道路混凝土中基于改善耐堿玻璃纖維腐蝕的最佳配合比

本文通過混凝土抗折強度的變化，對耐堿玻璃纖維在水泥砂漿中的腐蝕機理進行研究。通過耐堿加速試驗探討分析不同配比的耐堿玻璃纖維，對玻璃纖維混凝土力學性能的影響，同時摻加活性混合材粉煤灰來抑制水泥水化漿體對耐堿玻璃纖維的腐蝕，利用耐久性和耐高溫對比試驗，研究輔助膠凝材料對玻璃纖維混凝土耐久性的改善程度，確定玻璃纖維最佳慘量及優選基材配合比，使得道路混凝土高性能化、綠色化。

試驗

試驗材料

水泥：太原智海混凝土公司生產的智海牌42.5級普通硅酸鹽水泥，品質符合《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）標準的規定。

耐堿玻璃纖維：北京市京華玻璃纖維制品工業公司生產的耐堿玻璃纖維。線網長度12mm，密度2.70g/cm3,抗拉強度2480MPa，彈性模量80.0GPa，斷裂延伸率3.6%，ZrO2含量16.7%。

粉煤灰：山西電廠生產的二級粉煤灰，品質符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB1596-2005）的規定。

減水劑：合肥沃特混凝土外加劑有限公司生產的XK-4-氨基系緩凝高效減水劑，減水率可達18%至26%。

試驗方法

耐堿玻璃纖維最佳摻量實驗：纖維摻量的多少不僅能影響到混凝土的抗拉、抗壓強度，而且對纖維混凝土的耐磨性、抗凍融性等都有很大影響。參考國內外文獻，從玻璃纖維0.8g/L～1.2g/L的摻量范圍內選擇幾組不同摻量的配比，按其制成相應的試件，對比分析不同纖維摻量對混凝土抗拉、抗壓強度的影響，確定耐堿玻璃纖維最佳摻量。

耐堿加速實驗：耐堿玻璃纖維在提高混凝土抗拉強度及耐磨性能的同時，由于玻璃纖維的腐蝕，后期強度下降。因此，本文首先對耐堿玻璃纖維的腐蝕問題進行研究，通過耐堿加速腐蝕試驗，將耐堿玻璃纖維砂漿試件用80℃的熱水加速養護，根據溫度對水泥水化或漿體強度影響的Arrhenius方程來推測耐堿玻璃纖維在混凝土中的使用年限，然后通過宏觀力學性能的變化來明確耐堿玻璃纖維在水泥水化環境中的腐蝕情況。

式中，KT—養護溫度為T時的強度發展速率常數（d-1）A—常數（d-1）；Ea—活化能（J/mol）；R—氣體常數（8.314J/K·mol）；T—Kelin溫度（T）。

腐蝕抑制摻量最佳配比實驗：在耐堿性混凝土中摻入活性混合材粉煤灰對于阻止玻璃纖維的腐蝕是很有效的。其中，粉煤灰中的活性SiO2與水泥漿體中的氫氧化鈣反應生成高硅鈣比C-S-H凝膠，降低了周圍的堿度，而且還可以減少水化熱、降低滲透性和空隙率、減少干燥收縮。通過將不同配比的粉煤灰均勻摻入砂漿中，對比分析不同比例粉煤灰時水泥砂漿的抗彎強度發展規律，確定粉煤灰最佳摻和比。

結果分析

耐堿玻璃纖維最佳摻量的確定

從耐堿玻璃纖維摻量范圍選擇7個不同纖維用量并制成7組試件，即每組纖維用量不同，其他所有材料的配比不變。在相同條件下比較其3天、7天的抗壓強度（如圖1所示），然后作相互比較，從而確定纖維的最佳摻量。

如圖1所示，在一定范圍內，隨著耐堿纖維的摻入量增大，抗壓強度增大，當摻入量為1.0g/m3時，抗壓強度達到最大值，之后再增加耐堿纖維量，其抗壓強度反而下降并趨于穩定。原因分析：第一，混凝土摻入的玻璃纖維越多，難以保證拌和均勻，因此，玻璃纖維聚集成小團，有害孔增多，混凝土強度下降；第二，混凝土試件受到沖擊時，其內部會產生拉應力，當耐堿玻璃纖維與拉應力平行形成“縫隙”時，隨著摻入量增大，“縫隙”也會越多，導致微裂縫的進一步擴大，抗壓強度進一步下降。因此，耐堿玻璃纖維的最佳摻量為1.0kg/m3。

表1 不同摻量的混凝土的抗壓強度

圖1 玻璃纖維的摻量與抗壓強度關系曲線

耐堿玻璃纖維在水泥砂漿中的腐蝕機理

稱取砂1350g（粒徑介于0.16mm～5mm）、普通硅酸鹽42.5號水泥540g、耐堿玻璃纖維20g、水238ml、減水劑8g。空白件是除不加入耐堿纖維和減水劑以外其他條件都相同的對比試件，結果如表2所示。

如圖2所示，耐堿玻璃纖維試件加熱到第1天，抗折強度達到最大，然后逐漸降低，加熱到第3天強度達到最低值，然后強度轉而升高，一直到第十天仍然是上升趨勢；而對于空白件砂漿試件抗彎強度是逐漸上升的，但到后期有所下降。如圖3所示，凈抗彎荷載值在第一天達到最大，其后逐漸減小，到達第3天后基本保持不變，這說明耐堿玻璃纖維在1天后就開始被腐蝕，到達第3天腐蝕結束，后期強度的增長依賴于水泥漿體的進一步水化，但即使耐堿玻璃纖維被腐蝕，試件的后期抗折強度仍然高于空白件。這是由于耐堿玻璃纖維與水泥相互作用后，玻璃纖維表面的鋯離子濃度較高，與氫氧根離子的發應生成Zr(OH)4膠狀物并附著在玻璃纖維表面上形成緊密的保護膜層，減緩了堿對玻璃纖維的侵蝕。這意味著，抗堿玻璃纖維自身對水泥漿體的堿性環境能形成一定的免疫能力，這一實驗結果說明將分散均勻的耐堿玻璃纖維應用到道路混凝土中是可行的。

