混雜纖維增強(qiáng)混凝土的力學(xué)和耐腐蝕性能研究*

侯瑩瑩

(1. 濰坊科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，山東 濰坊 262700； 2. 山東省高校設(shè)施園藝實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 262700)

0 引 言

鋼筋混凝土中鋼筋的腐蝕是導(dǎo)致其劣化的主要原因之一[1-2]。鋼筋混凝土由于經(jīng)常暴露在機(jī)械載荷條件下，容易出現(xiàn)形變，一旦形成裂縫，水和侵蝕劑會(huì)加速滲透到混凝土中，降低混凝土材料的整體強(qiáng)度和剛度，從而加速腐蝕過程并縮短鋼筋混凝土使用壽命[3-6]。

混凝土的腐蝕行為和混凝土開裂具有一定相關(guān)關(guān)系[7]。研究表明，長(zhǎng)期腐蝕行為與材料裂紋寬度之間的相關(guān)性不強(qiáng)[8]。因此裂紋寬度在0.1 mm以上作為抗腐蝕設(shè)計(jì)的方法不能完全解決腐蝕行為[9]。M. Boulfiza等[10]通過建模來確定混凝土開裂和未開裂的有效滲透率，從0.1～0.3 mm的裂紋寬度變化對(duì)滲透率的影響較小(相對(duì)差異約為5倍)，然而破裂基質(zhì)(0.1 mm)和未破裂基質(zhì)的有效滲透率表現(xiàn)出巨大差異性，其中未破裂的基質(zhì)具有較低的滲透性。A.Mohammed等[11]研究了在鋼筋混凝土梁中開裂和未開裂段上發(fā)生的微觀電池和宏觀電池腐蝕行為，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與未開裂相比，開裂段中的腐蝕速率更高。

目前，應(yīng)用于腐蝕環(huán)境中的混凝土材料，通常采用提高混凝土基體的抗裂性，來防止腐蝕性物質(zhì)進(jìn)入導(dǎo)致的加速腐蝕[12-13]。研究人員已研究了具有鋼纖維和聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土復(fù)合材料的開裂特性，用海水浸漬相對(duì)低劑量(Vf= 0.2%(體積分?jǐn)?shù)))的聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土材料，并對(duì)其進(jìn)行研究，在沒有聚丙烯纖維的樣品中，腐蝕效率更快[14-18]。與普通混凝土相比，鋼纖維和聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土的腐蝕效率明顯減緩[19-21]。然而對(duì)鋼纖維和聚丙烯纖維混合增強(qiáng)混凝土材料的研究并不多，而且纖維增強(qiáng)混凝土材料耐腐蝕的機(jī)理研究目前也沒有定論。

本文研究了鋼纖維增強(qiáng)混凝土(SFRC)和聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土(PFRC)分別在纖維體積分?jǐn)?shù)為0.5%，1.0%，1.5%和0.1%，0.2%，0.3%時(shí)，材料的壓縮韌性和沖擊韌性，以及混雜纖維增強(qiáng)混凝土(HFRC)的壓縮韌性和沖擊韌性。同時(shí)，研究了混雜纖維增強(qiáng)混凝土的耐硫酸鹽腐蝕性能及其腐蝕機(jī)理。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

硅酸鹽水泥P.O42.5和粉煤灰，購(gòu)自北京嘉信杰建材有限公司，水泥和粉煤灰的化學(xué)成分如表1所示；聚羧酸高效減水劑，購(gòu)自山東三美硅材料有限公司；鋼纖維和聚丙烯纖維，購(gòu)自泰安同宏纖維有限公司，其性能參數(shù)如表2所示。

表1 水泥和粉煤灰的化學(xué)組成

表2 鋼纖維和聚丙烯纖維的性能

1.2 樣品的制備

壓縮試驗(yàn)試樣尺寸為100 mm×100 mm×300 mm，沖擊試驗(yàn)試樣尺寸為φ150 mm×60 mm，按照尺寸制備樣品，然后靜置24 h后脫模。為使纖維均勻分散，混合過程分為兩階段。首先將纖維、水泥、粉煤灰和集料在攪拌機(jī)中攪拌3 min，然后在混合物中加入水和高效減水劑繼續(xù)攪拌3 min；接著，將樣品在(20±2)℃的溫度和95%的相對(duì)濕度下固化28 d；最后，進(jìn)行壓縮試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)。

1.3 混凝土配合比設(shè)計(jì)

混凝土配合比如表3所示,水灰比為0.46。在混凝土中摻入粉煤灰和高效減水劑，以保證混凝土具有良好的加工性能。鋼纖維的體積分?jǐn)?shù)分別為0.5%，1.0%和1.5%，聚丙烯纖維的體積分?jǐn)?shù)分別為0.1%，0.2%和0.3%。

表3 混凝土配合比

1.4 性能與檢測(cè)

