鋼纖維混凝土抗碳化性能試驗(yàn)研究

李久存，仝培周

（東北大學(xué)，遼寧 沈陽 110819）

0 引 言

混凝土結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理一般表現(xiàn)為表面碳化、裂縫孔隙的擴(kuò)展及鋼筋的腐蝕等，工程環(huán)境中混凝土碳化是引起鋼筋銹蝕的關(guān)鍵因素，通過表面的碳化，降低混凝土的堿度，促進(jìn)了裂縫的出現(xiàn)或擴(kuò)大，為環(huán)境中有害物質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部提供便利的條件。鋼纖維混凝土的抗碳化性能也引起了廣泛的關(guān)注。曹玉新[1]研究了波浪型、啞鈴型鋼纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律，提出等體積替代粗集料法進(jìn)行鋼纖維摻加，并結(jié)合力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比2 種鋼纖維的差異。延瀟等[2]分析了鋼纖維在提高混凝土力學(xué)性能過程中混凝土與鋼筋之間粘結(jié)性能機(jī)理變化，并對(duì)比分析了輕質(zhì)混凝土、鋼纖維混凝土與鋼筋之間的粘結(jié)性能，為鋼纖維混凝土的應(yīng)用提供部分理論參考。陳倩等[3]研究了鋼纖維、聚丙烯纖復(fù)合作用下對(duì)超高性能混凝土強(qiáng)度影響規(guī)律，提出了2 種纖維的最佳復(fù)配比例及用量，并建立了基于鋼纖維參數(shù)變化的立方體抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型?；艨》嫉萚4]分析了鋼纖維摻量及再生材料對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律，并提出了相應(yīng)的基本參數(shù)。張頊等[5]研究了鋼纖維和聚丙烯纖維對(duì)混凝土碳化性能的影響，并建立了碳化深度預(yù)測(cè)模型，主要內(nèi)容為公式的理論推導(dǎo)與參數(shù)預(yù)測(cè)，為工程實(shí)際應(yīng)用提供的試驗(yàn)性結(jié)論不足。

本文通過快速碳化試驗(yàn)、劈裂抗拉試驗(yàn)，研究鋼纖維混凝土在水膠比、鋼纖維摻量及碳化齡期等關(guān)鍵參數(shù)變化下的碳化規(guī)律，通過Fick 定律建立水膠比-碳化速率系數(shù)、鋼纖維摻量-碳化速率系數(shù)關(guān)系模型，為進(jìn)一步研究鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

（1）水泥P·O42.5R 水泥，阿爾博波特蘭（安慶）有限公司生產(chǎn)，主要物理力學(xué)性能見表1。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

（2）鋼纖維：波浪形，長(zhǎng)度30 mm，直徑0.5 mm，重慶宜筑公司加工生產(chǎn)，基本技術(shù)性能參數(shù)見表2。

表2 鋼纖維的基本技術(shù)性能

（3）骨料：采用質(zhì)地堅(jiān)硬、耐久、潔凈、密實(shí)的骨料，粗骨料為石灰?guī)r碎石，粒徑5～20 mm，骨料的主要技術(shù)性能見表3，符合GB/T 14685—2011《建筑用卵石、碎石》要求。

表3 骨料的主要技術(shù)性能

1.2 試驗(yàn)方案

水泥混凝土結(jié)構(gòu)隨服役年限的延長(zhǎng)，其表面受環(huán)境、空氣因素的腐蝕碳化作用逐漸增強(qiáng)，嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)物耐久性能。鋼纖維可有效改善混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、柔韌性等，本研究結(jié)合前期研究成果，研究了水膠比、鋼纖維摻量和養(yǎng)護(hù)齡期等參數(shù)對(duì)混凝土碳化深度的影響，最終通過分析碳化后的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度確定基于碳化深度指標(biāo)的鋼纖維混凝土基本參數(shù)。具體試驗(yàn)方案如下：

（1）鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)：采用不同的水膠比和鋼纖維摻量，研究鋼纖維混凝土抗碳化性能隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化，水膠比分別為0.30、0.35、0.40，鋼纖維體積摻量為0～2%，其基本配合比設(shè)計(jì)見表4 和表5。

表4 不同水膠比鋼纖維混凝土的配合比

表5 不同鋼纖維摻量混凝土的配合比

（2）碳化試驗(yàn)：按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 后進(jìn)行碳化試驗(yàn)。影響因素主要有鋼纖維混凝土碳化時(shí)間（3、7、14、28、56 d）、澆筑面與側(cè)面、鋼纖維摻量、水膠比等。采用檢測(cè)面3 個(gè)碳化深度平均值作為該條件下的碳化深度，精確到0.01 mm。

