钢纤维对高性能混凝土耐久性能影响试验分析

钢纤维对高性能混凝土耐久性能影响试验分析

张勇

广东交科检测有限公司 广东，广州  510550

摘　要:研究了不同掺量聚丙烯纤维高性能混凝土的抗冻融、耐磨、抗渗、抗化学侵蚀能力,综合论述了网状聚丙烯纤维对高性能混凝土耐久性的影响,探讨和分析了高性能水泥基复合材料耐久性提高的机理。

关键词:网状聚丙烯纤维;高性能混凝土;耐久性

为了改善高性能混凝土抗折强度低、抗冲击性差、脆性大、易开裂等缺点,满足对混凝土高强度、高韧性的要求,在高性能混凝土中掺入网状聚丙烯纤维以改善上述缺点的技术正受到广泛重视。聚丙烯纤维可以通过大量吸收能量,大幅度提高混凝土抗裂能力及改善抗冲击性能,并能大幅度提高高性能混凝土抗折强度和降低其脆度系数。聚丙烯纤维高性能混凝土在许多工程中取得明显的效益。为了研究聚丙烯纤维混凝土在工程中的耐久性,本文中选用了美国生产的FIBERMESH网状纤维配制高性能混凝土,研究高性能纤维混凝土的抗渗及Cl-离子渗透系数与纤维掺量的关系,以及聚丙烯纤维对高性能混凝土耐久性的影响。

1　原材料及实验方法

1.1　试验用原材料

水泥:三航局小野田水泥有限公司生产的江南牌525#普通硅酸盐水泥;活性掺合料:华联外加剂厂生产的磨细粉煤灰和硅灰,其化学成分列于表1;外加剂:SN-Ⅱ高效减水剂,上海五四助剂厂生产;中粗砂:细度模数2.8,石料采用5～8mm的石英石;纤维:美国产FIBERMESH网状聚丙烯纤维,性能见表2

1.2　试验方法

配制基准混凝土和双掺硅灰(SF)、粉煤灰高性能混凝土;水灰比mw∶mc=0.4,采用SN-Ⅱ高效减水剂,掺量为胶结材料质量的0.75%,硅灰掺量为10%,粉煤灰掺量为15%。纤维高性能混凝土是在双掺硅灰、粉煤灰高性能混凝土中掺加0.15%和0.1%(体积分数)的网状聚丙烯纤维。纤维增强混凝土耐磨试件尺寸为15cm×15cm×7cm。磨损试验采用GLM-200钢轮式混凝土磨损试验机,试验方法按GB/T12988-91《无机地面材料耐磨性试验方法》进行。耐磨性用磨坑宽度L表示,单位mm,耐磨试验每组5块,取10次试验平均值。

另一部分试件制成直径80mm,高32mm的圆柱状,在标准养护室内养护至28d测定其氯离子渗透系数,测试方法采用电导率法。抗冻性按JTJ270-98规定进行。抗渗性能参照GB/T 50082-2009规定进行,试件为上下底面直径各为175mm和185mm,高度为150mm的圆台体,试件养护方法同力学性能测定的立方体试件。

2　试验结果与讨论

2.1　纤维混凝土耐磨性能

纤维混凝土耐磨测定值见图1。由结果可以看出,掺加聚丙烯纤维可以提高混凝土的耐磨性能。与此同时,提高纤维混凝土基材的强度可以显著改善纤维混凝土的抗磨耗性能。由图中结果还可以看出,当纤维掺量一定时,混凝土磨坑宽度随硅灰掺量增加而减小。这是由于掺加硅灰不仅提高了水泥基材的密实度,而且改善了水泥基材与纤维、水泥基材与集料界面的疏松结构,从而使混凝土结构呈基本无结构薄弱区域的均匀致密的整体,在宏观上表现为纤维混凝土耐磨性能随硅灰掺量增加而提高。

