塑鋼纖維改性聚合物混凝土的耐久性試驗(yàn)

劉偉俊

(固始縣建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，河南 信陽(yáng) 465200）

在復(fù)雜腐蝕環(huán)境下，混凝土常因侵蝕造成材料破壞和性能下降，因此提高混凝土材料的耐久性成為建筑施工領(lǐng)域的焦點(diǎn)。針對(duì)混凝土耐久性問(wèn)題，學(xué)者們進(jìn)行了大量探究，如：錢宣青在高架橋混凝土中摻入碳納米纖維，探究摻入后的混凝土抗凍融和耐腐蝕性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，碳納米纖維的摻入，提高了高架橋梁混凝土的抗凍融以及耐腐蝕性能，進(jìn)而提高了材料耐久性[1]；彭沖則通過(guò)添加納米偏高嶺土對(duì)混凝土進(jìn)行改性，并研究該改性混凝土在酸雨腐蝕環(huán)境下的耐久性，結(jié)果表明，納米偏高嶺土的摻入可增強(qiáng)混凝土材料酸雨侵蝕能力，且當(dāng)摻入的納米偏高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，可提高混凝土疲勞壽命1倍以上[2]；張平等研究了一種用凝灰?guī)r粉改性水工混凝土，并對(duì)其耐久性進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)摻入的凝灰?guī)r粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于30%，凝灰?guī)r粉比表面積控制在352m2·kg-1時(shí)，水工混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力和抗?jié)B性得到提升[3]。

以上研究為提升混凝土耐久性提供了參考。本試驗(yàn)則在聚合物混凝土基礎(chǔ)上，通過(guò)摻入不同摻量和不同長(zhǎng)度的HPP纖維（塑鋼纖維），并驗(yàn)證HPP摻入對(duì)聚合物混凝土性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

主要材料：HPP纖維，工業(yè)級(jí) ，山東力創(chuàng)新材料；粗骨料碎石，工業(yè)級(jí)，靈壽縣梓舒礦產(chǎn)， 粒徑5～20 mm；細(xì)骨料河砂，工業(yè)級(jí)，石家莊晶森礦產(chǎn)，粒徑0～5 mm；P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，工業(yè)級(jí)，上海乾胡實(shí)業(yè)；水性環(huán)氧樹(shù)脂乳液，工業(yè)級(jí)， 東莞市三鳴復(fù)合材料；水性環(huán)氧樹(shù)脂固化劑，工業(yè)級(jí) ，山東小青新化工；消泡劑，工業(yè)級(jí)， 廣州古德新材料；硫酸鈉，AR，山東德彥化工；氯化鈉，AR 山東偉倫化學(xué)。

主要設(shè)備：RD1020型電子天平，深圳市榮達(dá)儀器；SFS型攪拌機(jī)，上海新勒機(jī)電；WD-300型立式攪拌桶，濟(jì)寧威達(dá)機(jī)械有限公司；JITAI-S10KN型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，北京吉泰科儀檢測(cè)設(shè)備；RXH型烘干箱，南京鑫科銳機(jī)械設(shè)備；TDR-3型凍融試驗(yàn)機(jī)，滄州錫通昂建筑儀器。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 配合比設(shè)計(jì)

首先，將水性環(huán)氧樹(shù)脂乳液、消泡劑、固化劑和水混合制備得到聚合物，然后將該聚合物與不同摻量、不同長(zhǎng)度的HPP加入到混凝土中，制備成HPP聚合物混凝土。具體配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表1[4-5]。其中，A0試件為聚合物改性混凝土，A1～A8試件為塑鋼纖維改性聚合物混凝土。

表1 混凝土配合比(kg·m-3)Table 1 Concrete mix ratio(kg·m-3)

1.2.2 試件制備

（1）根據(jù)表1的配合比，用電子天平稱取適量的混凝土原材料，備用。

（2）在攪拌機(jī)中加入適量的水性環(huán)氧樹(shù)脂、消泡劑、固化劑和水，待充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，獲得高分子聚合物乳液，備用。

