和HPP时，HPP可改善材料内部因添加聚合物而产生的气孔等缺陷，从而增加材料密实度。当塑钢纤维改性混凝土受到外力作用时，较长的HPP纤维可以起到连桥作用。这不仅使混凝土基体之间的粘结性加强，还起到应力、能量的分散作用。因此，混凝土的劈裂抗拉强度提高[9-10]。综上，在混凝土中添加聚合物和30mm的HPP进行改性，可提高混凝土的劈裂抗拉强度和耐久性。

图2 试件劈裂抗拉强度Fig. 2 Splitting tensile strength of specimens

2.3 抗冻融循环性能

由图3可知，当在普通混凝土中仅掺入聚合物进行改性时，聚合物混凝土的抗压强度损失率下降，至42.35%。当混凝土中HPP的体积分数掺量增加时，抗压强度损失率继续下降。当掺入0.6%的HPP时，长度20mm和30mm HPP试件的抗压强度损失率分别降至35.12%和33.85%。这些现象表明，在混凝土中添加聚合物和较长的HPP，可有效增强混凝土的抗冻融循环能力，提高耐久性。

图3 抗压强度损失率Fig. 3 Loss rate of compressive strength

综合分析可知，发生这些变化的原因是，在混凝土基体表面和内部，均存在一些微小的孔隙、裂纹等缺陷。因此，当进行冻融循环试验时，水分会从这些缺陷区域渗透到混凝土材料基体内部，发生结冰，从而引起体积膨胀。这会使混凝土中的裂纹等缺陷进一步扩大，变为较大的裂缝，从而破坏材料结构，使材料强度降低。而在混凝土中添加聚合物高分子乳液可以增强材料结构。同时，HPP纤维的掺入，可以提高混凝土基体的密实度，以及基体之间的界面粘结效果。因此，塑钢纤维改性混凝土中裂缝等缺陷的扩展被抑制，抗压强度损失率下降[11-12]。综上，在混凝土中添加30mmHPP纤维和聚合物，可以减缓冻融循环试验中试件的抗压强度损失，增强材料耐久性。

2.4 抗硫酸盐侵蚀性能

由图4可知，在普通混凝土的基础上添加聚合物进行改性时，混凝土的抗压强度耐蚀系数为87.8%。当在聚合物混凝土中添加HPP时，相对于单独掺入聚合物的混凝土试件，其抗压强度耐蚀系数先减小后增大。当掺入0.6%HPP时，掺入长度20mm和30mm HPP的试件抗压强度耐蚀系数分别为94.5%和95.3%，比聚合物混凝土分别提高7.6%和8.5%。这些现象表明，聚合物和30mmHPP的掺入，可以提高混凝土抗硫酸盐侵蚀的性能。

图4 抗压强度耐蚀系数Fig. 4 Compressive strength and corrosion resistance coefficient

综合分析可知，发生这些现象的原因是，在硫酸盐侵蚀干湿循环过程中，随着循环次数不断增加，混凝土基体内部不断被侵蚀，产生的水化产物、侵蚀产物不断增多，导致材料整体的体积膨胀。当体积膨胀带来的膨胀应力超过材料自身的极限拉应力时，混凝土内部的裂纹等缺陷会不断扩展，因此开裂，出现宏观裂缝，材料的结构被破坏，性能降低。然而，在混凝土中掺入适量的聚合物和HPP纤维，混凝土基体内部聚合物和HPP纤维相互作用，可以提高材料基体的密实度。同时，较长的HPP纤维可以起到连桥作用，且聚合物也会加强基体之间的界面粘结作用。因此，当混凝土因自身膨胀应力裂纹扩展时，基体的裂纹扩展被抑制，从而减缓材料抗压强度耐蚀系数下降速度[13-14]。综上，在混凝土中添加聚合物和30mmHPP进行改性，可以增加其抵抗硫酸盐侵蚀的性能，提升耐久性。

2.5 抗氯离子渗透性能

图5 为各混凝土试件在经过氯离子渗透后的渗透深度与氯离子总含量情况。结合图5（a）和（b）可知，氯离子在渗透深度为3mm附近总含量最多，掺入20mm HPP纤维的试件抗氯离子渗透能力略高于掺入30mm HPP纤维的试件。当掺入0.6% HPP纤维时，试件的抗氯离子渗透能力高于单独掺入聚合物的混凝土试件。这些现象表明，掺入聚合物和HPP纤维，会在一定程度上使混凝土材料抵抗氯离子侵蚀的能力降低。然而，添加0.6%的20mm HPP纤维，可以延缓这种性能下降效果。因此，添加适量的HPP纤维，可以增加聚合物改性混凝土抵抗氯离子侵蚀的能力，提高材料耐久性。综上，当在材料中添加聚合物和0.6%的20mm HPP纤维时，材料抗氯离子渗透性能良好，耐久性较好。