纖維增強(qiáng)海水海砂混凝土基本力學(xué)性能分析

白 嵩,徐錦生,辛 明,魯子麒,王 勇

(遼寧工業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,遼寧 錦州 121001)

目前隨著我國(guó)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大[1],砂的需求量正在逐年上漲[2],河砂資源無節(jié)制的開采和浪費(fèi)[3],造成河流改道,水體下滲嚴(yán)重等問題,已經(jīng)嚴(yán)重影響到人民群眾的切實(shí)生活和健康安全。且淡水資源消耗較大,所以利用海水海砂制備新型的海水海砂混凝土(Seawater Sea-sand Concrete,簡(jiǎn)稱 SSC)成為眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn)[4-7]。我國(guó)擁有遼闊的海岸線和數(shù)不勝數(shù)的海洋資源,但對(duì)海洋的開發(fā)遠(yuǎn)不及陸地,因此利用海水海砂代替淡水河砂也符合我國(guó)綠色可持續(xù)發(fā)展理念[8]。如今利用海水海砂作為原材料制備的混凝土已經(jīng)取得了一些工程上的實(shí)際應(yīng)用。例如:香港的機(jī)場(chǎng)和上海寶鋼集團(tuán)的馬鞍山港都是成功利用海水海砂為原材料的成功案例。研究表明:SSC早期強(qiáng)度要高于OPC,但后期強(qiáng)度的發(fā)展較為緩慢,且脆性較大,摻加纖維后可以明顯改善這種不利現(xiàn)象,因此如何增強(qiáng)SSC的基本力學(xué)性能成為今后研究的方向[9-10]。

基于以上分析,本文研究在如表1所示的配比下,重點(diǎn)對(duì)單摻玻璃纖維(Glass fiber,簡(jiǎn)稱GF)和聚丙烯纖維( polypropylene fiber,簡(jiǎn)稱PPF)的體積摻量分別為0.1%、0.2%、0.3%,玻璃纖維與聚丙烯纖維組成的混雜纖維則按照總體積摻量為0.3%,混雜比分別為1∶2、1∶1、2∶1時(shí)分析纖維對(duì)SSC基本力學(xué)性能的影響。

表1 SSC配合比 kg/m3

1 試驗(yàn)過程

1.1 原材料

本試驗(yàn)原狀海水采用錦州渤海灣附近海水,主要經(jīng)過海水抽取與蓄水過濾和沉淀等步驟,海砂則用原狀海水浸泡所得。為最大限度地模擬真實(shí)海砂所處環(huán)境,以及浸泡時(shí)海水離子成分的穩(wěn)定性,設(shè)定5 d更換1次海水。表2～3是本課題組經(jīng)專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)海水中主要離子成分和纖維的基本力學(xué)性能進(jìn)行的相關(guān)檢測(cè)結(jié)果,水泥采用渤海牌的P·O42.5,粗骨料篩選粒徑為5～20 mm。

表2 海水化學(xué)成分

表3 纖維性能指標(biāo)

1.2 試件設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法

共設(shè)置10組、每組包括6個(gè)150 mm×150 mm×150 mm 的立方體試塊,分別取3塊做混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn),3個(gè)150 mm×150 mm×300 mm 的棱柱體試塊做彈性模量試驗(yàn),試驗(yàn)均在遼寧工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)大廳完成,嚴(yán)格按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GB/T50081—2019)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。其中混凝土在混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)前期為防止試驗(yàn)臺(tái)上承壓面因出現(xiàn)的損傷造成應(yīng)力集中現(xiàn)象,需要在試塊上表面墊上鋼板保證接觸面的平整,加載速度控制在0.5～0.8 MPa/s;劈裂抗拉試驗(yàn)時(shí)應(yīng)該特別注意上下弧形墊塊上邊的木制三合板粘貼于弧形頂端中心位置,并注意木條的損傷程度,及時(shí)更換,加載速度控制在0.05～0.08 MPa/s;靜彈性模量試驗(yàn)初期應(yīng)特別注意應(yīng)變片的粘貼位置是否居中,粘貼是否牢固,并用萬能表檢測(cè)應(yīng)變片是否通路,試驗(yàn)的加載速率設(shè)定為0.5～0.8 MPa/s。如圖1～3所示。

圖1 混凝土抗壓試驗(yàn)

圖2 混凝土劈裂抗拉試驗(yàn)

圖3 混凝土靜彈性模量試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度結(jié)果與分析

不同纖維摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響如圖4所示,可以看出:加入纖維后的混凝土抗壓強(qiáng)度除了GF摻量為0.1%時(shí),抗壓強(qiáng)度為41.3 MPa外,均大于素SSC的42 MPa,分析原因可能是因?yàn)閾搅?.1% GF在試驗(yàn)前期攪拌不充分造成纖維團(tuán)聚,增加混凝土內(nèi)部孔隙和空隙,從而降低混凝土的抗壓強(qiáng)度。單摻PPF和混雜纖維均隨著纖維摻量的增加和混雜比的變化,立方體抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì),其中單摻PPF的體積摻量為0.1%、0.2%、0.3%時(shí)立方體抗壓強(qiáng)度分別為52.5、53.4、46.1 MPa;混雜比為1∶2、1∶1、2∶1時(shí)立方體抗壓強(qiáng)度分別為46、54.2、47.1 MPa,且PPF單摻摻量在0.2%和混雜比在1∶1時(shí)分別達(dá)到最大值53.4 MPa和54.2 MPa。因此,單從纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度的提升效果來看,混雜纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度的發(fā)展具有相對(duì)較好的效果。