（3）在攪拌桶中加入適量的水泥和水預(yù)攪拌處理1min，然后向攪拌桶中加入適量的河砂、碎石，繼續(xù)攪拌2min，以混合均勻，最后將適量的HPP纖維分3次加入攪拌桶中后，繼續(xù)攪拌3min。

（4）將步驟（2）獲得的聚合物高分子乳液分3次添加到（3）的攪拌桶中，再加入一定量的水?dāng)嚢?min，得到改性混凝土砂漿。

（5）在試件模具內(nèi)側(cè)刷上潤(rùn)滑油，將改性混凝土砂漿倒入模具中，一邊倒入一邊插搗，直至倒入的砂漿料略高于模具口則停止。

（6）將試件模具放置在振動(dòng)臺(tái)上振蕩3min，以排除試件內(nèi)的氣泡，然后用PE薄膜將試件封裝，并在常溫環(huán)境下靜置24h。

（7）24h后脫模，并將試件放入水中養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間，取出，得到HPP聚合物混凝土試件。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 抗壓強(qiáng)度

通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)HPP聚合物混凝土試件進(jìn)行測(cè)試，分析其抗壓強(qiáng)度。其中，立方體試件的尺寸為100mm×100mm×100mm。

1.3.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)以0.06MPa/s的壓力加載速度對(duì)100mm×100mm×100mm立方體試件進(jìn)行破壞，分析試件的劈裂抗拉強(qiáng)度。

1.3.3 抗凍融循環(huán)性能

通過(guò)凍融試驗(yàn)機(jī)對(duì)HPP聚合物混凝土試件進(jìn)行200次凍融循環(huán)測(cè)試，分析其抗凍融循環(huán)性能。

1.3.4 抗硫酸鹽侵蝕性能

采用干濕循環(huán)法對(duì)材料進(jìn)行30次硫酸鹽抗侵蝕干濕循環(huán)。其中，一次干濕循環(huán)為：在25℃左右的環(huán)境下，先將試件放入10%的硫酸鈉溶液中浸泡15h，然后排空硫酸鈉溶液，風(fēng)干試件30min，最后在80℃環(huán)境下烘干6h，再冷卻處理2h[6]。

1.3.5 抗氯離子滲透性能

采用干濕循環(huán)法和質(zhì)量濃度為35%的氯化鈉溶液對(duì)試件進(jìn)行測(cè)試，分析試件的抗氯離子滲透性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

由圖1可知，當(dāng)混凝土中HPP纖維摻量增加時(shí)，抗壓強(qiáng)度為先升高后降低。其中，HPP纖維長(zhǎng)度為20mm試件的抗壓強(qiáng)度要高于HPP纖維長(zhǎng)度為30mm的試件抗壓強(qiáng)度。對(duì)于未添加HPP的聚合物混凝土A0試件，其抗壓強(qiáng)度為38.7MPa。對(duì)于摻入20mm和30mm長(zhǎng)度HPP的HPP聚合物混凝土，當(dāng)摻入的HPP體積分?jǐn)?shù)為0.5%HPP纖維時(shí)，抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最大值，分別為45.4MPa和42.5MPa。然而，當(dāng)摻入的HPP體積分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí)，抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)下降。

圖1 試件抗壓強(qiáng)度Fig. 1 Compressive strength of the specimen

分析可知，發(fā)生以上現(xiàn)象的原因，是在混凝土中摻入聚合物高分子乳液時(shí)，在攪拌制備過(guò)程中會(huì)引入氣泡，從而使材料基體密實(shí)度降低。因此，單獨(dú)添加聚合物的混凝土試件的抗壓強(qiáng)度低。當(dāng)在試件中同時(shí)添加聚合物和HPP時(shí)，HPP可改善材料基體之間的粘結(jié)效果，增強(qiáng)內(nèi)部材料的緊密性。因此，得到的HPP聚會(huì)物混凝土抗壓強(qiáng)度提高。但當(dāng)HPP摻量較少時(shí)，由于HPP與材料基體之間的粘結(jié)界面屬于材料中的薄弱面，在受到外力作用時(shí)，這些薄弱區(qū)域容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而使HPP聚合物混凝土的抗壓強(qiáng)度降低。然而，當(dāng)聚合物混凝土中摻入的HPP過(guò)多時(shí)，材料內(nèi)部出現(xiàn)團(tuán)聚和打結(jié)等現(xiàn)象，從而使得HPP聚合物混凝土性能降低[7-8]。綜上，當(dāng)在聚合物混凝土中摻入0.5%的HPP時(shí)，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度最高。

