不同纖維對高性能混凝土耐久性能及微觀結(jié)構(gòu)的影響

崔金鵬

北京奧科瑞檢測技術(shù)開發(fā)有限公司 北京 102488

引言

隨著惡劣氣候出現(xiàn)頻率的日益增多，對城市的可持續(xù)發(fā)展造成了嚴(yán)重制約，在此背景下，我國引入了“海綿城市”的全新概念，也即充分利用地下深部排水隧道的形式，實現(xiàn)對于雨水和洪水的調(diào)蓄作用，一般而言，此過程中的開挖深度可以保持在100米以上。深部隧道之中的環(huán)境通常較為復(fù)雜，在梅雨季節(jié)時，可能由于隧道的蓄水作用而導(dǎo)致混凝土處于Cl-含量豐富的水溶液之中，使得混凝土結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重侵蝕，甚至可能受到CO2等氣體的滲透影響，對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性造成嚴(yán)重限制。

1 纖維對混凝土力學(xué)性能的影響

大量研究實踐表明，借助PF或LF纖維的形式，可以讓混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能得到充分提升，隨著單摻PF或LF體積摻量的日益提升，混凝土的抗壓強度通常展現(xiàn)為先增大后減小的趨勢，此趨勢與混凝土劈裂抗拉強度的變化趨勢相近。纖維的抗壓性能和彈性模量相對較好，可以有效降低裂縫產(chǎn)生的風(fēng)險，讓混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉和劈裂抗拉強度得到切實提升。然而，一旦其中的纖維摻量過大，則可能限制纖維在混凝土之中的自由分散，對混凝土結(jié)構(gòu)的和易性造成嚴(yán)重影響，進而影響混凝土結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能。

此外，與聚丙烯纖維混凝土相比，木質(zhì)素纖維混凝土的力學(xué)性能明顯更差。一旦LF體積摻量為0.9%時，則混凝土的抗壓強度會顯著低于LF體積摻量為0時的抗壓強度，其原因在于只要纖維的體積摻量足夠大，便可以將PF靈活地分布于混凝土之中，進而降低相鄰黏結(jié)單絲對彼此所造成的影響。至于LF，則一般用于摻量較低時，可以在混凝土之中實現(xiàn)均勻分布，如果摻量超出了一定值，則會在一定程度上增加LF結(jié)構(gòu)之間的黏結(jié)力，導(dǎo)致混凝土分散難度較大，進而影響其整體力學(xué)性能[1]。

2 纖維對混凝土抗氯離子滲透性能的影響

通過單摻PF或LF的方式，可以讓混凝土的抗氯離子滲透性能得到切實提升。同時，隨著纖維含量的不斷提升，混凝土電通量會相應(yīng)呈現(xiàn)出先降低后增大的趨勢，其原因在于隨著纖維含量的不斷提升，混凝土之中的界面數(shù)量也得到了顯著提升。對于混凝土而言，界面是一種較為薄弱的區(qū)域，有害離子可以依托于界面向混凝土內(nèi)部之中滲透，以充分降低混凝土材料的抗氯離子滲透性能。在體積摻量為0.3%時，兩種纖維混凝土的抗氯離子可以表現(xiàn)出最為突出的滲透性能，且聚丙烯纖維混凝土的抗氯離子滲透性能要明顯低于木質(zhì)素纖維混凝土。

區(qū)別于力學(xué)性能，混摻PF和LF可以實現(xiàn)良好的性能改善效果，其改善作用顯著優(yōu)于單種纖維。與單一類型的纖維混凝土材料相比，混雜纖維混凝土的56d電通量呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢，其原因在于借助混雜纖維混凝土的形式，可以讓PF的內(nèi)部結(jié)構(gòu)改善效果和LF的吸水釋水、黏結(jié)效果實現(xiàn)優(yōu)勢互補，以充分提升混凝土結(jié)構(gòu)的抗氯離子侵蝕性能[2]。

3 纖維對混凝土表面透氣性能的影響

無論是PF還是LF，都可以讓混凝土的表面透氣性能得到切實提升，而LF的表面透氣性能優(yōu)化效果則明顯優(yōu)于PF，其原因在于借助LF的形式，可以在發(fā)揮拉結(jié)效應(yīng)的基礎(chǔ)上限制裂縫的產(chǎn)生，同時充分發(fā)揮其吸水作用，減少界面中的“積水”，讓界面周邊未發(fā)生水化作用的顆粒得以發(fā)生持續(xù)水化作用，讓纖維和水泥基質(zhì)的機械咬合力得到切實提升，以實現(xiàn)對于界面狀態(tài)的優(yōu)化改造。

