顧 維, 郭 芳

(1.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長沙 410015； 2.交通建設(shè)工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410015；3.湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410132)

0 引言

高強(qiáng)混凝土指C60～C90強(qiáng)度等級的混凝土，具有強(qiáng)度高、耐久性好、變形小等特點(diǎn)。工程中選用高強(qiáng)混凝土能夠減小截面尺寸，減輕自重，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。面對現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)向大跨度、重載、高層發(fā)展的趨勢，以及構(gòu)造物需要承受各種惡劣環(huán)境條件的挑戰(zhàn)，在各類重要結(jié)構(gòu)與復(fù)雜環(huán)境條件下應(yīng)用高強(qiáng)混凝土的場景不斷增多，這對高強(qiáng)混凝土的耐久性提出了更高的要求。各種惡劣環(huán)境條件對高強(qiáng)混凝土的侵蝕會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，并可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕。Afroughsabet等[1]研究表明，在高強(qiáng)混凝土中摻入硅灰可以改善混凝土的力學(xué)性能與耐久性能。Zhang等[2]研究了持續(xù)荷載與硫酸鹽干濕循環(huán)耦合作用對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)在持續(xù)荷載和硫酸鹽干濕循環(huán)耦合作用下，鋼筋與混凝土之間的界面黏合性能出現(xiàn)退化，結(jié)構(gòu)的極限載荷和應(yīng)力-應(yīng)變曲線整體呈下降趨勢。王磊等[3]研究表明，氯鹽溶液浸泡的高強(qiáng)混凝土在凍融作用下出現(xiàn)了更為嚴(yán)重的表層損傷現(xiàn)象，質(zhì)量損失率和飽和吸水率也大大增加。Liu等[4]試驗(yàn)表明，混凝土受硫酸鹽溶液介質(zhì)影響，其孔隙率增加，微觀結(jié)構(gòu)劣化，耐久性能降低；且硫酸鹽侵蝕時(shí)間越長，混凝土性能變化越明顯。

混凝土中摻入復(fù)合纖維材料對于加強(qiáng)混凝土的抗拉強(qiáng)度與韌性具有積極作用，對混凝土的耐久性也有一定的影響[5]。Su等[6]研究表明，加入纖維可以抑制氯化物侵蝕過程中孔隙結(jié)構(gòu)的惡化。當(dāng)氯化物持續(xù)作用時(shí)，水泥水化產(chǎn)物穩(wěn)定性下降，纖維與混凝土基體的結(jié)合強(qiáng)度開始減弱，此時(shí)纖維可能無法有效改善水泥混凝土的耐久性能。王振山等[7]發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維摻量為0.1%～0.2%時(shí)，混凝土具有較好的耐酸腐蝕性，不合理的纖維摻量反而會(huì)降低混凝土的性能。

本研究擬將纖維高強(qiáng)混凝土暴露于4種不同環(huán)境中，研究各類環(huán)境介質(zhì)影響下高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度與耐久性。設(shè)置的4類環(huán)境介質(zhì)分別為：空氣介質(zhì)、水介質(zhì)、氯鹽溶液介質(zhì)和硫酸鹽溶液介質(zhì)。將不同纖維摻量的單摻鋼纖維、單摻聚丙烯纖維及混摻鋼纖維-聚丙烯纖維高強(qiáng)混凝土置入各類環(huán)境介質(zhì)中，在28 d和180 d時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，評估纖維高強(qiáng)混凝土在各類介質(zhì)侵蝕下的強(qiáng)度與耐久性變化，探討纖維摻量與摻入方法對纖維高強(qiáng)混凝土的影響。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

1.1.1膠凝材料

本試驗(yàn)使用的膠凝材料為P·O42.5水泥，其主要技術(shù)參數(shù)滿足《通用硅酸鹽水泥》(GB 175-2007)要求，測試結(jié)果如表1所示。

表1 水泥技術(shù)參數(shù)檢測項(xiàng)目比表面積/(m2·kg-1)凝結(jié)時(shí)間/min初凝終凝安定性(雷氏夾法)含量/%抗壓強(qiáng)度/MPa三氧化硫燒失量氧化鎂3 d28 d規(guī)范要求≥300≥45≤600合格≤3.5≤5.0≤5.0≥23.0≥52.5檢測結(jié)果320155305合格2.651.673.2638.260.5

1.1.2集料

粗集料最大粒徑為16 mm，分為5～10、10～15、15～20 mm三檔，其比例分別占38%、51%、10%。本研究所用粗集料屬輝綠巖，根據(jù)《普通混凝土用砂石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 52-2006)要求，對主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行測試，結(jié)果如表2所示。