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

由圖2可知，當(dāng)在混凝土中添加聚合物時(shí)，A0試件的劈裂抗拉強(qiáng)度為3.19MPa。當(dāng)聚合物混凝土中摻入的HPP體積分?jǐn)?shù)增加時(shí)，聚合物混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度提高，且高于為未添加HPP的聚合物混凝土試件。當(dāng)HPP摻量為0.6%，長(zhǎng)度為20mm和30mmHPP試件的劈裂抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到3.86MPa和4.26MPa。綜合分析可知，發(fā)生以上這些現(xiàn)象的原因是，當(dāng)在普通的混凝土中加入聚合物時(shí)，材料基體中的水化反應(yīng)與聚合物的破乳成膜反應(yīng)同時(shí)發(fā)生。這些水化產(chǎn)物和高分子薄膜在材料基體內(nèi)部相互穿插，形成一種三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。因此，混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度和耐久性提高。當(dāng)在混凝土中同時(shí)摻入聚合物和HPP時(shí)，HPP可改善材料內(nèi)部因添加聚合物而產(chǎn)生的氣孔等缺陷，從而增加材料密實(shí)度。當(dāng)塑鋼纖維改性混凝土受到外力作用時(shí)，較長(zhǎng)的HPP纖維可以起到連橋作用。這不僅使混凝土基體之間的粘結(jié)性加強(qiáng)，還起到應(yīng)力、能量的分散作用。因此，混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度提高[9-10]。綜上，在混凝土中添加聚合物和30mm的HPP進(jìn)行改性，可提高混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度和耐久性。

圖2 試件劈裂抗拉強(qiáng)度Fig. 2 Splitting tensile strength of specimens

2.3 抗凍融循環(huán)性能

由圖3可知，當(dāng)在普通混凝土中僅摻入聚合物進(jìn)行改性時(shí)，聚合物混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率下降，至42.35%。當(dāng)混凝土中HPP的體積分?jǐn)?shù)摻量增加時(shí)，抗壓強(qiáng)度損失率繼續(xù)下降。當(dāng)摻入0.6%的HPP時(shí)，長(zhǎng)度20mm和30mm HPP試件的抗壓強(qiáng)度損失率分別降至35.12%和33.85%。這些現(xiàn)象表明，在混凝土中添加聚合物和較長(zhǎng)的HPP，可有效增強(qiáng)混凝土的抗凍融循環(huán)能力，提高耐久性。

圖3 抗壓強(qiáng)度損失率Fig. 3 Loss rate of compressive strength

綜合分析可知，發(fā)生這些變化的原因是，在混凝土基體表面和內(nèi)部，均存在一些微小的孔隙、裂紋等缺陷。因此，當(dāng)進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，水分會(huì)從這些缺陷區(qū)域滲透到混凝土材料基體內(nèi)部，發(fā)生結(jié)冰，從而引起體積膨脹。這會(huì)使混凝土中的裂紋等缺陷進(jìn)一步擴(kuò)大，變?yōu)檩^大的裂縫，從而破壞材料結(jié)構(gòu)，使材料強(qiáng)度降低。而在混凝土中添加聚合物高分子乳液可以增強(qiáng)材料結(jié)構(gòu)。同時(shí)，HPP纖維的摻入，可以提高混凝土基體的密實(shí)度，以及基體之間的界面粘結(jié)效果。因此，塑鋼纖維改性混凝土中裂縫等缺陷的擴(kuò)展被抑制，抗壓強(qiáng)度損失率下降[11-12]。綜上，在混凝土中添加30mmHPP纖維和聚合物，可以減緩凍融循環(huán)試驗(yàn)中試件的抗壓強(qiáng)度損失，增強(qiáng)材料耐久性。

