復雜環境下纖維混凝土改性及耐久性試驗研究

劉偉俊

（固始縣建設工程質量監督站，河南 信陽 465200）

受到各種復雜環境的影響，混凝土建筑材料易被氯離子等鹽環境侵蝕，材料體積膨脹并產生裂縫，導致混凝土強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為混凝土領域發展的一個重點。對此，許多學者進行研究。劉汝超等制備了一種外摻玄武巖纖維型改性混凝土，并對其耐久性進行探討。試驗結果表明，當在混凝土中摻入0.05% 18 mm 長度的玄武巖纖維時，材料抗滲性的改善情況最好［2］。而周興宇等則通過添加不同尺度下的聚丙烯纖維對混凝土進行改性，并研究其性能。試驗結果表明，在混凝土中混摻纖維，可以減小材料基體中的孔徑并且使孔徑大小更加均勻，從而提高其耐久性［3］。除此之外，李霞等通過添加2%聚乙烯纖維對混凝土進行改性，并研究其耐久性變化情況。試驗結果表明，在摻入2%聚乙烯纖維后，該材料抗氯離子性能、抗碳化性能以及保溫性能均得到提高，耐久性良好［4］。以上學者的研究為混凝土耐久性的發展提供了參考方向?；诖?，試驗主要在玄武巖—聚丙烯纖維混凝土的基礎上，添加不同摻量的碳酸鈣晶須，對材料再次進行改性，并研究其性能。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

主要材料。P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥，工業純，上海乾胡實業；粉煤灰，工業純，石家莊光寧礦產；粗骨料碎石，工業純，靈壽縣梓舒礦產，粒徑5～30 mm；細骨料天然河砂，工業純，石家莊晶森礦產，粒徑0～5 mm；萘系減水劑，工業純，山東天宏化工；網狀聚丙烯纖維，工業純，山東力創新材料；玄武巖纖維，工業純，泰安浩達新材料；碳酸鈣晶須，工業純，靈壽金源礦業；氯化鈉，分析純，山東偉倫化學。

主要設備。RD1020 型電子天平，深圳市榮達儀器；WD-300型立式攪拌桶，濟寧威達機械有限公司；DYE-2000 型壓力試驗機，鼎鵬河北試驗儀器；JITAI-S10KN 型電子多功能試驗機，北京吉泰科儀檢測設備；JWS-7555 型場發射掃描電鏡，新啟航半導體；TDR-3 型快速凍融循環機，滄州錫通昂建筑儀器。

1.2 試驗方法

1.2.1 配合比設計

試驗中，混凝土的主要改性材料為碳酸鈣晶須，通過添加不同摻量的碳酸鈣晶須對網狀聚丙烯纖維及玄武巖纖維共同改性的混雜纖維混凝土（XWC-）再次進行改性，制備一種晶須改性混雜纖維混凝土，并將普通混凝土（PC）和混雜纖維混凝土（XWC）作為對比，研究其性能。其中，混凝土的配合比設計見表1［5-6］。

表1 試件配合比設計Tab.1 Sample mix design

1.2.2 纖維混凝土的制備

（1）根據表1 中混凝土的配合比設計，用電子天平稱取適量的纖維混凝土原材料，備用。

（2）先在攪拌桶中加入少量水泥、河砂和水，預攪拌1 min。然后加入剩下的水泥、河砂及碎石，并加入適量粉煤灰和碳酸鈣晶須，繼續攪拌1 min。

（3）向攪拌桶中分兩次加入網狀聚丙烯纖維及玄武巖纖維，每次攪拌時間為1 min。

（4）將剩下的水加入到攪拌桶中，并加入適量的減水劑，攪拌處理3 min，獲得晶須改性混雜纖維混凝土砂石漿。

（5）在試件模具內側刷上一層潤滑油，然后將步驟（4）中制備的砂石漿倒入模具中，在倒入砂石漿時注意插搗成型。

（6）將裝有砂石漿的模具在振動臺上振實處理2 min，排除材料內部多余的氣泡，然后用塑料薄膜密封，在常溫環境下放置24 h。

（7）脫模，將試件轉移到養護室內進行養護處理一定時間，然后取出，貯存備用。

1.3 性能測試

（1）坍落度。在混凝土砂石漿筑模之前，對試驗制備的各混凝土材料進行坍落度測試，分析混凝土的和易性。

（2）抗壓強度。通過壓力試驗機對試件進行測試，分析其抗壓強度性能。

（3）抗折強度。通過萬能試驗機對混凝土試樣進行測試，分析材料的抗折強度。

（4）微觀形貌。通過掃描電鏡（SEM）對混凝土試樣進行測試，分析其微觀形貌情況。

（5）抗鹽溶液凍融循環試驗。用氯化鈉配置不同濃度的鹽溶液環境，分別模擬鹽鹵湖水環境以及極高濃度鹽堿環境，進行鹽溶液凍融循環試驗，并通過材料的質量損失率情況，分析其耐久性［7］。