表2 粗集料技術(shù)參數(shù)項(xiàng)目壓碎值相對表觀密度吸水性針狀顆粒含量/%洛杉磯磨耗/%石料磨光值含泥量/%規(guī)范要求≤18.0≥2 650≤1.0≤5≤28.0≥47≤0.5檢測結(jié)果14.82 7400.654.214.5680.3

本研究所用細(xì)集料為石英砂，松裝密度為1 750 kg/m3，細(xì)度模數(shù)為2.9，不含黏土、云母及輕物質(zhì)等雜質(zhì)。粗細(xì)集料的各項(xiàng)指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

1.1.3硅灰

混凝土中摻入硅灰有利于提升其耐久性[8]，本研究所用硅灰的粒徑為0.7 μm，符合《高強(qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑》(GB/T 18736-2017)相關(guān)要求，硅灰技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 硅灰技術(shù)參數(shù)%項(xiàng)目總堿量SiO2含量氯含量含水率燒失量需水量比規(guī)范要求≤1.5≥85≤0.1≤3.0≤4.0≤125測試結(jié)果1.0940.051.81.7108

1.1.4減水劑

所用減水劑為減水率28%的聚羧酸減水劑，外觀為淡黃色液體。

1.1.5纖維

采用端鉤型鋼纖維，使其與水泥混凝土之間有良好的錨固作用。聚丙烯纖維抗拉強(qiáng)度高，在堿性環(huán)境下耐受力高，在混凝土工程中應(yīng)用廣泛。兩種纖維的技術(shù)參數(shù)如表4所示。

信息數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、完整、安全是動(dòng)態(tài)監(jiān)控工作開展的基礎(chǔ)。一是數(shù)據(jù)及時(shí)錄入。各預(yù)算單位自行錄入的財(cái)務(wù)信息，如財(cái)務(wù)核算數(shù)據(jù)、政府采購計(jì)劃數(shù)據(jù)等，要及時(shí)錄入到信息系統(tǒng)中，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)比對、分析，開展實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。二是掌握數(shù)據(jù)調(diào)整。監(jiān)控部門要及時(shí)掌握各預(yù)算單位職責(zé)變化、預(yù)算調(diào)整等基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)，以此作為對信息系統(tǒng)中數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整、對動(dòng)態(tài)監(jiān)控預(yù)警規(guī)則調(diào)整的依據(jù)。三是確保數(shù)據(jù)安全。要采取有效防護(hù)措施，防止財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)遭到破壞或受到攻擊。同時(shí)，要建立災(zāi)備系統(tǒng)和應(yīng)急預(yù)案，有序應(yīng)對突發(fā)事件的發(fā)生，確保財(cái)務(wù)信息數(shù)據(jù)安全。

表4 纖維技術(shù)參數(shù)類型長度/mm直徑/μm長徑比密度/(g·cm-3)彈性模量/GPa抗拉強(qiáng)度/MPa鋼纖維35600607.8220600聚丙烯纖維1841.54500.918.2400

1.2 配合比設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)配合比參考《高強(qiáng)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 281-2012)及相關(guān)研究設(shè)置，水灰比固定為0.32，硅灰摻量為水泥用量的12%，最終混凝土配合比為：m水∶m水泥∶m硅灰∶m粗集料∶m細(xì)集料∶m減水劑=1∶0.32∶0.12∶1.82∶1.25∶0.02。

纖維摻量按體積分?jǐn)?shù)計(jì)，為探究不同纖維類型及不同纖維摻量對高強(qiáng)混凝土耐久性的影響，共設(shè)置3種纖維摻入方法：①分別摻入0.5%、1.0%、1.5%、2%的鋼纖維；②分別摻入0.15%、0.30%、0.45%、0.60%的聚丙烯纖維；③混合摻入0.5%鋼纖維+0.2%聚丙烯纖維(S0.5P0.2)、1.0%鋼纖維+0.4%聚丙烯纖維(S1.0P0.4)、1.5%鋼纖維+0.4%聚丙烯纖維(S1.5P0.4)、2.0%鋼纖維+0.6%聚丙烯纖維(S2.0P0.6)。

1.3 試驗(yàn)方法

制備150 mm×150 mm×150 mm立方體試件測試高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度，選用YAW-2000B電液伺服萬能壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)；彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)采用三分點(diǎn)加壓的方法進(jìn)行，試件為150 mm×150 mm×550 mm梁式試件，控制加荷速度為0.10 MPa/s。

將試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3 d后，暴露于以下環(huán)境介質(zhì)中。①空氣環(huán)境介質(zhì)：將試件置于正常室溫、濕度的室內(nèi)環(huán)境中；②水環(huán)境介質(zhì)：將試件置于裝滿純凈水的容器中，保持水面完全沒過試件頂部的狀態(tài)；③氯化物侵蝕環(huán)境介質(zhì)：將試件置于含9%氯化鈉溶液的容器中，每月更換溶液以保持氯化物濃度；④硫酸鹽侵蝕環(huán)境介質(zhì)：將試件置于含9%硫酸鎂溶液的容器中，每月更換溶液以保持硫酸鹽濃度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 空氣環(huán)境介質(zhì)

