海工抗鹽凍纖維混凝土制備試驗(yàn)研究

沈彥忠，田苗苗，陳軍平，祁明，張毅，駱麗珍，沈君

（1.新疆交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830015；2.交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院，北京 100029）

0 引言

海工工程用混凝土由于長(zhǎng)期受海水浸泡，在寒冷自然環(huán)境下，會(huì)出現(xiàn)力學(xué)性能和抗鹽凍性能明顯下降從而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞的問(wèn)題[1-4]。研究表明，通過(guò)摻加纖維和礦物摻合料可以改善混凝土的力學(xué)性能和抗鹽凍性能。潘書才等[5]研究了聚乙烯纖維和聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗凍性能的影響，發(fā)現(xiàn)雙摻纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度要好于單摻纖維混凝土，且聚丙烯纖維對(duì)混凝土性能的提升程度優(yōu)于聚乙烯纖維；尹玉龍[6]研究了玄武巖纖維混凝土的力學(xué)性能和耐久性能，發(fā)現(xiàn)適量的玄武巖纖維可以改善混凝土的力學(xué)性能和抗?jié)B性能，但玄武巖纖維摻量過(guò)多時(shí)會(huì)降低混凝土的抗?jié)B性能；陸榮威[7]研究了摻礦渣和粉煤灰的混凝土結(jié)合Cl-的性能，發(fā)現(xiàn)兩者均有利于提高混凝土結(jié)合Cl-的能力，提高混凝土的抗鹽蝕性；于本田等[8]研究了礦物摻合料對(duì)混凝土耐久性的影響，證明摻入粉煤灰和?；郀t礦渣粉將提高混凝土的抗鹽凍性。

可見(jiàn)，合理?yè)郊永w維和礦物摻合料可以改善混凝土的力學(xué)性能和抗鹽凍性能，但纖維和礦物摻合料的種類與用量對(duì)混凝土性能的影響差異很大。因此，本研究基于某地海工混凝土的性能設(shè)計(jì)要求，采用聚丙烯纖維、S75?；郀t礦渣粉及二級(jí)粉煤灰配制抗鹽凍海工混凝土，通過(guò)對(duì)比分析不同用量的聚丙烯纖維和礦物摻合料對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗鹽凍性能的影響，得出聚丙烯纖維和礦物摻合料的基本用量，為該項(xiàng)目的混凝土配合比設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·O 42.5水泥，符合《通用硅酸鹽水泥》（GB175—2007）的要求。

礦物摻合料：S75級(jí)粒化高爐礦渣粉（簡(jiǎn)稱礦粉），比表面積≥400kg/m2；C類Ⅱ級(jí)粉煤灰，45μm方孔篩篩余≤20%。

砂：細(xì)度模數(shù)為2.8的機(jī)制砂。

石：5～20mm連續(xù)級(jí)配，符合《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ52—2006）的要求。

聚丙烯纖維：長(zhǎng)度為12mm的短切束狀纖維，密度為0.90～0.92g/cm3。

減水劑：聚羧酸高性能減水劑，固含量為40.0%。

水：符合現(xiàn)行《混凝土拌和用水標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 63—2006）的要求。

1.2 方法與儀器

為研究聚丙烯纖維和礦物摻合料（礦粉與粉煤灰）對(duì)混凝土性能的影響，改變聚丙烯纖維和礦物摻合料的用量，研究其對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和抗鹽凍性能的影響。混凝土坍落度設(shè)定為180～220mm，混凝土配合比如表1所示。

表1 （續(xù)）

表1 混凝土配合比

混凝土的抗壓強(qiáng)度按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2019）進(jìn)行測(cè)試，混凝土的抗凍性能按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009）中的鹽凍法進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)溶液為質(zhì)量比為97%蒸餾水和3%NaCl配制而成的鹽溶液?；炷羶鋈谠囼?yàn)儀器為CABRHDD2型單面凍融試驗(yàn)機(jī)。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚丙烯纖維摻量對(duì)混凝土性能的影響

2.1.1 抗壓強(qiáng)度

相同的混凝土配合比條件下，研究聚丙烯纖維摻量對(duì)混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度的影響。不同體積率聚丙烯纖維的混凝土強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表2和圖1所示。