2 結果與分析

2.1 坍落度分析

由圖1可知，隨著混雜纖維混凝土中碳酸鈣晶須摻量不斷增多，混凝土砂石漿的坍落度不斷下降。對于普通混凝土（PC），其坍落度為142 mm，而未添加碳酸鈣晶須的混雜纖維混凝土（XWC），其坍落度降低到95 mm，這與普通混凝土相比，降低幅度為33.1%。這表明，在混凝土中添加混雜纖維，可以增強其工作性能。當繼續在混雜纖維混凝土中摻入碳酸鈣晶須時，材料的坍落度進一步降低。當材料中的碳酸鈣晶須摻量達到3.5%時，坍落度僅為29 mm，對比普通混凝土降低79.6%，對比混雜纖維混凝土降低69.5%。這表明，碳酸鈣晶須的摻入，可以有效降低材料坍落度，增強混凝土砂石漿的工作性能。

圖1 砂石漿坍落度Fig.1 Slump of sand and gravel slurry

以上這些情況出現主要有兩個原因。一是在混凝土材料中摻入混雜纖維，可以增加材料基體的密實度，同時，纖維在材料基體內部起到較好的連橋作用，基體之間的粘接效果增加；二是碳酸鈣晶須的比表面積較大，同時具備吸水性能，對水分子的吸附作用較強，因此，當碳酸鈣晶須摻入混雜纖維混凝土時，材料中的水分減少，坍落度下降明顯，混凝土材料的離析現象被抑制［8-9］。綜上，在混雜纖維混凝土中摻入碳酸鈣晶須，可以有效降低混凝土坍落度，材料的工作性能良好。

2.2 抗壓強度分析

由圖2 可知，當混雜纖維混凝土中摻入的碳酸鈣晶須增多時，試件的抗壓強度出現先增加后迅速下降的變化趨勢。普通混凝土（PC）試件，其抗壓強度為49.6 MPa，未添加碳酸鈣晶須改性的混雜纖維混凝土（XWC）試件，其抗壓強度為49.1 MPa，這與PC 相差不大。當在混雜纖維混凝土中摻入的碳酸鈣晶須較少時，試件的抗壓強度在49.0 MPa 左右，這與PC 和XWC 均無較大差別；當摻入2.5%碳酸鈣晶須時，試件的抗壓強度最高，為54.5 MPa，與PC相比增幅為9.9%；此后，當混雜纖維中碳酸鈣晶須的摻量增多到3.0%或3.5%時，抗壓強度出現大幅度降低的趨勢。以上現象表明，在混雜纖維混凝土中摻入適量的碳酸鈣晶須，可以提升其抗壓強度。

圖2 試件抗壓強度Fig.2 Compressive strength of the specimen

綜合分析可知，這些變化出現的原因可能是，在混凝土中摻入混雜纖維，纖維之間的相互穿插作用在基體內部形成三維網狀結構，在混凝土材料基體之間起到橋接效果，增強了材料的結構緊密性，同時，也引入了一些薄弱區。因此，在抗壓強度方面，混雜纖維混凝土與普通混凝土的差別較小。然而，碳酸鈣晶須的摻入，進一步加強了纖維對材料基體的橋接作用，基體間的界面粘結作用加強。同時，碳酸鈣晶須屬于混凝土內部的微小單元，可以對一些基體內部的缺陷起到填補作用，使混雜纖維混凝土中的薄弱區減少。在混雜纖維混凝土中添加適量的碳酸鈣晶須，可以使其抗壓強度提高。但當材料中添加的碳酸鈣晶須過多時，晶須在材料內部分散不均勻，容易出現團聚等現象，使材料中局部水泥漿料減少，材料結構不均勻，從而在混凝土基體內部形成薄弱區，抗壓強度迅速下降［10］。綜上，當摻入2.5%碳酸鈣晶須時，混雜纖維混凝土的抗壓強度較好。

2.3 抗折強度分析

由圖3可知，當混雜纖維混凝土中摻入的碳酸鈣晶須增多時，抗折強度呈現先增后減的變化?？拐蹚姸茸钚〉氖瞧胀ɑ炷粒≒C）試件，為4.26 MPa；當在混凝土中摻入混雜纖維進行改性時，材料的抗折強度增加至5.42 MPa，對比PC 增幅為27.2%。當在混雜纖維混凝土（XWC）中繼續添加碳酸鈣晶須進行再次改性時，材料的抗折強度繼續升高；對于摻入2.5%碳酸鈣晶須的混雜纖維混凝土試件，其抗折強度最大，為6.63 MPa，這與PC 相比，增幅為55.6%。然而，當碳酸鈣晶須的摻量大于2.5%時，材料的抗折強度出現快速降低的變化現象；當碳酸鈣晶須的摻量為3.5%時，抗折強度下降至5.45 MPa，對比抗折強度峰值的降幅為17.8%，但高于普通混凝土和未添加碳酸鈣晶須的混雜纖維混凝土試件。