（3）劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)：按照CECS13：2009《鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法》，采用100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試件，尺寸換算系數(shù)采用0.8。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水膠比對(duì)鋼纖維混凝土碳化性能的影響（見圖1）

由圖1 可知：

（1）水膠比對(duì)碳化深度影響顯著，隨著水膠比的增大，水泥用量減少，碳化深度顯著增大。水膠比為0.30 時(shí)各齡期碳化深度最小、水膠比為0.40 時(shí)各齡期碳化深度最大，二者相差十分顯著，如養(yǎng)護(hù)齡期28 d 時(shí)，水膠比為0.40 的鋼纖維混凝土碳化深度較水膠比為0.30 的增大了278.6%。水膠比為0.30 的鋼纖維混凝土抗碳化能力最強(qiáng)，隨著水膠比的增大，呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)?，隨著水膠比增大，水泥用量減少，相對(duì)而言需水量增加，加快了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的水化反應(yīng)，提高內(nèi)部自由水分的蒸發(fā)，造成鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)中孔隙增加，碳化速率相應(yīng)也提高。

（2）隨碳化齡期的延長(zhǎng)，不同水膠比下的碳化深度也呈逐漸增大的趨勢(shì)，早期碳化齡期內(nèi)的變化速率高于后期，這與普通混凝土的碳化規(guī)律接近。碳化齡期從3 d 逐漸延長(zhǎng)至14 d，水膠比為0.30、0.35、0.40 的鋼纖維混凝土碳化深度分別增大了171.2%、193.4%和152.2%；而碳化齡期從14 d 逐漸延長(zhǎng)至56 d，水膠比為0.30、0.35、0.40 的鋼纖維混凝土碳化深度分別增大了48.2%、43.9%和33.8%。這是因?yàn)殡S鋼纖維混凝土表面孔隙不斷碳化，形成的碳酸鈣物質(zhì)能夠進(jìn)一步填充相應(yīng)的微結(jié)構(gòu)孔隙，能夠阻礙碳化箱中二氧化碳的進(jìn)入，降低了碳化速率。

根據(jù)Fick 定律描述，水泥混凝土的碳化深度L 與碳化齡期t 符合：L=K·t1/2，其中K 為碳化速度系數(shù)。根據(jù)圖1 計(jì)算出鋼纖維混凝土在不同水膠比下相同碳化齡期的碳化速度系數(shù)，根據(jù)水膠比與碳化速度系數(shù)關(guān)系繪制相應(yīng)的變化曲線，結(jié)果見圖2。

由圖2 可見，水膠比對(duì)鋼纖維混凝土的碳化速度具有顯著影響，隨水膠比的增大，各齡期的碳化速度系數(shù)均急劇增大，二者服從冪函數(shù)關(guān)系。

對(duì)不同水膠比鋼纖維混凝土的澆筑面（頂面）和側(cè)面進(jìn)行了碳化深度測(cè)試，結(jié)果見圖3。

圖3 鋼纖維混凝土澆筑面與側(cè)面碳化深度隨齡期的變化

由圖3 可見：

（1）在相同齡期及水膠比條件下，鋼纖維混凝土頂面的碳化深度均大于側(cè)面。7 d 齡期時(shí)，水膠比為0.35、0.40 側(cè)面的碳化深度較頂面分別減小了47.2%和32.2%。

（2）碳化齡期對(duì)頂面與側(cè)面的碳化深度也存在顯著影響，隨碳化齡期的延長(zhǎng)，頂面與側(cè)面碳化深度差距逐漸減小，56 d齡期時(shí)，水膠比為0.35、0.40 側(cè)面的碳化深度較頂面分別減小了10.8%和13.3%。

2.2 鋼纖維摻量對(duì)混凝土碳化性能的影響（見圖4）

由圖4 可知：

（1）鋼纖維摻量對(duì)混凝土碳化具有顯著影響，隨鋼纖維摻量的增加，碳化深度呈先減小后增大的趨勢(shì)，鋼纖維摻量為1.5%時(shí)各齡期碳化深度均最小，此時(shí)鋼纖維混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)最密實(shí)，抗碳化能力最強(qiáng)，水泥硬化過程中混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生收縮應(yīng)力與鋼纖維的牽阻力相互抵消，改善內(nèi)部結(jié)構(gòu)微孔隙的增加，降低了孔隙率。隨鋼纖維摻量進(jìn)一步增加至2.0%，鋼纖維與混凝土的接觸面積增大，造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生界面連接薄弱點(diǎn)，增加了內(nèi)部微孔隙率，易于二氧化碳的擴(kuò)散，導(dǎo)致碳化深度急劇增大。碳化齡期為7、28、56 d，鋼纖維摻量為1.5%時(shí)，鋼纖維混凝土的碳化深度較未摻鋼纖維的分別減小了56.4%、51.1%和39.4%；鋼纖維摻量為2.0%時(shí)，碳化深度較未摻加鋼纖維的分別增大了15.7%、10.6%和15.4%。

