鋼纖維混凝土的耐久性研究

摘要：鋼纖維混凝土作為一種新型高性能混凝土材料，在建筑工程領域已經得到了廣泛的應用。本文主要對鋼纖維混凝土的耐久性能進行了論述，其主要內容是對鋼纖維混凝土的碳化作用、氯離子侵蝕和硫酸鹽侵蝕進行了總結分析，并對需要進一步研究的相關問題提出了建議。

關鍵詞：混凝土;鋼纖維;碳化;氯離子侵蝕;硫酸鹽侵蝕

鋼纖維混凝土是由鋼纖維與水泥基體組成的新型復合材料。鋼纖維是一種短纖維，在混凝土基體中亂向分布，起到阻礙內部裂縫的擴展和阻滯宏觀裂縫的發生和發展的作用。鋼纖維混凝土抵抗環境介質作用并長期保持其良好的使用性能和外觀完整性，從而維持混凝土結構的安全、正常使用的能力稱為鋼纖維混凝土的耐久性。鋼纖維混凝土的耐久性直接影響到混凝土結構的使用壽命，是工程界普遍關注的問題之一。目前對于鋼纖維混凝土耐久性的研究，大多從混凝土碳化、氯離子侵蝕和硫酸鹽侵蝕等三個方面考慮。下面做具體分析。

1"碳化作用

混凝土的碳化是混凝土所受到的一種化學腐蝕。空氣中CO2氣滲透到混凝土內，與其堿性物質起化學反應后生成碳酸鹽和水，使混凝土堿度降低的過程稱為混凝土碳化，其基本化學反應式為Ca（OH）2+CO2=CaCO3+H2O。混凝土碳化后，混凝土內部的孔隙特征和化學成分發生了一定程度的變化，Ca（OH）2與CO2在有水的情況下反應生成CaCO3，CaCO3填充與混凝土內部的微裂紋和毛細孔等空隙中。混凝土碳化從表面開始，隨著時間的發展，持續不斷的向混凝土內部發展。碳化作用與混凝土內部孔隙液體的組成和水化產物的形態等因素密切相關，碳化作用同時間的增長成反比，是一個減速過程。

鋼纖維改善混凝土的抗碳化能力，一般認為是由于混凝土中加入鋼纖維以后，鋼纖維分布在水泥砂漿中，彼此相連形成網絡，抑制骨料下沉，阻礙混凝土拌合物離析，降低混凝土的泌水，從而減少了混凝土中的孔隙通道;同時，大量分布在砂漿中的鋼纖維會使砂漿中的毛細孔變小，毛細管細化甚至堵塞，另外，鋼纖維的加入減少或阻止了混凝土中裂縫的形成、生長及擴展，并阻斷裂紋的連通，也就是說，在鋼纖維混凝土中，鋼纖維削弱了CO2的擴散途徑，抑制了CO2的擴散，故鋼纖維混凝土的抗碳化能力高于素混凝土。但是，碳化試驗是在相對濕度為（70+5）%的環境下發生的，CO2侵入鋼纖維混凝土遇水會發生化學反應，生成碳酸，對鋼纖維有一定的腐蝕性，因此鋼纖維的腐蝕也是一個亟待解決的問題。

2氯離子侵蝕

氯離子是影響鋼纖維混凝土耐久性的重要因素之一，它是一種較強的陽極活化劑，隨著時間的增加，當氯離子滲透積累至混凝土中鋼筋周圍一定濃度時，就會使鋼筋表面的鈍化膜破壞，從而造成電化學腐蝕。氯離子主要通過“滲入”和“摻入”兩種途徑侵蝕混凝土。“滲入”主要是指水中的氯離子以混凝土的微觀和宏觀缺陷為途徑，經過復雜的化學變化進入混凝土中，這種氯離子的侵蝕方式對混凝土的破壞較為多見。“摻入”主要是指在混凝土拌合過程中來自于水泥、外加劑和砂子等材料中的氯離子，然而由于原材料中的氯離子含量受到嚴格控制，這種侵蝕方式所造成的破壞較小。

在我國沿海地區和西北內陸鹽漬土地帶，混凝土長期暴露在海水、海風或鹽漬土環境中，氯離子會滲透進入混凝土中，引起混凝土內部的鋼筋去鈍化從而導致混凝土的鋼筋銹蝕。當在混凝土中摻入冷拉鋼絲制造的鋼纖維時，鋼纖維的彈性模量大于混凝土基體的彈性模量，增加了硬化初期混凝土的強度和韌度，使混凝土內部的微裂紋減少，有效抑制了連通孔的產生，改善了混凝土的內部結構。另一方面，鋼纖維使混凝土的失水面積變小，水分遷移困難，降低了毛細管試水收縮形成的毛細管張力，從而提高抗氯離子侵蝕能力。有關學者通過對比在海洋性環境下鋼纖維混凝土和鋼筋混凝土中的氯離子滲透情況發現，氯離子在鋼筋混凝土中的滲透性遠高于鋼纖維混凝土。

圖1.1鋼纖維混凝土的氯離子滲透試驗

圖1.2鋼筋混凝土氯離子滲透試驗

從圖中可以看出，與鋼筋混凝土構件相比，鋼纖維混凝土電壓變化幅度較小，腐蝕現象不明顯，而鋼筋混凝土表面出現了較嚴重的腐蝕現象。

3"硫酸鹽侵蝕

混凝土的硫酸鹽侵蝕是影響混凝土耐久性的重要因素之一，它也是影響因素最復雜、危害性最大的一種侵蝕。近年來，在我國的公路、橋梁、水電等工程中均大量發現混凝土結構物受硫酸鹽侵蝕破壞的問題混凝土硫酸鹽侵蝕破壞機理是一個復雜的物理化學過程，本質上是外界侵蝕物質中的SO42-隨著時間的發展深入混凝土的空隙內部，同混凝土的某些成分發生化學反應，產生體積膨脹，導致混凝土開裂，并最終引起混凝土結構的破壞。

混凝土的侵蝕過程是一個復雜的物理化學反應過程，在摻入鋼纖維后在混凝土基體周圍會發生水化反應生成膨脹性產物鈣礬石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）。在混凝土硬化過程中，由于水泥漿體中的水化硅酸鹽鈣（C-S-H）是一種結晶不完整的蜂窩型或錯綜復雜的網狀結構，一方面會填塞混凝土自身結構中的毛細空隙和C-S-H凝膠中的蜂窩空隙，另一方面又會與C-S-H凝膠交織在一起，形成三維空間網狀結構，起到了填充、堵塞及切斷毛細孔和其他孔隙作用，使混凝土試件在侵蝕早期變得更加密實，降低了混凝土試件的透水性，增加混凝土強度。相關實驗研究表明，在硫酸鹽侵蝕條件下的混凝土中加入一定摻量的鋼纖維，鋼纖維在混凝土中呈現多維亂向分布，通過傳遞基體界面粘結力，使鋼纖維受力，有效的限制了混凝土試件的膨脹，大大改善了混凝土試件的抗硫酸鹽侵蝕能力。

4"結語

鋼纖維對混凝土的碳化作用、抗氯離子侵蝕和抗硫酸鹽侵蝕都有不同程度上的改善，雖然國內外學者已通過不同的方法和角度對其進行了探討，但鋼纖維改善混凝土耐久性能的研究仍然是一個不小的挑戰。另外，目前對鋼纖維混凝土耐久性的研究目前主要集中在單因素的影響下，對于碳化、氯離子侵蝕與酸鹽侵蝕共同作用下的研究還比較匱乏，應該完善復雜環境下鋼纖維對混凝土耐久性能的影響。