鋼纖維混凝土的耐久性研究

摘要：鋼纖維混凝土作為一種新型高性能混凝土材料，在建筑工程領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。本文主要對鋼纖維混凝土的耐久性能進(jìn)行了論述，其主要內(nèi)容是對鋼纖維混凝土的碳化作用、氯離子侵蝕和硫酸鹽侵蝕進(jìn)行了總結(jié)分析，并對需要進(jìn)一步研究的相關(guān)問題提出了建議。

關(guān)鍵詞：混凝土;鋼纖維;碳化;氯離子侵蝕;硫酸鹽侵蝕

鋼纖維混凝土是由鋼纖維與水泥基體組成的新型復(fù)合材料。鋼纖維是一種短纖維，在混凝土基體中亂向分布，起到阻礙內(nèi)部裂縫的擴(kuò)展和阻滯宏觀裂縫的發(fā)生和發(fā)展的作用。鋼纖維混凝土抵抗環(huán)境介質(zhì)作用并長期保持其良好的使用性能和外觀完整性，從而維持混凝土結(jié)構(gòu)的安全、正常使用的能力稱為鋼纖維混凝土的耐久性。鋼纖維混凝土的耐久性直接影響到混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，是工程界普遍關(guān)注的問題之一。目前對于鋼纖維混凝土耐久性的研究，大多從混凝土碳化、氯離子侵蝕和硫酸鹽侵蝕等三個(gè)方面考慮。下面做具體分析。

1"碳化作用

混凝土的碳化是混凝土所受到的一種化學(xué)腐蝕。空氣中CO2氣滲透到混凝土內(nèi)，與其堿性物質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)后生成碳酸鹽和水，使混凝土堿度降低的過程稱為混凝土碳化，其基本化學(xué)反應(yīng)式為Ca（OH）2+CO2=CaCO3+H2O?；炷撂蓟?，混凝土內(nèi)部的孔隙特征和化學(xué)成分發(fā)生了一定程度的變化，Ca（OH）2與CO2在有水的情況下反應(yīng)生成CaCO3，CaCO3填充與混凝土內(nèi)部的微裂紋和毛細(xì)孔等空隙中?；炷撂蓟瘡谋砻骈_始，隨著時(shí)間的發(fā)展，持續(xù)不斷的向混凝土內(nèi)部發(fā)展。碳化作用與混凝土內(nèi)部孔隙液體的組成和水化產(chǎn)物的形態(tài)等因素密切相關(guān)，碳化作用同時(shí)間的增長成反比，是一個(gè)減速過程。

鋼纖維改善混凝土的抗碳化能力，一般認(rèn)為是由于混凝土中加入鋼纖維以后，鋼纖維分布在水泥砂漿中，彼此相連形成網(wǎng)絡(luò)，抑制骨料下沉，阻礙混凝土拌合物離析，降低混凝土的泌水，從而減少了混凝土中的孔隙通道;同時(shí)，大量分布在砂漿中的鋼纖維會(huì)使砂漿中的毛細(xì)孔變小，毛細(xì)管細(xì)化甚至堵塞，另外，鋼纖維的加入減少或阻止了混凝土中裂縫的形成、生長及擴(kuò)展，并阻斷裂紋的連通，也就是說，在鋼纖維混凝土中，鋼纖維削弱了CO2的擴(kuò)散途徑，抑制了CO2的擴(kuò)散，故鋼纖維混凝土的抗碳化能力高于素混凝土。但是，碳化試驗(yàn)是在相對濕度為（70+5）%的環(huán)境下發(fā)生的，CO2侵入鋼纖維混凝土遇水會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成碳酸，對鋼纖維有一定的腐蝕性，因此鋼纖維的腐蝕也是一個(gè)亟待解決的問題。

2氯離子侵蝕

氯離子是影響鋼纖維混凝土耐久性的重要因素之一，它是一種較強(qiáng)的陽極活化劑，隨著時(shí)間的增加，當(dāng)氯離子滲透積累至混凝土中鋼筋周圍一定濃度時(shí)，就會(huì)使鋼筋表面的鈍化膜破壞，從而造成電化學(xué)腐蝕。氯離子主要通過“滲入”和“摻入”兩種途徑侵蝕混凝土?！皾B入”主要是指水中的氯離子以混凝土的微觀和宏觀缺陷為途徑，經(jīng)過復(fù)雜的化學(xué)變化進(jìn)入混凝土中，這種氯離子的侵蝕方式對混凝土的破壞較為多見?！皳饺搿敝饕侵冈诨炷涟韬线^程中來自于水泥、外加劑和砂子等材料中的氯離子，然而由于原材料中的氯離子含量受到嚴(yán)格控制，這種侵蝕方式所造成的破壞較小。