圖3 試件抗折強度Fig.3 Bending strength of the test piece

以上這些變化表明，混雜纖維的摻入，會提高材料的抗折強度，同時，繼續添加碳酸鈣晶須會進一步增加抗折強度。綜合分析可知，混雜纖維本身具備較好的韌性，當在混凝土中添加混雜纖維時，纖維可以加強混凝土基體間的粘結效果，起到連橋作用。當材料受到外力作用時，混凝土中的混雜纖維可以分散應力，并且抑制材料內部裂紋等缺陷擴展，宏觀表現為混凝土抗折強度提高，韌性增強。而碳酸鈣晶須的添加，使混雜纖維對混凝土的作用效果進一步加強，同時，填補了因添加混雜纖維至材料基體中引入薄弱區等缺陷，因此材料抗折強度再次提升。但是，研究表明過多的碳酸鈣晶須反而會使混凝土基體內部的薄弱區增多，引起材料性能降低［11-12］。綜上，當混雜纖維混凝土中添加2.5%碳酸鈣晶須時，材料抗折強度較好，韌性良好。

2.4 SEM分析

試驗選擇對在以上研究中性能較好的XWC-2.5 試件（即添加2.5%碳酸鈣晶須改性的混雜纖維混凝土試件）斷裂形貌進行分析，結果見圖4。由圖4（a）可知，試件中網狀聚丙烯纖維可以很好地包覆材料基體，試件表面較平整，沒有裂縫等宏觀缺陷產生。由圖4（b）可知，當試件斷裂時，玄武巖纖維在混凝土基體間穿插，與基體緊密結合，沒有斷裂或被拔出，材料基體比較完整，這表明混凝土基體間的粘結作用較強，材料性能較好。由圖4（c）可知，碳酸鈣晶須在混凝土基體內部分布比較均勻，可以抑制材料內部裂紋的擴展，進一步增強材料的韌性和強度性能。綜合來看，混凝土材料中的網狀聚丙烯纖維、玄武巖纖維以及碳酸鈣晶須相互作用，起到增強增韌的效果［13］。因此，試驗制備的晶須改性混雜纖維混凝土，具備較好的強度和韌性。

圖4 材料微觀形貌Fig.4 Material micromorphology

2.5 耐久性分析

圖5（a）為普通混凝土（PC）試件分別在清水環境、模擬鹽鹵湖水環境以及模擬極高濃度鹽堿環境中的凍融循環試驗情況。由圖5（a）可知，當各復雜環境中的凍融循環次數不斷增多時，試件的質量基本上不斷下降。同時，當凍融循環次數相同時，試件質量損失從高到低依次是：模擬極高濃度鹽堿環境、模擬鹽鹵湖水環境、清水環境。這表明當環境中的氯離子濃度提高時，試件質量損失更加嚴重?？梢钥吹?，在模擬鹽鹵湖水凍融循環25 次之后，PC 的質量有所上升，這可能是因為在凍融循環前期，氯離子的侵蝕的水分子的滲透，使材料中水化產物和侵蝕產物增多，從而引起材料質量升高［14］。圖5（b）為在混雜纖維混凝土中添加2.5%碳酸鈣晶須改性的試件凍融循環試驗結果。將圖5（b）與圖5（a）對比可知，經過碳酸鈣晶須改性后的混雜纖維混凝土，在各種復雜環境下的凍融循環質量損失情況均低于PC，這表明該材料抵抗鹽溶液侵蝕和凍融循環的能力較強，耐久性較好。發生這種現象的主要原理可能是，在混凝土中，網狀聚丙烯纖維、玄武巖纖維以及碳酸鈣晶須相互作用，使材料基體結構更加緊密。而此試驗中，鹽溶液凍融循環對試件的破壞，主要是由Cl-與材料中的帶正電離子、水化產物等發生反應，進一步生成水化產物或侵蝕產物等，從而引起材料體積膨脹，裂紋開始擴展為宏觀裂縫，使材料結構破壞。然而，混凝土中的纖維、晶須等減緩了這種膨脹應力，使材料耐久性增加［15-16］。綜上，摻入2.5%碳酸鈣晶須改性的混雜纖維混凝土，其在各種復雜環境下的耐久性高于普通混凝土，材料耐久性良好。

圖5 凍融循環試驗結果Fig.5 Results of freeze-thaw cycle test

3 結論

試驗通過添加不同摻量的碳酸鈣晶須對玄武巖—聚丙烯纖維混凝土進行進一步改性，并與普通混凝土（PC）、混雜纖維混凝土（XWC）進行對比，研究其性能變化情況?，F將具體結論總結如下：

1）碳酸鈣晶須的摻入，可以有效降低混凝土坍落度，當摻入3.5%晶須時，坍落度對比PC、XWC 分別降低79.6%、69.5%。

2）當摻入2.5%晶須時，材料抗壓強度、抗折強度最高，分別為54.5、6.63MPa，與PC 相比增幅分別為9.9%、55.6%。

3）摻入2.5%碳酸鈣晶須改性的混雜纖維混凝土，其在清水環境、模擬鹽鹵湖水環境以及模擬極高濃度鹽堿環境中凍融循環后，耐久性高于PC，材料耐久性良好。

4）試驗中，最佳碳酸鈣晶須摻量為2.5%，此時，制備的纖維混凝土綜合性能較好，可以在各種復雜環境下應用。