混雜纖維增強混凝土的力學和耐腐蝕性能研究*

侯瑩瑩

(1. 濰坊科技學院 建筑工程學院，山東 濰坊 262700； 2. 山東省高校設施園藝實驗室，山東 濰坊 262700)

0 引 言

鋼筋混凝土中鋼筋的腐蝕是導致其劣化的主要原因之一[1-2]。鋼筋混凝土由于經常暴露在機械載荷條件下，容易出現形變，一旦形成裂縫，水和侵蝕劑會加速滲透到混凝土中，降低混凝土材料的整體強度和剛度，從而加速腐蝕過程并縮短鋼筋混凝土使用壽命[3-6]。

混凝土的腐蝕行為和混凝土開裂具有一定相關關系[7]。研究表明，長期腐蝕行為與材料裂紋寬度之間的相關性不強[8]。因此裂紋寬度在0.1 mm以上作為抗腐蝕設計的方法不能完全解決腐蝕行為[9]。M. Boulfiza等[10]通過建模來確定混凝土開裂和未開裂的有效滲透率，從0.1～0.3 mm的裂紋寬度變化對滲透率的影響較小(相對差異約為5倍)，然而破裂基質(0.1 mm)和未破裂基質的有效滲透率表現出巨大差異性，其中未破裂的基質具有較低的滲透性。A.Mohammed等[11]研究了在鋼筋混凝土梁中開裂和未開裂段上發生的微觀電池和宏觀電池腐蝕行為，實驗發現，與未開裂相比，開裂段中的腐蝕速率更高。

目前，應用于腐蝕環境中的混凝土材料，通常采用提高混凝土基體的抗裂性，來防止腐蝕性物質進入導致的加速腐蝕[12-13]。研究人員已研究了具有鋼纖維和聚丙烯纖維增強混凝土復合材料的開裂特性，用海水浸漬相對低劑量(Vf= 0.2%(體積分數))的聚丙烯纖維增強混凝土材料，并對其進行研究，在沒有聚丙烯纖維的樣品中，腐蝕效率更快[14-18]。與普通混凝土相比，鋼纖維和聚丙烯纖維增強混凝土的腐蝕效率明顯減緩[19-21]。然而對鋼纖維和聚丙烯纖維混合增強混凝土材料的研究并不多，而且纖維增強混凝土材料耐腐蝕的機理研究目前也沒有定論。

本文研究了鋼纖維增強混凝土(SFRC)和聚丙烯纖維增強混凝土(PFRC)分別在纖維體積分數為0.5%，1.0%，1.5%和0.1%，0.2%，0.3%時，材料的壓縮韌性和沖擊韌性，以及混雜纖維增強混凝土(HFRC)的壓縮韌性和沖擊韌性。同時，研究了混雜纖維增強混凝土的耐硫酸鹽腐蝕性能及其腐蝕機理。

1 實 驗

1.1 原材料

硅酸鹽水泥P.O42.5和粉煤灰，購自北京嘉信杰建材有限公司，水泥和粉煤灰的化學成分如表1所示；聚羧酸高效減水劑，購自山東三美硅材料有限公司；鋼纖維和聚丙烯纖維，購自泰安同宏纖維有限公司，其性能參數如表2所示。

表1 水泥和粉煤灰的化學組成

表2 鋼纖維和聚丙烯纖維的性能

1.2 樣品的制備

壓縮試驗試樣尺寸為100 mm×100 mm×300 mm，沖擊試驗試樣尺寸為φ150 mm×60 mm，按照尺寸制備樣品，然后靜置24 h后脫模。為使纖維均勻分散，混合過程分為兩階段。首先將纖維、水泥、粉煤灰和集料在攪拌機中攪拌3 min，然后在混合物中加入水和高效減水劑繼續攪拌3 min；接著，將樣品在(20±2)℃的溫度和95%的相對濕度下固化28 d；最后，進行壓縮試驗和沖擊試驗。

1.3 混凝土配合比設計

混凝土配合比如表3所示,水灰比為0.46。在混凝土中摻入粉煤灰和高效減水劑，以保證混凝土具有良好的加工性能。鋼纖維的體積分數分別為0.5%，1.0%和1.5%，聚丙烯纖維的體積分數分別為0.1%，0.2%和0.3%。