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度結(jié)果與分析

不同纖維摻量對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響如圖5所示,可以看出:當(dāng)GF體積摻量為0.1%、0.2%、0.3%時(shí),立方體劈裂抗拉強(qiáng)度分別為4.2 、3.72、3.15 MPa;當(dāng)PPF體積摻量為0.1%、0.2%、0.3%時(shí),立方體劈裂抗拉強(qiáng)度分別3.41 、3.79、3.23 MPa,當(dāng)混雜比為1∶2、1∶1、2∶1時(shí),立方體劈裂抗拉強(qiáng)度分別3.51、3.81、3.66 MPa?？梢詮臄?shù)據(jù)得出結(jié)論:纖維對(duì)SSC劈裂抗拉強(qiáng)度的提升效果并非摻量越高效果越好,劈裂抗拉強(qiáng)度均隨著纖維的摻量或混雜比的變化而呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì),但摻加纖維后的混凝土試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度均大于未摻加纖維組的3.3 MPa;另一方面,最佳摻量卻不相同,主要表現(xiàn)為GF摻量在0.1%,PPF摻量在0.2%以及混摻纖維的混雜比在1∶1時(shí)表現(xiàn)出各自對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度提升的最佳效果,強(qiáng)度分別為4.20、3.79、3.81 MPa。

圖5 不同纖維摻量對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

2.3 彈性模量結(jié)果與分析

不同纖維摻量對(duì)彈性模量的影響如圖6所示,可以看出:單摻PPF體積摻量為0.1%,0.3%和混雜比為1∶2時(shí)靜彈性模量分別為3.82×104、3.63×104、3.89×104MPa,均小于普通SSC的3.92×104MPa。分析原因是:① 纖維摻量過大導(dǎo)致前期攪拌不均,纖維團(tuán)聚,阻礙SSC基體內(nèi)部的水化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行,從而降低強(qiáng)度,且團(tuán)聚的纖維不能有效阻礙裂縫的發(fā)展,導(dǎo)致出現(xiàn)相同荷載作用下?lián)郊永w維的試塊靜彈性模量小于普通SSC組;② 纖維摻量過小,不能阻止混凝土基體內(nèi)部的海水海砂所含有的硫酸根離子和氯鹽離子與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)生成“弗雷德爾鹽”和鈣礬石(AFt),此2種物質(zhì)均具有膨脹特性,在生成的過程中可以促進(jìn)裂縫的持續(xù)發(fā)展,降低水泥水化速率,從而降低強(qiáng)度的持續(xù)發(fā)展,增加脆性破壞發(fā)生的概率。其他組彈性模量均高于普通組,單摻GF纖維的提升效果最為明顯,且纖維摻量0.2%時(shí)提升效果最顯著,約提升12%。

圖6 不同纖維摻量對(duì)彈性模量的影響

3 機(jī)理分析

由以上分析可以看出,相對(duì)而言,摻加纖維之后,對(duì)SSC混凝土基本力學(xué)性能有了較為明顯的提升,原因可能是在纖維方面:無論是單摻纖維還是混雜纖維,均能較好的在混凝土基體內(nèi)部形成立體三維的網(wǎng)格結(jié)構(gòu),從而可以對(duì)混凝土起到環(huán)箍的作用,增加SSC后期強(qiáng)度的發(fā)展;另一方面,加入纖維之后,纖維提議填充混凝土基體內(nèi)部的毛細(xì)孔隙和孔隙,增加了基體的密實(shí)度,減少了了硫酸根離子和氯離子對(duì)基體腐蝕的通道,從而增加混凝土的后期強(qiáng)度。

但同樣會(huì)出現(xiàn)纖維摻量相對(duì)較大,混凝土的基本力學(xué)性能卻被削弱的個(gè)例。究其原因是纖維的加入在試塊的制備過程中未達(dá)到充分?jǐn)嚢杈鶆虻囊蠡蛘邠搅窟^大導(dǎo)致纖維團(tuán)聚使得纖維對(duì)混凝土的橋接作用喪失,從而削弱強(qiáng)度的發(fā)展;纖維摻量過小時(shí),纖維的摻量不足以承擔(dān)纖維的橋連作用,纖維的摻入相當(dāng)于雜質(zhì)的存在,從而降低骨料顆粒界面的粘結(jié)應(yīng)力,削弱混凝土基本力學(xué)性能發(fā)展。

4 結(jié)論

1) 當(dāng)SSC摻入纖維后可以增強(qiáng)混凝土試塊的基本力學(xué)性能,如本試驗(yàn)中GF、PPF、混雜纖維總體上都能增強(qiáng)本身的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、彈性模量等基本力學(xué)性能,也會(huì)出現(xiàn)因攪拌不均或者摻量過大導(dǎo)致基本力學(xué)性能的降低。

2) 不同種類的纖維在相同的纖維摻量下,對(duì)強(qiáng)度的提升效果也不相同。混雜比為1∶1時(shí)對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度的提升效果達(dá)到最大為54.16 MPa;對(duì)于劈裂抗拉強(qiáng)度而言GF纖維摻量為0.1%時(shí)對(duì)強(qiáng)度的提升效果最好,優(yōu)于另外2種;當(dāng)GF摻量為0.2時(shí)對(duì)彈性模量提升效果的貢獻(xiàn)最大,達(dá)到了43.756 MPa。