2.4 抗硫酸鹽侵蝕性能

由圖4可知，在普通混凝土的基礎(chǔ)上添加聚合物進(jìn)行改性時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)為87.8%。當(dāng)在聚合物混凝土中添加HPP時(shí)，相對(duì)于單獨(dú)摻入聚合物的混凝土試件，其抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)先減小后增大。當(dāng)摻入0.6%HPP時(shí)，摻入長(zhǎng)度20mm和30mm HPP的試件抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)分別為94.5%和95.3%，比聚合物混凝土分別提高7.6%和8.5%。這些現(xiàn)象表明，聚合物和30mmHPP的摻入，可以提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕的性能。

圖4 抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)Fig. 4 Compressive strength and corrosion resistance coefficient

綜合分析可知，發(fā)生這些現(xiàn)象的原因是，在硫酸鹽侵蝕干濕循環(huán)過(guò)程中，隨著循環(huán)次數(shù)不斷增加，混凝土基體內(nèi)部不斷被侵蝕，產(chǎn)生的水化產(chǎn)物、侵蝕產(chǎn)物不斷增多，導(dǎo)致材料整體的體積膨脹。當(dāng)體積膨脹帶來(lái)的膨脹應(yīng)力超過(guò)材料自身的極限拉應(yīng)力時(shí)，混凝土內(nèi)部的裂紋等缺陷會(huì)不斷擴(kuò)展，因此開(kāi)裂，出現(xiàn)宏觀裂縫，材料的結(jié)構(gòu)被破壞，性能降低。然而，在混凝土中摻入適量的聚合物和HPP纖維，混凝土基體內(nèi)部聚合物和HPP纖維相互作用，可以提高材料基體的密實(shí)度。同時(shí)，較長(zhǎng)的HPP纖維可以起到連橋作用，且聚合物也會(huì)加強(qiáng)基體之間的界面粘結(jié)作用。因此，當(dāng)混凝土因自身膨脹應(yīng)力裂紋擴(kuò)展時(shí)，基體的裂紋擴(kuò)展被抑制，從而減緩材料抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)下降速度[13-14]。綜上，在混凝土中添加聚合物和30mmHPP進(jìn)行改性，可以增加其抵抗硫酸鹽侵蝕的性能，提升耐久性。

2.5 抗氯離子滲透性能

圖5 為各混凝土試件在經(jīng)過(guò)氯離子滲透后的滲透深度與氯離子總含量情況。結(jié)合圖5（a）和（b）可知，氯離子在滲透深度為3mm附近總含量最多，摻入20mm HPP纖維的試件抗氯離子滲透能力略高于摻入30mm HPP纖維的試件。當(dāng)摻入0.6% HPP纖維時(shí)，試件的抗氯離子滲透能力高于單獨(dú)摻入聚合物的混凝土試件。這些現(xiàn)象表明，摻入聚合物和HPP纖維，會(huì)在一定程度上使混凝土材料抵抗氯離子侵蝕的能力降低。然而，添加0.6%的20mm HPP纖維，可以延緩這種性能下降效果。因此，添加適量的HPP纖維，可以增加聚合物改性混凝土抵抗氯離子侵蝕的能力，提高材料耐久性。綜上，當(dāng)在材料中添加聚合物和0.6%的20mm HPP纖維時(shí)，材料抗氯離子滲透性能良好，耐久性較好。

圖5 抗氯離子滲透性能Fig. 5 Resistance to chloride ion penetration

3 結(jié)論

（1）所制備的HPP聚合物混凝土，與聚合物混凝土相比，當(dāng)添加適量的HPP纖維進(jìn)行復(fù)合改性時(shí)，可提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。

（2）當(dāng)在混凝土中同時(shí)添加聚合物和HPP時(shí)，塑鋼纖維聚合物混凝土具有較高的劈裂抗拉強(qiáng)度。

（3）當(dāng)添加HPP纖維后，塑鋼纖維聚合物混凝土的抗凍融循環(huán)性能、抗硫酸鹽侵蝕性能以及抗氯離子滲透性能均得到提升，從而使得混凝土的耐久性提高。

（4）綜合得出，當(dāng)聚合物混凝土中摻入0.5%的30mm HPP纖維時(shí)，混凝土具有良好的力學(xué)性能和耐久性。