在室內(nèi)環(huán)境中，混凝土主要接觸空氣，且不受到自然降水的影響。在這種情況下，混凝土的碳化與堿骨料反應(yīng)都不易發(fā)生。設(shè)置此種環(huán)境可與其他介質(zhì)侵蝕的環(huán)境進(jìn)行對比。整理空氣介質(zhì)作用下的混凝土試件抗壓強(qiáng)度與彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，并繪制關(guān)系圖(見圖1)。

本研究分別對各纖維摻量的高強(qiáng)混凝土進(jìn)行28d與180 d試驗(yàn)，纖維高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度隨著齡期出現(xiàn)了增長。由圖1(a)可知，摻入鋼纖維可增加混凝土的抗壓強(qiáng)度，28 d與180 d時(shí)，1.0%摻量的鋼纖維高強(qiáng)混凝土比不摻鋼纖維的抗壓強(qiáng)度分別提高了16.8%與17.6%，而摻入聚丙烯纖維對抗壓強(qiáng)度提升不明顯。高強(qiáng)混凝土的水灰比較低，摻入鋼纖維后，鋼纖維與水泥基材的過渡區(qū)得以強(qiáng)化，減小了過渡區(qū)薄弱帶來的不利影響。在基材強(qiáng)度高的混凝土中，鋼纖維的增強(qiáng)效果更為顯著。

由圖1(a)～(b)可知，纖維的加入改善了高強(qiáng)混凝土的彎拉性能和抗壓強(qiáng)度，且兩者隨著纖維摻量的增加先升高后降低，對高強(qiáng)混凝土的前期強(qiáng)度與后期強(qiáng)度均有影響。當(dāng)纖維摻入過多時(shí)可能導(dǎo)致薄弱區(qū)域增多，致使力學(xué)性能下降。由圖1(c)可知，合適摻量的混雜纖維可以使混凝土強(qiáng)度更大幅度增強(qiáng)，在試驗(yàn)齡期28 d時(shí)，混摻有1%鋼纖維與4%聚丙烯纖維的高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度分別比無纖維普通高強(qiáng)混凝土高16.2 MPa和2.9 MPa。

(a)鋼纖維

(b)聚丙烯纖維

(c)鋼-聚丙烯纖維混摻圖1 空氣介質(zhì)作用下的纖維高強(qiáng)混凝土試驗(yàn)結(jié)果

2.2 水環(huán)境介質(zhì)

處于潮濕和浸水環(huán)境下的混凝土，水分會(huì)更容易進(jìn)入混凝土內(nèi)部，導(dǎo)致鋼筋腐蝕、凍融循環(huán)和堿骨料反應(yīng)等破壞作用更容易發(fā)生?？偨Y(jié)水環(huán)境介質(zhì)作用下的混凝土試件抗壓強(qiáng)度與彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果并繪制關(guān)系圖，如圖2所示。

(a)鋼纖維

(b)聚丙烯纖維

(c)鋼-聚丙烯纖維混摻圖2 浸水條件下的纖維高強(qiáng)混凝土試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知，浸水條件下高強(qiáng)混凝土并未出現(xiàn)較大的強(qiáng)度下降，在180 d齡期時(shí)出現(xiàn)了一定的強(qiáng)度增長，可能是混凝土中未水化顆粒的水化作用所致。單純的水介質(zhì)對高強(qiáng)混凝土影響較小，適量的纖維摻入混凝土形成了更為致密的結(jié)構(gòu)，抑制了混凝土的收縮與開裂，提高了混凝土的致密程度。由圖2可知，鋼纖維摻量為0.5%～1.5%時(shí)對混凝土的抗壓強(qiáng)度具有較好的增強(qiáng)效果，聚丙烯纖維為0.45%時(shí)對混凝土的彎拉有較好的增強(qiáng)效果。然而單摻聚丙烯纖維在0.6%時(shí)，抗壓強(qiáng)度較未摻纖維的高強(qiáng)混凝土小，彎拉強(qiáng)度也急劇下降，這可能是由于纖維摻量過高，纖維之間出現(xiàn)分散不均、堆疊等情況，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)薄弱面的出現(xiàn)，致使混凝土強(qiáng)度劣化?；鞊嚼w維高強(qiáng)混凝土表現(xiàn)良好，強(qiáng)度與耐久性均得到一定提高。

2.3 氯鹽溶液環(huán)境介質(zhì)