2.2　聚丙烯纤维对混凝土抗渗影响

各种掺量聚丙烯纤维混凝土抗渗试验结果见图2。由图中结果可以发现,随着聚丙烯纤维掺量增加,混凝土的渗水高度随之增加。这是由于纤维的加入增加混凝土中的界面,从而导致混凝土孔隙率提高的缘故。在纤维增韧混凝土中掺加硅灰可以明显降低混凝土的渗水高度。由图中结果可知,当硅灰掺量从0增加到10%时,纤维混凝土的渗水高度从113mm降低到28mm。2.3　聚丙烯纤维对混凝土Cl-离子渗透系数影响图3是普通纤维混凝土和掺硅灰纤维混凝土的Cl-离子渗透性试验结果。由图中结果可知:在素混凝土中掺加聚丙烯纤维,混凝土的氯离子渗透系数明显加大,并随聚丙烯纤维掺量增加而增加。在掺硅灰高性能混凝土中掺加聚丙烯纤维可以明显降低混凝土的氯离子渗透系数,并且在含有10%硅灰混凝土样品中,混凝土的氯离子渗透系数随聚丙烯纤维掺量增加而减小。这是由于掺硅灰高性能混凝土的浆体对纤维的亲和性所造成。

2.4　纤维混凝土的抗冻性能

从表3的抗冻性能试验结果可知,经过50次和100次冻融循环,纤维高性能混凝土试样与普通混凝土相比其质量损失和强度损失均大为减少。普通基准混凝土经冻融循环后,抗压强度变化不大,但抗折强度明显下降;双掺硅灰和粉煤灰的纤维高性能混凝土试样均未明显下降,说明该混凝土具有很强的抗冻性。

2.5　纤维高性能混凝土抗硫酸盐侵蚀性能

各种混凝土受硫酸盐侵蚀后膨胀测试结果见图4。由图中结果可知,在5%Na2SO4溶液侵蚀后,纤维高性能混凝土、高性能混凝土和基准普通混凝土试件都发生了膨胀。但纤维高性能混凝土试样比普通混凝土试样抗硫酸盐侵蚀能力有明显改善。由图中结果还可以发现,虽然纤维高性能混凝土抗渗性能比同配比的高性能混凝土差,但其抗化学侵蚀能力则比其有一定改善。这主要是纤维约束作用的缘故。

2.6　纤维高性能混凝土耐久性能改善的机理分析

上述混凝土试验结果表明,掺入网状聚丙烯纤维可有效地提高水泥基复合材料的抗冻和抗化学侵蚀性能。提高的原因部分是由于聚丙烯纤维的掺入减少了由高性能混凝土内应力所产生的裂缝,特别是混凝土在塑性阶段干燥脱水所产生的裂缝。聚丙烯的掺入使混凝土早期收缩所产生的裂缝大为减少。聚丙烯纤维对高性能混凝土耐久性能改善的另一个原因是纤维在混凝土受化学侵蚀和冻融条件下发生膨胀时所起的约束作用。纤维参与抵抗冻融及化学侵蚀时的膨胀压力与渗透压力,减少裂缝的扩展,从而提高了高性能混凝土的抗冻融及抗化学侵蚀能力。