采用YE-600 型液壓材料試驗(yàn)機(jī)液壓試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，記錄混凝土的荷載和應(yīng)變，根據(jù)抗壓強(qiáng)度分析材料的抗壓性能。

根據(jù)GB/T14153，采用LC-2000型落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)，以評(píng)估纖維混凝土的沖擊韌性，耐沖擊性可以通過產(chǎn)生初裂紋的沖擊次數(shù)和最終破壞的沖擊次數(shù)來評(píng)估。從457 mm的高度落下4.5 kg的落錘，沖擊力從直徑64 mm的球傳遞到混凝土試樣。反復(fù)地將錘子落下，記錄在試樣頂部表面上出現(xiàn)可見裂紋和試樣最終破壞的沖擊次數(shù)。

采用日立S4800掃描電子顯微鏡觀察材料微觀形貌；采用GP/FTIR-1500傅里葉變換光譜儀對(duì)混凝土進(jìn)行測(cè)試；采用硫酸鈉鹽浸泡腐蝕法測(cè)試混凝土耐腐蝕性能，硫酸鈉溶液濃度為5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后放進(jìn)腐蝕溶液中浸泡7和14 d后取出，測(cè)試其抗壓強(qiáng)度，并與普通純混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比。

2 結(jié)果與討論

2.1 試件的抗壓強(qiáng)度分析

圖1為不同摻雜的纖維增強(qiáng)混凝土樣品的抗壓強(qiáng)度。從圖1可以看出，纖維增強(qiáng)混凝土樣品的抗壓強(qiáng)度均高于未添加纖維樣品，其中，PF0.3、SF1.5和SF0.5/PF0.3樣品的抗壓強(qiáng)度均低于PF0.2、SF0.2和SF0.5/PF0.2樣品，抗壓強(qiáng)度最好的摻雜量為SF0.5/PF0.2樣品。由圖1可知，SF和PF的摻雜能顯著提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，混雜纖維增強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度提升更明顯，隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增大，纖維增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)。這可能是由于隨著纖維含量的增加，纖維增強(qiáng)混凝土樣品的分散性變差導(dǎo)致的。

圖1 試件的抗壓強(qiáng)度Fig 1 Compressive strength of the test piece

2.2 落錘沖擊試驗(yàn)

纖維增強(qiáng)混凝土樣品的落錘沖擊試驗(yàn)結(jié)果，如圖2所示。從圖2可以看出，纖維增強(qiáng)混凝土樣品出現(xiàn)初始裂紋所需的沖擊次數(shù)和斷裂沖擊次數(shù)均高于未添加纖維樣品。其中， SF1.5、PF0.3和SF1.0/PF0.2樣品出現(xiàn)初裂紋的沖擊次數(shù)分別為33，30和41，分別比普通混凝土增加了120%，100%和173%；SF1.5、PF0.3和SF1.0/PF0.2樣品的最終斷裂沖擊次數(shù)分別為44，42和58，分別比普通混凝土增加了144%，133%和222%。由圖2可知，隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增大，出現(xiàn)初始裂紋所需的沖擊次數(shù)和斷裂沖擊次數(shù)均顯著增加,這可能是因?yàn)镾F在基體中起到橋聯(lián)作用，而PF能有效抑制微裂紋的擴(kuò)展。

圖2 落錘沖擊試驗(yàn)結(jié)果Fig 2 Drop weight test results

2.3 耐硫酸鹽腐蝕性能研究

表4為纖維增強(qiáng)混凝土樣品的耐硫酸鹽腐蝕性能。由表4可知，單摻PF混凝土PF0.1、PF0.2和PF0.3樣品相對(duì)于普通混凝土的7 d耐抗腐蝕系數(shù)分別提高了2.98%，14.82%和4.83%；單摻SF混凝土SF0.5、SF1.0和SF1.5樣品相對(duì)于普通混凝土的7 d耐抗腐蝕系數(shù)分別提高了10.9%，2.63%和10.29%。對(duì)于單摻PF混凝土樣品，摻雜率為0.2%時(shí)的單摻PF混凝土材料7 d耐抗腐蝕系數(shù)最優(yōu)，耐抗腐蝕系數(shù)為93.89%；對(duì)于單摻SF混凝土樣品，7和14 d耐抗腐蝕系數(shù)隨著摻雜量的提高逐漸升高。對(duì)于混雜纖維增強(qiáng)混凝土，SF0.5/PF0.1、SF0.5/PF0.2、SF0.5/PF0.3和SF1.0/PF0.2樣品的7 d耐抗腐蝕系數(shù)相比普通混凝土分別提高了13.89%、15.45%、17.04%和15.2%，SF0.5/PF0.3樣品的耐抗腐蝕系數(shù)最優(yōu)，7 d耐抗腐蝕系數(shù)為96.11%，14 d耐抗腐蝕系數(shù)為92.38%。