氯離子主要通過擴(kuò)散、滲透、毛細(xì)管吸收以及電化學(xué)遷移等作用侵入水泥基材料內(nèi)部。氯離子可以與水泥石中的Ca(OH)2和C3A等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成易溶的CaCl2和板狀的Friedel 鹽。圖3為氯鹽溶液浸泡條件下的混凝土試件抗壓強(qiáng)度與彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

(a)鋼纖維

(b)聚丙烯纖維

(c)鋼-聚丙烯纖維混摻圖3 氯鹽溶液浸泡下的高強(qiáng)混凝土試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知，氯鹽溶液浸泡對高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度有不利影響。對比空氣介質(zhì)與水介質(zhì)中的高強(qiáng)混凝土，氯鹽介質(zhì)作用180 d的高強(qiáng)混凝土彎拉強(qiáng)度下降了22%。不同纖維高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度變化趨勢基本相同，隨著纖維摻量增加，強(qiáng)度先增長后降低。在纖維摻量較大時(shí)，高強(qiáng)混凝土的耐久性降幅增大，強(qiáng)度下降明顯。鋼纖維高強(qiáng)混凝土在0.5%摻量時(shí)抗壓強(qiáng)度較好，在1%摻量時(shí)彎拉強(qiáng)度較高。由圖3(b)可知，聚丙烯纖維無法提升氯鹽溶液作用下的高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度，但對試件的彎拉強(qiáng)度有所增強(qiáng)。加入聚丙烯纖維可以有效抑制高強(qiáng)混凝土水化過程中收縮裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，減少微裂紋的數(shù)目，增加高強(qiáng)混凝土的密實(shí)程度。然而聚丙烯長徑比較大，比表面積較大，大量摻入混凝土?xí)r可能引入了更多的間隙，反而造成不利影響。

2.4 硫酸鹽溶液環(huán)境介質(zhì)

硫酸鹽能與水泥的水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，生成具有膨脹性的物質(zhì)，在試件內(nèi)部形成巨大膨脹應(yīng)力導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的破壞，強(qiáng)度逐漸喪失。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制硫酸鹽溶液浸泡下纖維高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能與纖維摻量的關(guān)系曲線，如圖4所示。

(a)鋼纖維

(b)聚丙烯纖維

(c)鋼-聚丙烯纖維混摻圖4 硫酸鹽溶液浸泡下的高強(qiáng)混凝土試驗(yàn)結(jié)果

由圖4可知，硫酸鹽介質(zhì)作用下，高強(qiáng)混凝土的耐久性較差。硫酸鹽介質(zhì)對高強(qiáng)混凝土彎拉強(qiáng)度影響程度大于對抗壓強(qiáng)度的影響程度。硫酸鹽介質(zhì)影響下，鋼纖維仍可增強(qiáng)高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度與彎拉強(qiáng)度，而摻入聚丙烯纖維僅提高了高強(qiáng)混凝土的彎拉強(qiáng)度，且增強(qiáng)幅度較小。由圖4(a)、(b)可以看出，硫酸鹽介質(zhì)作用下，28 d與180 d的高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度相差不大。圖4(c)表明，適當(dāng)比例的混摻纖維可以提高硫酸鹽介質(zhì)作用下的高強(qiáng)混凝土早期強(qiáng)度，混摻纖維高強(qiáng)混凝土的后期強(qiáng)度優(yōu)于單摻纖維或無纖維高強(qiáng)混凝土。對于不同摻入方式的混摻纖維高強(qiáng)混凝土，05％鋼纖維混合02％聚丙烯纖維的高強(qiáng)混凝土耐久性良好，但彎拉性能改善效果較小。15％鋼纖維混合04％聚丙烯纖維的高強(qiáng)混凝土彎拉性能良好，但抗壓強(qiáng)度較低。本試驗(yàn)中，混雜纖維的最佳比例為鋼纖維摻量10％加聚丙烯纖維摻量04％。此時(shí)混摻纖維高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度比未摻纖維混凝土高198％，彎拉強(qiáng)度大32MPa。

3 結(jié)論

1)氯鹽溶液與硫酸鹽溶液介質(zhì)對高強(qiáng)混凝土耐久性影響較大，空氣與水介質(zhì)對高強(qiáng)混凝土耐久性影響較小。

2)隨著環(huán)境介質(zhì)作用時(shí)間的增長，鋼纖維仍可有效增強(qiáng)高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度。摻入聚丙烯纖維僅對高強(qiáng)混凝土的彎拉強(qiáng)度有顯著影響，混摻纖維的摻入方法可增強(qiáng)高強(qiáng)混凝土的早期強(qiáng)度。

3)摻纖維高強(qiáng)混凝土耐久性能良好，但大含量纖維會(huì)導(dǎo)致高強(qiáng)混凝土的耐久性能降低?；鞊戒摾w維與聚丙烯纖維比單摻纖維對高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度與耐久性具有更好的增強(qiáng)效果。