在我國沿海地區(qū)和西北內(nèi)陸鹽漬土地帶，混凝土長期暴露在海水、海風(fēng)或鹽漬土環(huán)境中，氯離子會(huì)滲透進(jìn)入混凝土中，引起混凝土內(nèi)部的鋼筋去鈍化從而導(dǎo)致混凝土的鋼筋銹蝕。當(dāng)在混凝土中摻入冷拉鋼絲制造的鋼纖維時(shí)，鋼纖維的彈性模量大于混凝土基體的彈性模量，增加了硬化初期混凝土的強(qiáng)度和韌度，使混凝土內(nèi)部的微裂紋減少，有效抑制了連通孔的產(chǎn)生，改善了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。另一方面，鋼纖維使混凝土的失水面積變小，水分遷移困難，降低了毛細(xì)管試水收縮形成的毛細(xì)管張力，從而提高抗氯離子侵蝕能力。有關(guān)學(xué)者通過對比在海洋性環(huán)境下鋼纖維混凝土和鋼筋混凝土中的氯離子滲透情況發(fā)現(xiàn)，氯離子在鋼筋混凝土中的滲透性遠(yuǎn)高于鋼纖維混凝土。

圖1.1鋼纖維混凝土的氯離子滲透試驗(yàn)

圖1.2鋼筋混凝土氯離子滲透試驗(yàn)

從圖中可以看出，與鋼筋混凝土構(gòu)件相比，鋼纖維混凝土電壓變化幅度較小，腐蝕現(xiàn)象不明顯，而鋼筋混凝土表面出現(xiàn)了較嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象。

3"硫酸鹽侵蝕

混凝土的硫酸鹽侵蝕是影響混凝土耐久性的重要因素之一，它也是影響因素最復(fù)雜、危害性最大的一種侵蝕。近年來，在我國的公路、橋梁、水電等工程中均大量發(fā)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)物受硫酸鹽侵蝕破壞的問題混凝土硫酸鹽侵蝕破壞機(jī)理是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，本質(zhì)上是外界侵蝕物質(zhì)中的SO42-隨著時(shí)間的發(fā)展深入混凝土的空隙內(nèi)部，同混凝土的某些成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生體積膨脹，導(dǎo)致混凝土開裂，并最終引起混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。

混凝土的侵蝕過程是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過程，在摻入鋼纖維后在混凝土基體周圍會(huì)發(fā)生水化反應(yīng)生成膨脹性產(chǎn)物鈣礬石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）。在混凝土硬化過程中，由于水泥漿體中的水化硅酸鹽鈣（C-S-H）是一種結(jié)晶不完整的蜂窩型或錯(cuò)綜復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，一方面會(huì)填塞混凝土自身結(jié)構(gòu)中的毛細(xì)空隙和C-S-H凝膠中的蜂窩空隙，另一方面又會(huì)與C-S-H凝膠交織在一起，形成三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，起到了填充、堵塞及切斷毛細(xì)孔和其他孔隙作用，使混凝土試件在侵蝕早期變得更加密實(shí)，降低了混凝土試件的透水性，增加混凝土強(qiáng)度。相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究表明，在硫酸鹽侵蝕條件下的混凝土中加入一定摻量的鋼纖維，鋼纖維在混凝土中呈現(xiàn)多維亂向分布，通過傳遞基體界面粘結(jié)力，使鋼纖維受力，有效的限制了混凝土試件的膨脹，大大改善了混凝土試件的抗硫酸鹽侵蝕能力。

4"結(jié)語

鋼纖維對混凝土的碳化作用、抗氯離子侵蝕和抗硫酸鹽侵蝕都有不同程度上的改善，雖然國內(nèi)外學(xué)者已通過不同的方法和角度對其進(jìn)行了探討，但鋼纖維改善混凝土耐久性能的研究仍然是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。另外，目前對鋼纖維混凝土耐久性的研究目前主要集中在單因素的影響下，對于碳化、氯離子侵蝕與酸鹽侵蝕共同作用下的研究還比較匱乏，應(yīng)該完善復(fù)雜環(huán)境下鋼纖維對混凝土耐久性能的影響。