表2 不同體積率聚丙烯纖維的混凝土抗壓強(qiáng)度

圖1 不同體積率聚丙烯纖維的混凝土抗壓強(qiáng)度

由表2和圖1可知，相同混凝土配合比條件下，未摻聚丙烯纖維和聚丙烯纖維體積率為0.1%和0.15%的混凝土的28d抗壓強(qiáng)度均大于40MPa。與未摻聚丙烯纖維的混凝土相比，聚丙烯纖維體積率為0.1%和0.15%的混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度均有不同幅度的提高。其中，聚丙烯纖維體積率為0.15%時(shí)，混凝土的1d,7d和28d抗壓強(qiáng)度增幅均小于聚丙烯纖維體積率為0.1%時(shí)相應(yīng)齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度增幅，但較未摻加聚丙烯纖維時(shí)仍分別增加2.08%,10.08%和8.48%。

2.1.2 抗鹽凍性能

相同的混凝土配合比條件下，研究聚丙烯纖維摻量對(duì)混凝土抗鹽凍性能的影響。不同體積率聚丙烯纖維的混凝土經(jīng)28次凍融循環(huán)的單位表面面積剝落物質(zhì)量測(cè)試結(jié)果如表3和圖2所示。

表3 混凝土單位表面面積剝落物質(zhì)量

圖2 聚丙烯纖維體積率對(duì)混凝土單位表面面積剝落物質(zhì)量的影響

由表3可知，經(jīng)28次凍融循環(huán)后，未摻聚丙烯纖維和摻聚丙烯纖維體積率為0.1%和0.15%的混凝土單位表面面積剝落物質(zhì)量分別為1 965g/m2,1 588g/m2和1 216g/m2，即未摻聚丙烯纖維的混凝土抗鹽凍性能最差，聚丙烯纖維體積率為0.15%的混凝土抗鹽凍性能最好。結(jié)合圖2中混凝土單位表面面積剝落物質(zhì)量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大的變化趨勢(shì)可以看出，摻聚丙烯纖維后混凝土試塊受鹽侵蝕的速率有所下降。

對(duì)比摻聚丙烯纖維前后混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度和凍融測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，適量摻加聚丙烯纖維可以提高混凝土各齡期強(qiáng)度，并改善其抗鹽凍性能。這是因?yàn)榫郾├w維在混凝土內(nèi)部搭接交聯(lián)形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增加了混凝土的韌性，使得混凝土試塊的受壓變形由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂蓄愃蒲诱剐?。混凝土試塊在縱向受壓時(shí)，由于泊松效應(yīng)會(huì)發(fā)生橫向體積膨脹，并隨著壓力的增大在混凝土試塊內(nèi)部逐漸形成微裂紋，而混凝土內(nèi)部的聚丙烯纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在受壓初期起到緩沖作用，吸收部分能量進(jìn)而從整體上推遲了裂紋的出現(xiàn)和擴(kuò)大[9]。當(dāng)壓力進(jìn)一步增大，混凝土試塊在被破壞前必然要克服聚丙烯纖維與混凝土基體的相互作用力，故摻體積率0.1%和0.15%的聚丙烯纖維可在一定程度上提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。但隨著聚丙烯纖維摻量的增加，增大了聚丙烯纖維與混凝土基體的黏結(jié)界面，而這些界面在壓力作用下屬于裂紋形成和發(fā)展的薄弱區(qū)域[9-12]，故聚丙烯纖維體積率為0.15%時(shí)混凝土的強(qiáng)度比體積率為0.1%時(shí)略低。此外，聚丙烯纖維在混凝土內(nèi)部形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可改變混凝土基體的孔結(jié)構(gòu)，降低孔隙的連通性，一定程度上減少凍融循環(huán)過(guò)程中水在混凝土孔隙內(nèi)反復(fù)結(jié)冰膨脹融化對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的破壞，并減少Cl-等通過(guò)孔隙對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的侵蝕[13]，進(jìn)而提高了混凝土的抗凍和抗鹽蝕性能。

2.2 礦物摻合料對(duì)混凝土性能的影響

2.2.1 抗壓強(qiáng)度

將聚丙烯纖維體積率固定為0.15%，研究礦物摻合料摻量對(duì)混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度的影響。不同摻量礦物摻合料的混凝土強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表4和圖3所示。