圖2 齡期與抗彎強度曲線

圖3 齡期與凈抗彎強度曲線

表2 水泥砂漿的抗彎強度

當加熱到第8天后，空白試件的抗彎強度開始下降，因為溫度是水泥水化的一個重要因素，通過影響參加反應材料的溶解度改變水化動力學，導致水化產物的形態、成分發生變化。在70℃至100℃的養護溫度下，水泥漿體中的Aft遭到破壞，養護溫度的升高還將改變水化產物C-S-H的鈣硅比，當水化溫度由25℃升高到95℃時，C3S水化產物的結合水量由35%下降到25%。高溫下結合水量的減少不僅是由于反應速度下降，還包括水化產物C-S-H中的層間水減少，鈣礬石轉變為其他產物，導致強度下降。一般來說，提高水化溫度可以加速水泥的水化，但隨著養護時間增長水化度和強度往往要降低。本文出現的后期抗折強度降低是由于高溫養護所致。

因此，將耐堿玻璃纖維摻入混凝土中而不添加任何摻和劑，雖然整體會提高混凝土的抗折強度，但是其后期強度會慢慢下降，低于平均值，很難有效發揮纖維的增韌作用，如何來有效解決纖維混凝土后期強度下降成為下一步試驗的關鍵性問題。

摻加不同比例粉煤灰時水泥砂漿的抗彎強度發展規律

稱取砂1350g（粒徑介于0.16mm至5mm）、水240ml、普通硅酸鹽32.5號水泥540g、耐堿玻璃纖維20g、水238ml、高效減水劑8g。空白件是除不加入耐堿纖維和減水劑以外其他條件都相同的對比試件，實驗結果如表3所示。

從圖4可以看出，在加速養護的條件下，摻加30%粉煤灰玻璃纖維試件的抗彎強度在前3天內出現了下降，并在第3天達到最小值，其后強度開始上升，到達第11天后上升到最大。同樣，從圖5可以看出耐堿玻璃纖維在前3天內腐蝕最為嚴重，其后慢慢減輕并基本保持不變。

如圖6所示，在摻加40%粉煤灰的條件下，隨著水泥和粉煤灰的反應，水泥漿中的堿性減弱，并且纖維與水泥石的界面形成的保護層使耐堿纖維增韌作用進一步發揮，試件的抗折強度持續上升，直到第11天抗折強度仍然沒有下降。如圖7所示，纖維在前3天內腐蝕最為嚴重，但因為煤粉灰發揮的作用后期腐蝕緩慢。

對比分析摻加30%、40%粉煤灰的砂漿凈抗彎強度來看，有一個共同的規律，即加速腐蝕和緩慢腐蝕的時間節點相同，這是因為加速腐蝕的初期，水泥迅速水化反應，產生了大量的氫氧化物覆蓋在玻璃纖維表層，形成一個相對密閉的高堿度液區域，腐蝕玻璃纖維。隨著養護時間的增長，粉煤灰與氫氧化物反生反應，降低了玻璃纖維周圍的堿度。另一方面，隨著水泥及粉煤灰的反應形成凝膠，慢慢沉積在耐堿玻璃纖維表面，堿溶液與玻璃纖維的接觸逐漸減少，從而使得玻璃纖維的腐蝕大大的降低。

摻加粉煤灰的試件抗折強度明顯比未摻加粉煤灰的試件抗折強度高，粉煤灰說明可有效抑制水泥水化漿體對耐堿玻璃纖維的腐蝕。另外，通過上述數據對比分析可知，粉煤灰摻量為30%時比粉煤灰摻量為40%的凈抗折強度低。所以，在道路混凝土中摻加粉煤灰量為40%時最能發揮其活性作用，改善水泥水化漿體對纖維的腐蝕，使得抗折強度達到最優值。

圖4 摻30%粉煤灰的齡期與抗彎強度關系曲線

圖5 齡期與凈抗彎強度關系曲線

圖6 摻40%粉煤灰的齡期與抗彎強度關系曲線

圖7 齡期與凈抗彎強度關系曲線

表3 不同摻量粉煤灰砂漿試件的抗彎強度

結語

在混凝土中加入耐堿玻璃纖維之后，顯著地提高了混凝土的抗折能力，并且耐堿玻璃纖維的摻量為1.0kg/m3，混凝土抗折耐磨性能最好。

摻加粉煤灰后，纖維混凝土的初期強度有所下降，但后期強度慢慢增加。而且，摻加混合材的纖維混凝土較摻加前相比強度增長率均有很大提高，同時其抗彎強度增長率都要高于抗壓強度增長率，滿足道路混凝土耐久性的要求。

摻加粉煤灰能有效抑制水泥漿體對耐堿玻璃纖維的腐蝕。當粉煤灰的摻加量達到40%時，摻加耐堿玻璃纖維混凝土的耐久性能較高。

對于大摻量粉煤灰玻璃纖維混凝土的耐久性的研究由于時間關系不能深入分析，以后應進一步作實驗來檢測其長期強度和耐久性。然而，在本試驗的觀測范圍內可以看出，本試驗配比下耐堿玻璃纖維混凝土應用于道路工程是可行的，前景十分廣闊。