表3 混凝土配合比

1.4 性能與檢測

采用YE-600 型液壓材料試驗機液壓試驗機進行單軸壓縮試驗，記錄混凝土的荷載和應變，根據抗壓強度分析材料的抗壓性能。

根據GB/T14153，采用LC-2000型落錘式沖擊試驗機進行落錘沖擊試驗，以評估纖維混凝土的沖擊韌性，耐沖擊性可以通過產生初裂紋的沖擊次數和最終破壞的沖擊次數來評估。從457 mm的高度落下4.5 kg的落錘，沖擊力從直徑64 mm的球傳遞到混凝土試樣。反復地將錘子落下，記錄在試樣頂部表面上出現可見裂紋和試樣最終破壞的沖擊次數。

采用日立S4800掃描電子顯微鏡觀察材料微觀形貌；采用GP/FTIR-1500傅里葉變換光譜儀對混凝土進行測試；采用硫酸鈉鹽浸泡腐蝕法測試混凝土耐腐蝕性能，硫酸鈉溶液濃度為5%(質量分數)，試塊標準養護28 d后放進腐蝕溶液中浸泡7和14 d后取出，測試其抗壓強度，并與普通純混凝土抗壓強度進行對比。

2 結果與討論

2.1 試件的抗壓強度分析

圖1為不同摻雜的纖維增強混凝土樣品的抗壓強度。從圖1可以看出，纖維增強混凝土樣品的抗壓強度均高于未添加纖維樣品，其中，PF0.3、SF1.5和SF0.5/PF0.3樣品的抗壓強度均低于PF0.2、SF0.2和SF0.5/PF0.2樣品，抗壓強度最好的摻雜量為SF0.5/PF0.2樣品。由圖1可知，SF和PF的摻雜能顯著提高混凝土的抗壓強度，混雜纖維增強混凝土抗壓強度提升更明顯，隨著纖維體積分數的增大，纖維增強混凝土的抗壓強度呈現先增大后降低的趨勢。這可能是由于隨著纖維含量的增加，纖維增強混凝土樣品的分散性變差導致的。

圖1 試件的抗壓強度Fig 1 Compressive strength of the test piece

2.2 落錘沖擊試驗

纖維增強混凝土樣品的落錘沖擊試驗結果，如圖2所示。從圖2可以看出，纖維增強混凝土樣品出現初始裂紋所需的沖擊次數和斷裂沖擊次數均高于未添加纖維樣品。其中， SF1.5、PF0.3和SF1.0/PF0.2樣品出現初裂紋的沖擊次數分別為33，30和41，分別比普通混凝土增加了120%，100%和173%；SF1.5、PF0.3和SF1.0/PF0.2樣品的最終斷裂沖擊次數分別為44，42和58，分別比普通混凝土增加了144%，133%和222%。由圖2可知，隨著纖維體積分數的增大，出現初始裂紋所需的沖擊次數和斷裂沖擊次數均顯著增加,這可能是因為SF在基體中起到橋聯作用，而PF能有效抑制微裂紋的擴展。

圖2 落錘沖擊試驗結果Fig 2 Drop weight test results

2.3 耐硫酸鹽腐蝕性能研究

表4為纖維增強混凝土樣品的耐硫酸鹽腐蝕性能。由表4可知，單摻PF混凝土PF0.1、PF0.2和PF0.3樣品相對于普通混凝土的7 d耐抗腐蝕系數分別提高了2.98%，14.82%和4.83%；單摻SF混凝土SF0.5、SF1.0和SF1.5樣品相對于普通混凝土的7 d耐抗腐蝕系數分別提高了10.9%，2.63%和10.29%。對于單摻PF混凝土樣品，摻雜率為0.2%時的單摻PF混凝土材料7 d耐抗腐蝕系數最優，耐抗腐蝕系數為93.89%；對于單摻SF混凝土樣品，7和14 d耐抗腐蝕系數隨著摻雜量的提高逐漸升高。對于混雜纖維增強混凝土，SF0.5/PF0.1、SF0.5/PF0.2、SF0.5/PF0.3和SF1.0/PF0.2樣品的7 d耐抗腐蝕系數相比普通混凝土分別提高了13.89%、15.45%、17.04%和15.2%，SF0.5/PF0.3樣品的耐抗腐蝕系數最優，7 d耐抗腐蝕系數為96.11%，14 d耐抗腐蝕系數為92.38%。