表4 不同礦物摻合料摻量的混凝土抗壓強(qiáng)度

圖3 不同礦物摻合料摻量的混凝土抗壓強(qiáng)度

由表4和圖3可知，當(dāng)?shù)V物摻合料的用量為30%時(shí)混凝土各齡期（1d,7d,28d）強(qiáng)度分別為14.92MPa,43.42MPa和56.91MPa，但隨著礦物摻合料用量的逐漸增加，混凝土各齡期強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，當(dāng)?shù)V物摻合料摻量為50%時(shí)，混凝土的28d抗壓強(qiáng)度仍可達(dá)47.31MPa。對(duì)比不同摻量礦物摻合料的混凝土強(qiáng)度變化可以看出，隨著礦物摻合料摻量由50%逐漸減少為40%和30%，混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度均有所增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)幅度整體上逐漸減小。

2.2.2 抗鹽凍性能

將聚丙烯纖維體積率固定為0.15%，研究礦物摻合料摻量對(duì)混凝土抗鹽凍性能的影響。不同摻量礦物摻合料的混凝土經(jīng)28次凍融循環(huán)的單位表面面積剝落物質(zhì)量測(cè)試結(jié)果如表5和圖4所示。

表5 不同摻量礦物摻合料的混凝土單位表面面積剝落物質(zhì)量

圖4 礦物摻合料摻量對(duì)混凝土單位表面面積剝落物質(zhì)量的影響

由表5可知，經(jīng)28次凍融循環(huán)測(cè)試后，礦物摻合料摻量為30%,40%和50%的混凝土試塊的單位表面面積剝落物質(zhì)量分別為434g/m2,558g/m2和1 216g/m2，即礦物摻合料摻量為30%的混凝土抗鹽凍性能最好；結(jié)合圖4可知，混凝土試塊單位表面面積剝落物質(zhì)量隨循環(huán)次數(shù)的增加而增大，但礦物摻合料摻量為30%和40%的試塊受鹽侵蝕的速率較礦物摻合料摻量為50%時(shí)明顯降低。

結(jié)合上述聚丙烯纖維用量對(duì)混凝土性能影響的試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)聚丙烯纖維體積率為0.15%且礦物摻合料用量為30%時(shí)，混凝土28d抗壓強(qiáng)度增加30.50%，同時(shí)試塊經(jīng)28次凍融循環(huán)后的單位表面面積剝落物質(zhì)量減少77.91%，抗壓強(qiáng)度和抗鹽凍性能明顯改善。這是因?yàn)槌司郾├w維對(duì)混凝土性能的改善外，礦物摻合料的細(xì)度大于水泥顆粒，能夠填充水泥顆粒之間的孔隙，大大降低混凝土中有害孔的數(shù)量并提高混凝土的密實(shí)度[14-15]；此外，礦物摻合料會(huì)與水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，激發(fā)自身的潛在膠凝性能，生成尺寸更小、包裹性更好的水化硅酸鈣凝膠，并伴隨著對(duì)Cl-的物理吸附和化學(xué)固化，最終形成更致密的混凝土結(jié)構(gòu)。最終，在聚丙烯纖維的物理連接和礦物摻合料的物理填充及水化反應(yīng)的協(xié)同作用下，改善了混凝土的孔隙率和孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提升了抗壓強(qiáng)度和抗鹽凍性能。

3 結(jié)論

本文研究了聚丙烯纖維和礦物摻合料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和抗鹽凍性能的影響，得出如下結(jié)論：

（1）聚丙烯纖維的摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和抗鹽凍性能的影響規(guī)律不同。相同配合比下，與未摻加聚丙烯纖維相比，聚丙烯纖維體積率為0.1%時(shí)混凝土的28d抗壓強(qiáng)度最大，而聚丙烯纖維體積率為0.15%時(shí)混凝土經(jīng)28次凍融循環(huán)后單位表面面積剝落物質(zhì)量最小。

（2）纖維摻量固定，當(dāng)混凝土中礦物摻合料的比例由50%減少為30%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗鹽凍性能逐漸提高，但改善幅度整體上逐漸減小。

（3）摻加適量的聚丙烯纖維可在一定程度上改善混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗鹽凍性能，而聚丙烯纖維和礦物摻合料的合理復(fù)摻對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和抗鹽凍性能的改善效果更顯著。