表4 耐硫酸鹽腐蝕性能

2.4 耐腐蝕機(jī)理研究

圖3為纖維增強(qiáng)混凝土樣品的吸水率。從圖3可以看出，纖維摻雜增強(qiáng)混凝土樣品的吸水率均低于未摻雜樣品的吸水率。由表4可知，混合纖維摻雜混凝土樣品的耐抗腐蝕系數(shù)最高，吸水率最低。吸水率越高，混凝土樣品的抗硫酸鹽腐蝕能力越差，說明纖維增強(qiáng)混凝土樣品抗硫酸鹽腐蝕能力與吸水率具有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系。SF本身不耐硫酸鹽腐蝕，而且SF增強(qiáng)混凝土吸水率高，說明基體裂紋多，腐蝕性硫酸鹽和水泥的反應(yīng)就快，抗硫酸鹽腐蝕性能就不好，即吸水率越高，混凝土的抗硫酸鹽腐蝕能力越差。PF屬于低彈性模量纖維，并且PF本身具有非常好的抗硫酸鹽腐蝕性能，PF能夠更加均勻地分散于混凝土樣品內(nèi)部，形成一張可靠的三維網(wǎng)格體系，可以很好地阻止混凝土內(nèi)部的微裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展，水泥裂紋少，腐蝕性硫酸鹽和水泥的反應(yīng)就慢，SF與PF混合后加入混凝土基體中PF仍然發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)作用，很好地阻止混凝土內(nèi)部的微裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展。因此，混雜纖維增強(qiáng)混凝土樣品的抗硫酸鹽腐蝕能力高于單摻PF混凝土樣品和單摻SF混凝土樣品。

圖3 纖維增強(qiáng)混凝土樣品的吸水率Fig 3 Water absorption of fiber reinforced concrete samples

圖4 纖維增強(qiáng)混凝土樣品14 d硫酸鹽浸泡后的FT-IR圖Fig 4 FT-IR spectra of fiber reinforced concrete sample after 14 d sulfate immersion

2.5 鋼纖維腐蝕研究

在SF彎頭處，由于應(yīng)力集中，是SF最容易受腐蝕的位置。圖5為SF0.5/PF0.3混凝土樣品中鋼筋在14 d硫酸鹽浸泡后的SEM形貌圖。從圖5可以看出，經(jīng)過硫酸鹽腐蝕14 d后SF彎頭處未見明顯腐蝕，說明混雜纖維增強(qiáng)混凝土耐腐蝕性能良好，樣品中最易腐蝕的SF彎頭處并未發(fā)生腐蝕。

圖5 SF0.5/PF0.3混凝土樣品中鋼筋的SEM圖Fig 5 SEM images of reinforcement in SF0.5/PF0.3 concrete sample

3 結(jié) 論

研究了SF與PF的混雜作用對(duì)纖維增強(qiáng)混凝土性能的影響。通過壓縮試驗(yàn)和落錘沖擊試驗(yàn)研究了纖維增強(qiáng)混凝土樣品的壓縮韌性和沖擊韌性，并探討了樣品的耐硫酸鹽腐蝕性能及耐腐蝕機(jī)理，得出以下結(jié)論：

(1)隨著摻雜纖維體積分?jǐn)?shù)的增大，混雜纖維增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后減弱的趨勢(shì)，SF0.5/PF0.2混凝土樣品抗壓強(qiáng)度最優(yōu)。

(2)隨著摻雜纖維體積分?jǐn)?shù)的增大，出現(xiàn)初裂紋所需的沖擊次數(shù)和斷裂沖擊次數(shù)均顯著增加， SF1.0/PF0.2混凝土樣品耐沖擊性能最優(yōu)，比未摻雜纖維的普通混凝土樣品增加了173%。

(3)纖維的摻加有助于提高混凝土抗硫酸鹽腐蝕能力，SF0.5/PF0.3混凝土樣品的7 d耐抗腐蝕系數(shù)最高，可以達(dá)到96.11%。

(4)吸水率越高，混凝土的抗硫酸鹽腐蝕能力越差，說明纖維增強(qiáng)混凝土樣品抗硫酸鹽腐蝕能力與吸水率具有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系。SF與PF混合后加入混凝土基體中PF仍然發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)作用，很好地阻止混凝土內(nèi)部的微裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展。因此，混雜纖維增強(qiáng)混凝土樣品的抗硫酸鹽腐蝕能力高于單摻PF混凝土樣品和單摻SF混凝土樣品。

(5) FT-IR和SEM分析可知，14 d硫酸鹽浸泡后，SF0.5/PF0.3混凝土樣品中存在較多的石灰石，抗硫酸鹽腐蝕能力較好；樣品中最易腐蝕的SF彎頭處并未發(fā)生腐蝕，混雜纖維增強(qiáng)混凝土耐腐蝕性能良好。