混雜纖維粉煤灰混凝土基本力學(xué)性能與耐久性研究

陳代君， 陳欣美

（1 新疆建筑科學(xué)研究院(有限責(zé)任公司),新疆建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測(cè)中心(有限責(zé)任公司),新疆烏魯木齊 830054；2 烏魯木齊職業(yè)大學(xué),新疆烏魯木齊 830054）

1 概述

混凝土材料的原料來(lái)源廣泛,成本較低,強(qiáng)度高,施工過(guò)程簡(jiǎn)單易行,是我國(guó)建筑工程中使用量最大的建材。然而以水泥為主的傳統(tǒng)建材的制備核心工藝都是煅燒熟料,消耗大量的電能和熱能,耗能?chē)?yán)重且能量利用率低,還會(huì)排放大量的SO2、CO2、CO等溫室氣體,和產(chǎn)生大量的粉塵污染[1]。在國(guó)家綠色、可持續(xù)發(fā)展的理念下,降低混凝土生產(chǎn)過(guò)程中的溫室氣體和減少能源的消耗是建筑工程領(lǐng)域的必然道路。

煤炭作為主要的消耗品廣泛應(yīng)用在金屬冶煉、火力發(fā)電等工業(yè)場(chǎng)景中,根據(jù)研究表明,每消耗1噸的燃用煤,會(huì)產(chǎn)生約300kg的粉煤灰,粉煤灰作為燃料(一般指煤)在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的不可燃或燃燒不充分導(dǎo)致的微小顆粒,造成嚴(yán)重的大氣污染和生態(tài)破壞。同時(shí)因?yàn)榉勖夯业馁|(zhì)量很輕,懸浮在空氣中,易被人體吸入,影響人體健康,同時(shí),沉降的粉煤灰還會(huì)造成土地的鹽堿化[2]。為了減輕粉煤灰對(duì)生態(tài)的破壞,研究人員將粉煤灰強(qiáng)吸附能力的特點(diǎn)應(yīng)用在建材、污水處理和農(nóng)業(yè)等工程領(lǐng)域,更富有創(chuàng)造意義的將粉煤灰和混凝土相結(jié)合,開(kāi)發(fā)出粉煤灰混凝土。

粉煤灰混凝土的開(kāi)發(fā)是將粉煤灰取代混凝土中的部分水泥,在回收利用粉煤灰的同時(shí),減少了水泥的使用,另一種意義上減少了水泥工業(yè)的污染。根據(jù)研究表明,粉煤灰會(huì)一定程度上增加混凝土的碳化深度和動(dòng)彈性模量,改善混凝土的抗腐蝕性能等,但粉煤灰的加入會(huì)使得混凝土密度降低,強(qiáng)度也會(huì)受到一定的影響,為了加強(qiáng)粉煤灰混凝土的力學(xué)性能,研究人員將纖維混雜在混凝土中,以加強(qiáng)粉煤灰的強(qiáng)度和韌性等性能[3]。

2 粉煤灰與纖維混雜混凝土

2.1 粉煤灰混凝土

粉煤灰是經(jīng)過(guò)煤炭等燃料經(jīng)過(guò)燃燒后,一些不可燃的無(wú)機(jī)物分散而成的固體細(xì)小顆粒,由于粉煤灰本質(zhì)上是不可燃的無(wú)機(jī)材料,本身并不存在凝膠特性,但當(dāng)其與混凝土混合時(shí),在環(huán)境中有水的參與下,粉煤灰會(huì)和混凝土發(fā)生反應(yīng),得到水化硅酸鈣凝膠(C-S-H凝膠)[4],水化硅酸鈣凝膠具有粒徑小、比表面積大和表面能高等特點(diǎn),在水泥的凝結(jié)過(guò)程中,可作為填充物填充水泥中的微小孔隙。同時(shí)粉煤灰表面光滑的形貌特點(diǎn)和其對(duì)水的吸附力小的理化性質(zhì)使得粉煤灰混凝土對(duì)水的需求量較少,加快了混凝土的凝結(jié)時(shí)間,提高混凝土的致密度[5]。除此之外,均勻分布的粉煤灰不僅可以作為填充物改善水泥多孔結(jié)構(gòu),還可以改善凝膠的顆粒分配,使得水泥的強(qiáng)度和抗?jié)B性都有所提高[6]。