此外，在纖維產(chǎn)量持續(xù)增多的背景下，混凝土結(jié)構(gòu)的表面透氣系數(shù)呈現(xiàn)出先降低后增大的趨勢，其原因在于纖維的過度摻入在一定程度上影響了混凝土的和易性，導(dǎo)致混凝土之中出現(xiàn)了大量的孔隙和裂縫。與單一品種的纖維類型相比，混雜纖維混凝土的56d表面透氣系數(shù)明顯降低，由此可見，針對PF和LF進行混雜處理，可以讓混凝土結(jié)構(gòu)的表面密實度得到切實提升，同時，降低氣體的滲透破壞效果。

4 纖維高性能混凝土耐久性能分析

高性能混凝土通常具有良好的耐久性，依據(jù)CECS－2006《高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》要求，通過混凝土抗除冰鹽凍循環(huán)試驗的方式展開對于高性能混凝土的性能評價，需要充分關(guān)注季節(jié)性冰凍地區(qū)在長期處于凍融環(huán)境中的劣化作用，并結(jié)合有關(guān)試驗展開對于纖維高性能混凝土耐久性的分析。

4.1 抗除冰鹽凍循環(huán)試驗

此類試驗一般發(fā)生在室內(nèi)，通過對除冰鹽溶液侵蝕作用下的狀態(tài)模擬，判斷高性能混凝土的抗鹽凍融剝蝕水平。在進行試驗時，需要以CECS－2006《高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱《規(guī)程》）附錄A為依據(jù)開展試驗，將半立方體試件的長寬高規(guī)格控制為150mm×150mm×75mm，并將其放入到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的氯化鈉溶液之中，分別在零下和零上20℃的環(huán)境中放置12小時，進行凍結(jié)和融化，以實現(xiàn)一次完整的鹽凍循環(huán)。在完成25次循環(huán)后，要求針對材料的強度及質(zhì)量損失予以測試，同時，將抗壓強度、質(zhì)量損失情況、抗折強度等指標(biāo)分別作為重要的評價指標(biāo)，最終確定，在結(jié)束28次鹽凍循環(huán)后，質(zhì)地普通的高性能混凝土的侵蝕量可以達(dá)到954g/m2，與之對應(yīng)的剝落層厚度則為0.35mm，可以很好適應(yīng)《規(guī)程》中對于侵蝕量和剝落層厚度指標(biāo)的規(guī)定。

在加入纖維后，高性能混凝土之中的侵蝕量和剝落層呈現(xiàn)出較為明顯的下降趨勢，其剝落層厚度均在0.3mm以內(nèi)。隨著纖維摻量的不斷提升，混凝土的侵蝕量表現(xiàn)出整體降低的趨勢，而聚丙烯纖維、鋼纖維、聚乙烯醇纖維之中的摻量則分別處于0.6～0.9、1.2～1.5和0.9～1.2kg/m3區(qū)間內(nèi)。對于不同的纖維而言，高性能混凝土在單位面積之中的剝落侵蝕量均表現(xiàn)出明顯的降低趨勢，且逐漸趨于平緩。基于抗鹽凍侵蝕能力及工程經(jīng)濟性的視角予以分析，最終確定，將三類纖維的摻量控制在上述區(qū)間之中為宜。

隨著纖維摻量的不斷變化，高性能混凝土的抗鹽凍侵蝕性變化與力學(xué)性能呈現(xiàn)出明顯的變化，筆者認(rèn)為，實施抗除鹽凍循環(huán)試驗需要針對纖維高性能混凝土的表面抗侵蝕能力進行測試，關(guān)注水泥纖維砂漿膠凝材料，并且在實際成型階段針對受鋼試模側(cè)向予以約束，具有良好的密實度優(yōu)勢，且纖維的分散均勻性都相對較高。如果纖維摻量相對較大，則可以利用纖維建立良好的空間搭接結(jié)構(gòu)，其黏聚力多受到纖維界面黏結(jié)強度及界面吸附強度不同程度的影響。利用纖維的形式，可以讓高性能混凝土的抗鹽凍侵蝕水平得到切實提升，以減少因凍脹壓力所導(dǎo)致的裂紋，實現(xiàn)對于試件凍膨脹、熱膨脹及低溫收縮情況的有效約束[3]。

4.2 纖維高性能混凝土抗凍性能

在最佳的纖維摻量狀態(tài)下實施混凝土抗凍耐久性試驗，針對基準(zhǔn)組，要求采用C50混凝土，同時，分別選用0.6、1.2和0.9kg/m3的聚丙烯纖維、鋼纖維和聚乙烯醇纖維高性能混凝土，利用長寬高分別為150mm、150mm和50mm的試件進行抗沖擊韌性測試，將落錘重量和下落高度分別控制為0.6千克和0.9m，將試件最終的破壞沖擊次數(shù)當(dāng)作重要的評價指標(biāo)，將其分別放置于-20℃和20℃的環(huán)境之中進行凍結(jié)和融化，重復(fù)此過程300次。