3 普通混凝土与高性能混凝土耐久性差别的原因

3.1 水泥浆体凝胶孔的影响

普通混凝土硬化水泥浆体是一种极复杂的非均质的多相体, 是随时间而变化的。充分水化的水泥浆体组成是: C- S- H 约占 70% , Ca(OH) 2 约占 20% , 钙矾石和单硫酸盐的水化硫铝酸盐等共约占 7% , 未水化熟料的残留物和其他杂质约占 3% 。其中,最大量的 C- S- H 是一种比表面积还大的多孔物质, 含有凝胶孔。凝胶孔是在凝胶颗粒间互相连通的孔隙, 形状多种多样, 这些互相联系的凝胶孔决定了硬化水泥浆体的渗透性和抗冻性, 水泥浆体的收缩和徐变也是主要受凝胶孔的影响。而高性能混凝土采用的矿物细掺料要求有一定的细度, 这样, 矿物细掺料参与水化反应的产物及其未反应的细颗粒就可填充水泥石的毛细孔, 使混凝土更密实。许多学者通过试验证明, 随着水化龄期的发展, 掺有矿物细掺料的水泥石中有害的大孔减少, 无害或少害的小孔或微孔增多, 即孔结构得到改善。水泥石的渗透性随孔隙率的降低而下降, 渗透性很低的混凝土能抵抗环境中侵蚀性介质的侵入, 因而可有高耐久性。

3.2 混凝土中界面过渡层的影响

混凝土是由水泥石和集料两相组成的复合材料; 水泥石又是各种水化物和未水化颗粒、水、气等的多相复合体。各相之间的界面是混凝土内部结构重要的组成部分, 普通混凝土的劣化或破坏往往出现在界面处。在普通混凝土周围一定范围内的区域, 其结构与性能不同于硬化水泥石本体, 在厚度方向从集料表面向水泥石逐渐过渡, 其厚度为 0～100μm 。“过渡层”是由于水泥浆体中的水在向集料表面迁移的方向形成水灰比的梯度而产生的。从集料表面向水泥石本体, 水灰比逐渐减小, 直到到达水泥石本体的水灰比; 由于水灰比的差别, 离集料表面越近, 结晶体水化物越容易生成, 使得这一区域水泥浆的实际 W/C 大于本体中的W/C , 六方薄片结晶的 Ca(OH) 2 呈层状排列, 导致这一区域水泥石的结构比较疏松。

3.3 水灰比的影响

混凝土的渗透性与耐久性有密切关系。对相同水化程度的水泥石来说, 水灰比越低, 渗透性越低。水化程度达到 93% 的水泥石渗透系数和水灰比的关系见图 。从图中可以看出, 对于水灰比大于 0.45 的普通混凝土渗透系数发展呈现快速增长的态势, 而高性能混凝土的水灰比都低于 0.4 , 故渗透系数很低。

图 水化程度达到 93% 的水泥石渗透系数和水灰比的关系

结束语

随着建筑材料工业的发展和技术的不断进步,特别是社会各界对我们建筑业的发展提高的较高的要求,节约、高性能、环保成为我们时代的主题。混凝土作为工程材料中不可替代的品,必须产生一次质的飞跃。超细粉的掺入不仅完全可满足上述要求,而且还可起到混凝土外加剂不可替代的作用,同时也是我们建筑业进一步研究探讨的主要课题。在高性能混凝土中掺加网状聚丙烯纤维会降低其抗渗能力;在纤维增韧混凝土中双掺粉煤灰和硅灰,可以大幅度降低混凝土的Cl-离子渗透系数和提高其抗渗能力;在高性能混凝土中掺入聚丙烯纤维可以改善其抗磨耗性能、抗冻性能和抗化学侵蚀性能;网状聚丙烯纤维对高性能混凝土抗冻融性能和抗化学侵蚀能力改善的机理为混凝土收缩裂缝减少和抗膨胀压力与渗透压力提高。

参考文献

[1]矿物超细粉的应用研究现状与前景[J].王峰.南通大学学报(自然科学版).2015(01)

[2]超细粉煤灰高性能混凝土的力学性能[J].李益英力.建筑材料学报.2016(01)

[3]预应力高性能混凝土梁中超细粉煤灰合理掺量研究[J].李力.中国铁道科学.2015(01)

[4]用超细粉煤灰配制高性能道路混凝土的研究[J].高琼.粉煤灰综合利用.2020(05)

[5]超细粉煤灰的性能研究[J].周益力.硅酸盐学报.2018(05)

[6]高掺量粉煤灰混凝土水化热及其抗裂分析[J].任铮鹏.混凝土.2019(05)