在對(duì)粉煤灰混凝土的研究中,粉煤灰起初是為了改善混凝土的工作性,但后來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)粉煤灰對(duì)混凝土的加強(qiáng)作用可使得其運(yùn)用于許多特殊環(huán)境,如三峽工程就使用到了粉煤灰摻雜混凝土來(lái)提高混凝土的耐久和穩(wěn)定性等[7]。Seo等[8]研究發(fā)現(xiàn)粉煤灰的摻雜會(huì)增強(qiáng)再生骨料混凝土的碳化反應(yīng),所制混凝土的動(dòng)彈性模量也有一定幅度的升高。而Wang等[9]對(duì)粉煤灰混凝土的抗?jié)B性進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn),加入粉煤灰的混凝土組別表現(xiàn)出了對(duì)氯離子更好的抗?jié)B性,且在進(jìn)行了凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)后的質(zhì)量損失也更小。在其小組更新的研究[10]表明,粉煤灰也會(huì)提高混凝土的耐蝕性。關(guān)于粉煤灰提升混凝土的力學(xué)性能也有研究,Gao等[11]發(fā)現(xiàn)一定范圍內(nèi)粉煤灰的添加量越高,混凝土的抗拉性能越高,但也有研究表明粉煤灰的加入使得混凝土的長(zhǎng)期服役后抗壓強(qiáng)度和抗彎折能力相對(duì)平行組有較大的下降。

2.2 混雜纖維混凝土

混凝土作為現(xiàn)代建筑工程領(lǐng)域最為常用的建筑材料,具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),但混凝土的缺點(diǎn)也十分明顯：脆性過(guò)大、抗彎折能力過(guò)低,影響了其在多種環(huán)境下的應(yīng)用。為了增強(qiáng)混凝土的韌性,研究人員將纖維材料與混凝土混雜,使得復(fù)合混凝土材料具有一定的混雜纖維特性,提高混凝土的抗裂性能和抗彎折能力[12-13]。

現(xiàn)在市場(chǎng)常見(jiàn)的增強(qiáng)纖維相分為有機(jī)高分子纖維和無(wú)機(jī)纖維。有機(jī)纖維混雜的混凝土的韌性有一定程度上的提高,混凝土具備一定的抗沖擊性能,且有機(jī)長(zhǎng)纖維的混雜還可以在混凝土的凝結(jié)過(guò)程中充當(dāng)橋連的作用,延緩裂紋的萌發(fā)和擴(kuò)展[14],短纖維的強(qiáng)化機(jī)理以填充孔隙和高表面能對(duì)混凝土粘合度增加實(shí)現(xiàn)的[15]。而無(wú)機(jī)纖維材料對(duì)混凝土的加強(qiáng)較多體現(xiàn)在抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性能上。研究人員如Roohollah[16]、Qian[17]等均發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維復(fù)合混凝土的抗拉強(qiáng)度和韌性有所提高。其他研究也指出,纖維的混雜也會(huì)對(duì)混凝土造成負(fù)面效應(yīng),在高溫環(huán)境下,有機(jī)纖維混雜混凝土的失效程度比普通混凝土要高,其抗碳化和抗?jié)B性也有所降低,這與混凝土內(nèi)混雜的類(lèi)型相關(guān)[18]。

不同種類(lèi)和形態(tài)的纖維對(duì)混凝土的影響各不相同,為了有效結(jié)合各種纖維混雜混凝土的優(yōu)點(diǎn),研究人員于上個(gè)世紀(jì)就開(kāi)發(fā)出了多種纖維混雜的方式對(duì)混凝土進(jìn)行增強(qiáng)。然而,實(shí)驗(yàn)表明,多種纖維的混雜并不都是對(duì)混凝土的性能進(jìn)行增強(qiáng)的,大多呈現(xiàn)出負(fù)向混雜效應(yīng),即混凝土的性能反而比不上單一纖維混雜后的性能。賀晶晶等[19]在對(duì)多種纖維混雜的研究中發(fā)現(xiàn),聚丙烯與玄武巖纖維的混雜組合對(duì)混凝土有著正向促進(jìn)作用,這種促進(jìn)作用也稱為“正混雜效應(yīng)”。曹二偉等[20]在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了鋼纖維和聚丙烯纖維的混雜同樣具有正混雜效應(yīng),并且鋼纖維“聚丙烯纖維和玄武巖纖維”聚丙烯纖維混雜后的混凝土的碳化速度有所降低,后者碳化速率的降低幅度高達(dá)40%。

