硫酸鹽干濕循環(huán)作用下纖維混凝土力學(xué)性能研究

王 飛

(1.中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)十五工程局有限公司，陜西 西安 710000，2.陜西秦海檢測(cè)科技有限公司，陜西 西安 712000)

0 引言

硫酸鹽對(duì)混凝土的腐蝕是較嚴(yán)重的危害之一，針對(duì)如何防止自然環(huán)境中的硫酸鹽對(duì)混凝土的腐蝕，學(xué)者們進(jìn)行了多方面研究。關(guān)喜彬[1]研究了凍融循環(huán)周次對(duì)混雜纖維混凝土孔結(jié)構(gòu)影響，研究結(jié)果表明：隨著凍融循環(huán)周期的增加，混雜纖維混凝土抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度較凍融前明顯降低，凍融損傷量增大；趙雅明等[2]對(duì)混雜纖維增強(qiáng)高強(qiáng)混凝土性能進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：混雜纖維降低了混凝土的工作性，但提高了混凝土抗裂性能；韓亞兵[3]對(duì)城市軌道交通隧道混雜纖維高性能混凝土耐久性能試驗(yàn)進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：混摻玄武巖纖維和鋼纖維的高性能混凝土的抗硫酸鹽腐蝕能力，較單摻纖維的混凝土有顯著提高，混凝土中適量的摻入玄武巖纖維或鋼纖維可有效提高高性能混凝土的抗凍能力；徐超[4]，辛明等[5]對(duì)玄武巖-聚丙烯纖維混凝土抗硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：在混凝土中適量摻入纖維能夠提升混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力。

根據(jù)以上學(xué)者對(duì)玄武巖纖維和聚丙烯纖維混雜混凝土的研究，模擬硫酸鹽腐蝕環(huán)境，采用玄武巖纖維和聚丙烯纖維混凝土進(jìn)行不同比例的混合，將制成的纖維混凝土作為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)纖維混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行研究。

1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目位于山東半島東端，規(guī)劃在黃海海岸劃分部分區(qū)域建設(shè)海域養(yǎng)殖基地，基地內(nèi)擬建漁船停靠碼頭，采用的纖維混凝土極易受到海水中硫酸鹽的腐蝕，對(duì)纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度要求較高，對(duì)此，本文模擬硫酸鹽腐蝕環(huán)境，采用玄武巖纖維和聚丙烯纖維不同比例的混合，將制成的纖維混凝土作為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)纖維混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)以不摻入纖維的素混凝土為基準(zhǔn)混凝土，基準(zhǔn)混凝土采用水泥、粗骨料、細(xì)骨料、和攪拌用水制成，配合比見(jiàn)表1。水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，粗骨料為天然碎花崗石，粒徑為5～18mm，細(xì)骨料為優(yōu)質(zhì)河砂，粒徑為0.25～0.6mm，砂率為36.5%，水為普通生活用水。

表1 基準(zhǔn)混凝土的配合比 單位：kg/m3

試驗(yàn)采用的纖維混凝土為玄武巖纖維混凝土和聚丙烯纖維混凝土，玄武巖纖維為高彈模量，聚丙烯纖維為低彈模量，2種纖維的物理性能見(jiàn)表2。

表2 纖維的物理性能

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)制備普通混凝土和纖維混凝土共10種類(lèi)型，纖維混凝土中玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比分別為1∶1、1∶2、2∶1，纖維體積摻量分別為0.06%、0.12%、0.18%。將制備好的不同種類(lèi)的混凝土試件分為3組，每組10個(gè)，各種類(lèi)型各1個(gè)，共30個(gè)。將制備好的混凝土拆除模具后，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行28d的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后對(duì)混凝土試件進(jìn)行硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)。

將達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期的混凝土試件從養(yǎng)護(hù)室取出，自然晾干，取表面平整的試件放入方形玻璃容器中，每個(gè)試件擺放間距為25mm。混凝土試件擺放完成后，將5%的硫酸鈉溶液注入玻璃容器中，當(dāng)溶液表面高于試件50mm時(shí)，停止注入溶液。然后將容器采用透明薄膜密封，防止容器中硫酸溶液揮發(fā)，影響試驗(yàn)精度。混凝土試塊在溶液中浸泡5d后，取出試件，放在室內(nèi)進(jìn)行5d自然晾干，將此步驟作為1個(gè)干濕循環(huán)周期，再重復(fù)進(jìn)行相同的操作。試驗(yàn)過(guò)程中每隔30d更換1次溶液，確保硫酸鈉溶液濃度為5%，經(jīng)過(guò)12個(gè)干濕循環(huán)周期后，觀察混凝土的表面變化，對(duì)干濕循環(huán)結(jié)束后混凝土試件進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 混凝土的抗壓強(qiáng)度

素混凝土及纖維混凝土的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得纖維混凝土(玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比1∶1)的抗壓強(qiáng)度曲線，及各類(lèi)混凝土硫酸鹽干濕循環(huán)下的抗壓強(qiáng)度對(duì)比曲線，如圖1所示。

表3 素混凝土及纖維混凝土的試驗(yàn)結(jié)果

如圖1(a)所示，在自然環(huán)境條件下，纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度均大于素混凝土。隨著纖維摻量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度先增大再減小。當(dāng)纖維摻量為0.06%時(shí)，自然環(huán)境下纖維混凝土和腐蝕環(huán)境下纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為44.6、49.4MPa；當(dāng)纖維摻量為0.12%時(shí)，2類(lèi)混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為49.2、53.2MPa；當(dāng)纖維摻量為0.18%時(shí)，2類(lèi)混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為49.1、50.6MPa。纖維摻量為0.12%的混凝土抗壓強(qiáng)度最大，相較素混凝土，強(qiáng)度提高了9.2%。由此可知，混凝土摻量0.12%的纖維可以有效的提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。