（2）隨著碳化齡期的延長(zhǎng)，不同鋼纖維摻量下混凝土碳化深度也顯著增大，前期0～7 d 的碳化深度增加顯著，而28～56 d 的碳化深度增加速率顯著下降，這前面的分析結(jié)果一致。以鋼纖維摻量為0.5%為例，7、28、56 d 時(shí)碳化深度較3 d 時(shí)分別增加了102.4%、438.6%和474.4%；鋼纖維摻量為1.5%時(shí)，7、28、56 d 時(shí)碳化深度較3 d 時(shí)分別增加了93.5%、402.2%和547.8%。

引入鋼纖維摻量變化系數(shù)，依據(jù)Fick 定律描述，碳化深度L 與碳化齡期t 的關(guān)系如下：L=Kx·t1/2，其中Kx為鋼纖維摻量為x 時(shí)的碳化速度系數(shù)。由此反算出不同鋼纖維摻量下的碳化速度系數(shù)（見圖5），可見，隨鋼纖維摻量的增加，碳化速度系數(shù)呈先減小后增大的趨勢(shì)，二者服從三次項(xiàng)多項(xiàng)式關(guān)系。

圖5 鋼纖維摻量對(duì)碳化速度系數(shù)的影響

2.3 鋼纖維混凝土碳化后的劈裂抗拉強(qiáng)度分析

鋼纖維對(duì)混凝土的力學(xué)性能改善主要體現(xiàn)在抗拉強(qiáng)度方面。不同水膠比和鋼纖維摻量下混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的變化分別見圖6、圖7。

圖6 水膠比對(duì)鋼纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

由圖6、圖7 可知：

（1）隨水膠比的增大，鋼纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度顯著降低，且不同水膠比下鋼纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度均隨碳化齡期的延長(zhǎng)而提高。根據(jù)碳化深度分析結(jié)果可知，水膠比增大減少了水泥用量，對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)度也存在劣化作用，抗碳化性能也隨之降低，其劈裂抗拉強(qiáng)度也呈降低狀態(tài)。以7、28、56 d 齡期為例，水膠比為0.40 時(shí)鋼纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度較水膠比為0.30 時(shí)分別下降了7.9%、13.4%和13.3%。

（2）隨水膠比的增大，碳化齡期的延長(zhǎng)降低了鋼纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度的提高幅度，其中水膠比為0.30 時(shí)劈裂抗拉強(qiáng)度提高幅度最大。水膠比分別為0.30、0.35、0.40 時(shí)，56 d劈裂抗拉強(qiáng)度較3 d 劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高了11.1%、9.1%和4.4%。

（3）隨鋼纖維摻量的增加，混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度先提高后降低，這與碳化速度系數(shù)變化規(guī)律一致。鋼纖維摻量為1.5%時(shí)各齡期劈裂抗拉強(qiáng)度均達(dá)到最高，7、28、56 d 劈裂抗拉強(qiáng)度較未摻加鋼纖維的混凝土分別提高了53.9%、59.2%、58.9%。隨碳化齡期的延長(zhǎng)，鋼纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度也呈逐漸提高的趨勢(shì)，且增幅也高于未摻鋼纖維的普通混凝土。鋼纖維摻量為0、1.5%和2.0%時(shí)，碳化齡期56 d 的劈裂抗拉強(qiáng)度較3 d 時(shí)分別提高了6.4%、9.7%和10.6%。

3 結(jié) 論

（1）水膠比對(duì)鋼纖維混凝土的抗碳化性能存在顯著影響，隨水膠比的增加，碳化深度逐漸增大，鋼纖維混凝土的抗碳化性能下降。水膠比與碳化速度系數(shù)呈冪函數(shù)關(guān)系，隨水膠比的增加，碳化速率系數(shù)也顯著增大。

（2）鋼纖維混凝土澆筑面的碳化深度均高于側(cè)面，且隨碳化齡期的延長(zhǎng)，澆筑面與側(cè)面的碳化深度差異逐漸減小，56 d齡期時(shí)，水膠比為0.35、0.40 側(cè)面的碳化深度較頂面分別減小了10.8%和13.3%，與普通混凝土的碳化規(guī)律一致。

（3）隨鋼纖維摻量的增加，混凝土的碳化深度與碳化速率系數(shù)均先減小后增大，鋼纖維的最佳摻量為1.5%，此時(shí)鋼纖維混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)最密實(shí)，抗碳化性能最強(qiáng)。

（4）隨水膠比的增加，鋼纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度顯著降低；隨鋼纖維摻量的增加，混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度先提高后降低，與碳化速度系數(shù)變化規(guī)律一致。