2.3 混雜纖維粉煤灰混凝土力學(xué)性能與耐久性

在混雜纖維混凝土技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上,研究人員將粉煤灰混凝土的設(shè)計(jì)理念加入到混雜纖維混凝土中,由于粉煤灰混凝土的缺陷大多在于致密度與力學(xué)性能上,混雜纖維混凝土的高致密性和優(yōu)越的力學(xué)性能對(duì)粉煤灰混凝土有著較好的互補(bǔ)性。張明[21]將粉煤灰以陶粒的方式加入到鋼纖維-聚丙烯纖維混凝土中,并使用正交實(shí)驗(yàn)思路對(duì)陶粒摻雜量對(duì)混雜纖維增強(qiáng)混凝土性能的影響進(jìn)行分析。結(jié)果表明,水泥用量、粉煤灰砂率和聚丙烯纖維摻量都會(huì)對(duì)混雜纖維增強(qiáng)粉煤灰陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度有著較大的影響,其中水泥用量的影響最大,聚丙烯纖維摻量對(duì)其影響最小,42%的粉煤灰砂率和1.2kg·m-3的聚丙烯纖維摻量表現(xiàn)出最佳的混凝土性能,為混雜纖維增強(qiáng)粉煤灰陶粒混凝土的推廣及應(yīng)用提供了試驗(yàn)依據(jù)及參考。而侯經(jīng)文[22]的研究表明,在H20、MgSO4、Na2SO4三種不同的服役環(huán)境中,粉煤灰摻量較低時(shí)混凝土的強(qiáng)度較大,且隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行,混凝土的強(qiáng)度有著小幅度的提升。該發(fā)現(xiàn)與Guilherme[23]的發(fā)現(xiàn)一致,粉煤灰混凝土的壓縮強(qiáng)度隨著粉煤灰含量的不斷增加而提升。除此之外,付轉(zhuǎn)霞[24]的研究表明,纖維混凝土?xí)诹蛩猁}環(huán)境中與硫酸根發(fā)生化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生的鈣礬石和石膏會(huì)對(duì)纖維混凝土的孔隙有填充作用,通過(guò)對(duì)混凝土致密度化來(lái)提升了纖維混凝土的壓縮強(qiáng)度。

然而王軍[25]和李瑜[26]等人對(duì)粉煤灰-鋼纖維混凝土的力學(xué)性能研究中則顯示,粉煤灰的添加對(duì)鋼纖維混凝土的綜合性能存在一定的劣化作用,且粉煤灰用量大于10%～20%時(shí),各項(xiàng)性能下降趨勢(shì)更為明顯。李肖[27]則將基準(zhǔn)混凝土和粉煤灰混凝土進(jìn)行凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)對(duì)比,基準(zhǔn)混凝土的抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低,然而粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度在凍融循環(huán)初期會(huì)有小幅度的升高,后期慢慢降低。程猛[28]在對(duì)粉煤灰纖維混雜混凝土的凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)中對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行了解釋,混凝土內(nèi)部的凍脹和滲透壓力和凍融循環(huán)產(chǎn)生的疲勞是產(chǎn)生損傷的原因,而粉煤灰的摻入可以有效減緩了壓力引起的應(yīng)力集中,從而增加了混凝土抵抗凍融破壞的能力。

3 結(jié)語(yǔ)

混雜纖維粉煤灰混凝土的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用不僅緩解了粉煤灰的污染問(wèn)題,且隨著混凝土技術(shù)的發(fā)展,混雜纖維粉煤灰混凝土的配比等基礎(chǔ)研究已經(jīng)越發(fā)成熟,混凝土的綜合性能已經(jīng)有著較大的提升,且在抗凍方面有著獨(dú)特優(yōu)勢(shì),開(kāi)始應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中。但是依然存在很多問(wèn)題,粉煤灰對(duì)混凝土的劣化作用不可小視,是以后需要攻克的難點(diǎn)。