表4 耐硫酸鹽腐蝕性能

2.4 耐腐蝕機理研究

圖3為纖維增強混凝土樣品的吸水率。從圖3可以看出，纖維摻雜增強混凝土樣品的吸水率均低于未摻雜樣品的吸水率。由表4可知，混合纖維摻雜混凝土樣品的耐抗腐蝕系數最高，吸水率最低。吸水率越高，混凝土樣品的抗硫酸鹽腐蝕能力越差，說明纖維增強混凝土樣品抗硫酸鹽腐蝕能力與吸水率具有較強的相關關系。SF本身不耐硫酸鹽腐蝕，而且SF增強混凝土吸水率高，說明基體裂紋多，腐蝕性硫酸鹽和水泥的反應就快，抗硫酸鹽腐蝕性能就不好，即吸水率越高，混凝土的抗硫酸鹽腐蝕能力越差。PF屬于低彈性模量纖維，并且PF本身具有非常好的抗硫酸鹽腐蝕性能，PF能夠更加均勻地分散于混凝土樣品內部，形成一張可靠的三維網格體系，可以很好地阻止混凝土內部的微裂紋產生與擴展，水泥裂紋少，腐蝕性硫酸鹽和水泥的反應就慢，SF與PF混合后加入混凝土基體中PF仍然發揮它的優勢作用，很好地阻止混凝土內部的微裂紋產生與擴展。因此，混雜纖維增強混凝土樣品的抗硫酸鹽腐蝕能力高于單摻PF混凝土樣品和單摻SF混凝土樣品。

圖3 纖維增強混凝土樣品的吸水率Fig 3 Water absorption of fiber reinforced concrete samples

圖4 纖維增強混凝土樣品14 d硫酸鹽浸泡后的FT-IR圖Fig 4 FT-IR spectra of fiber reinforced concrete sample after 14 d sulfate immersion

2.5 鋼纖維腐蝕研究

在SF彎頭處，由于應力集中，是SF最容易受腐蝕的位置。圖5為SF0.5/PF0.3混凝土樣品中鋼筋在14 d硫酸鹽浸泡后的SEM形貌圖。從圖5可以看出，經過硫酸鹽腐蝕14 d后SF彎頭處未見明顯腐蝕，說明混雜纖維增強混凝土耐腐蝕性能良好，樣品中最易腐蝕的SF彎頭處并未發生腐蝕。

圖5 SF0.5/PF0.3混凝土樣品中鋼筋的SEM圖Fig 5 SEM images of reinforcement in SF0.5/PF0.3 concrete sample

3 結 論

研究了SF與PF的混雜作用對纖維增強混凝土性能的影響。通過壓縮試驗和落錘沖擊試驗研究了纖維增強混凝土樣品的壓縮韌性和沖擊韌性，并探討了樣品的耐硫酸鹽腐蝕性能及耐腐蝕機理，得出以下結論：

(1)隨著摻雜纖維體積分數的增大，混雜纖維增強混凝土的抗壓強度呈現先升高后減弱的趨勢，SF0.5/PF0.2混凝土樣品抗壓強度最優。

(2)隨著摻雜纖維體積分數的增大，出現初裂紋所需的沖擊次數和斷裂沖擊次數均顯著增加， SF1.0/PF0.2混凝土樣品耐沖擊性能最優，比未摻雜纖維的普通混凝土樣品增加了173%。

(3)纖維的摻加有助于提高混凝土抗硫酸鹽腐蝕能力，SF0.5/PF0.3混凝土樣品的7 d耐抗腐蝕系數最高，可以達到96.11%。

(4)吸水率越高，混凝土的抗硫酸鹽腐蝕能力越差，說明纖維增強混凝土樣品抗硫酸鹽腐蝕能力與吸水率具有較強的相關關系。SF與PF混合后加入混凝土基體中PF仍然發揮它的優勢作用，很好地阻止混凝土內部的微裂紋產生與擴展。因此，混雜纖維增強混凝土樣品的抗硫酸鹽腐蝕能力高于單摻PF混凝土樣品和單摻SF混凝土樣品。

(5) FT-IR和SEM分析可知，14 d硫酸鹽浸泡后，SF0.5/PF0.3混凝土樣品中存在較多的石灰石，抗硫酸鹽腐蝕能力較好；樣品中最易腐蝕的SF彎頭處并未發生腐蝕，混雜纖維增強混凝土耐腐蝕性能良好。