試驗結(jié)果表明，通過摻加纖維的方式可以讓高性能混凝土的吸收沖擊荷載力得到切實提升，以實現(xiàn)對于沖擊韌性的優(yōu)化。分析結(jié)果表明通過纖維可以讓高性能混凝土介質(zhì)的均勻性得到切實提升，同時，依托于纖維的傳遞荷載作用及加筋阻裂效果，降低沖擊波阻斷的風(fēng)險，讓應(yīng)力得以實現(xiàn)高度集中[4]。

4.3 彎曲疲勞試驗分析

依托于三點分加載彎曲疲勞試驗的方式建立對于混凝土抗疲勞耐久性能的充分分析，要求將試件規(guī)格控制為550mm×150mm×150mm，分別將其應(yīng)力劃分為0.7、0.8和0.9三個不同級別予以試驗。最終確定，在三種不同的應(yīng)力條件下，纖維高性能混凝土的疲勞壽命顯著優(yōu)于基準(zhǔn)組的水泥混凝土，隨著應(yīng)力強度比的不斷提升，纖維在高性能混凝土疲勞特性之中的優(yōu)化改善作用會得到一定程度的凸顯。對于同樣應(yīng)力強度比的混凝土而言，其疲勞壽命的排序為鋼纖維＜聚丙烯纖維＜聚乙烯醇纖維。在應(yīng)力強度比持續(xù)增長的背景下，不同類型性能混凝土的疲勞壽命都持續(xù)減小，可以在應(yīng)力強度比與疲勞壽命之間建立良好的線性擬合關(guān)系，以充分保障材料的抗疲勞耐久性能。

如果混凝土材料發(fā)生了疲勞開裂，則造成這一問題的原因通常為損傷的不斷累積，此時在其中摻入一定量的纖維可以避免在混凝土內(nèi)部形成過度的裂紋，以有效避免因集料和水泥膠凝材料黏附失效所導(dǎo)致的微裂紋及結(jié)構(gòu)損傷等問題。在疲勞損傷日益嚴(yán)重的背景下，微裂紋也表現(xiàn)出持續(xù)擴大的趨勢，將其橋接于裂縫周圍的纖維之中，可以切實限制裂縫的發(fā)展，讓裂紋的拓展路徑得到充分延長，同時，有效避免尖端應(yīng)力過于集中的問題，以充分抑制裂紋的發(fā)展，讓材料的疲勞壽命得到充分提升[5]。

5 SEM微觀分析

一般而言，普通混凝土內(nèi)部中存在較為明顯的裂縫問題，且混凝土結(jié)構(gòu)之中的孔隙較多，凝膠相對較少。在摻入PF結(jié)構(gòu)后，纖維和水泥可以保持十分良好的相容性，而C-S-H凝膠則在纖維表面生長，生成與凝膠緊密聯(lián)系的鈣礬石結(jié)構(gòu)，并在纖維和水泥基質(zhì)之間建立良好的機械咬合系統(tǒng)。在纖維和凝膠的共同作用下，可以有效填充混凝土內(nèi)部的孔隙，在一定程度上減少裂縫的數(shù)量。由此可見，聚丙烯纖維混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的力學(xué)性能，且抗氯離子滲透性能也較為突出，而LF則一般表現(xiàn)為吸水、保水和拉結(jié)作用。在混凝土結(jié)構(gòu)之中融入LF結(jié)構(gòu)，可以起到良好的減水效果，以降低此過程中的水灰比，在最大程度上消除混凝土界面之中的“積水”，讓水泥顆粒的水化效果得到充分保障，進而優(yōu)化界面的狀態(tài)。在LF拉結(jié)效應(yīng)的影響下，可以在一定程度上阻礙混凝土內(nèi)部裂縫及孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)展，同時，借助成絮狀的LF，可以實現(xiàn)良好的孔隙填充效果，讓混凝土的滲透性能得到切實改善。至于聚丙烯-木質(zhì)素混雜纖維混凝土，其中的孔隙和裂縫都相對較少，且其中的凝膠相分布較多，結(jié)晶相相對較少，可以切實提升混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實度[6]。

6 結(jié)束語

綜上所述，借助單摻聚丙烯纖維或木質(zhì)素纖維的形式，可以讓混凝土的力學(xué)結(jié)構(gòu)性能得到切實優(yōu)化，但是通過混摻纖維的形式卻有可能影響混凝土的力學(xué)性能；其次，適當(dāng)摻入纖維可以讓混凝土的抗氯離子侵蝕性能及透氣性能得到切實保障，且混雜纖維的摻入效果顯著優(yōu)于單種纖維；最后，通過凝膠和纖維的形式，可以切實填充聚丙烯纖維混凝土結(jié)構(gòu)之中的縫隙，以提升混凝土的密實度，而借助木質(zhì)素纖維的形式，可以起到良好的減水效果，切實降低混凝土界面之中的“積水”，讓界面狀態(tài)得到切實改善，進而提升混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。