如圖1(b)所示，對(duì)照表3所列數(shù)據(jù)，素混凝土的抗壓強(qiáng)度最小，最小值為40.2MPa，當(dāng)混凝土中摻入纖維后，其抗壓強(qiáng)度較素凝土，均增大明顯。當(dāng)玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比2∶1、纖維摻量為0.12%時(shí)，制成的纖維混凝土抗壓強(qiáng)度最大，最大值為49.8MPa，其次為玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比1∶1的纖維混凝土，抗壓強(qiáng)度為49.6MPa。由此可知，素混凝土摻入合適比例的纖維，能有效的提高混凝土的抗壓強(qiáng)度[6-7]。

由圖1可知，摻入纖維的混凝土，抗壓強(qiáng)度均大于素混凝土，纖維摻量為0.12%的混凝土抗壓強(qiáng)度最大。當(dāng)纖維摻量為0.12%、玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比為2∶1時(shí)，制成的纖維混凝土抗壓強(qiáng)度最大，玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比為1∶1時(shí)，制成的纖維混凝土抗壓強(qiáng)度次之。

3.2 混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得纖維混凝土(玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比1∶1)的劈裂抗拉強(qiáng)度曲線，及各類(lèi)混凝土硫酸鹽干濕循環(huán)下的劈裂抗拉強(qiáng)度對(duì)比曲線，如圖2所示。

如圖2(a)所示，在自然環(huán)境條件下，纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度均大于素混凝土。隨著纖維摻量的增加，混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度均逐漸增大。當(dāng)纖維摻量為0.06%時(shí)，自然環(huán)境下纖維混凝土和腐蝕環(huán)境下纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度分別為3.6、3.1MPa；當(dāng)纖維摻量為0.12%時(shí)，2類(lèi)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度分別為3.8、3.6MPa；當(dāng)纖維摻量為0.18%時(shí)，2類(lèi)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度分別為4.2、4MPa。纖維摻量為0.18%的混凝土抗拉強(qiáng)度增加明顯，相較素混凝土，抗拉強(qiáng)度提高了23.5%。纖維摻量為0.06%、0.12%的混凝土抗拉強(qiáng)度相較素混凝土，抗拉強(qiáng)度分別提高了5.8%、11.7%。由此可知，混凝土摻入0.18%的纖維，其抗拉強(qiáng)度最大，混凝土摻入0.12%的纖維，其抗拉強(qiáng)度次之。

如圖2(b)所示，素混凝土的抗拉強(qiáng)度最小，最小值為2.46MPa，當(dāng)混凝土中摻入纖維后，其劈裂抗拉強(qiáng)度均大于素混凝土，當(dāng)玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比1∶1、纖維摻量為0.18%時(shí)，制成的纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度最大，最大值為4MPa，其次為玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比2∶1、纖維摻量為0.18%的纖維混凝土，其抗壓強(qiáng)度為3.93MPa。由此可知，素混凝土摻入合適比例的纖維，能有效的提高混凝土的抗劈裂強(qiáng)度。

由圖2可知，纖維混凝土抗劈裂強(qiáng)度均大于素混凝土，纖維摻量為0.18%的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度最大，當(dāng)纖維摻量為0.18%、玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比為1∶1時(shí)，制成的纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度最大，玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比為2∶1時(shí)，制成的纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度次之。

3.3 混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得纖維混凝土(玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比1∶1)的軸心抗壓強(qiáng)度曲線，及各類(lèi)混凝土硫酸鹽干濕循環(huán)下的軸心抗壓強(qiáng)度對(duì)比曲線，如圖3所示。

圖3 混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度

如圖3(a)所示，在自然環(huán)境條件下，纖維混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度均大于素混凝土。隨著纖維摻量的增加，自然環(huán)境下的纖維混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度先減小再增大，然后再減小，腐蝕環(huán)境下的軸心抗壓強(qiáng)度先增大再減小。在玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比為1∶1條件下，當(dāng)纖維摻量為0.12%時(shí)，混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度最大，相較素混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度增加了9.4%。腐蝕環(huán)境條件下，當(dāng)玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比為1∶1、纖維摻量分別為0.05%、0.12%、0.18%時(shí)，混凝土的軸心抗壓較素混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度分別增加了7.2%、19.3%、13.5%。由此可知，纖維摻量為0.12%的纖維混凝土，軸心抗壓強(qiáng)度最大，纖維摻量為0.06%的纖維混凝土，軸心抗壓強(qiáng)度次之。

如圖3(b)所示，隨著纖維摻量的增加，混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度均逐漸增大，玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比為2∶1、纖維摻量為0.18%時(shí)，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度最大，當(dāng)玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比為1∶1、纖維摻量為0.12%時(shí)，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度次之。由此可知，玄武巖纖維混合比的增大，能有效增加混凝土軸心抗壓強(qiáng)度。

由圖3可知，玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比為1∶1條件下，纖維摻量為0.12%的纖維混凝土，軸心抗壓強(qiáng)度最大，纖維摻量為0.06%的纖維混凝土，軸心抗壓強(qiáng)度次之。當(dāng)玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比為2∶1、纖維摻量為0.18%時(shí)，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度最大，當(dāng)玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比為1∶1、纖維摻量為0.12%時(shí)，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度次之。

4 結(jié)論

本文通過(guò)模擬硫酸鹽腐蝕環(huán)境，采用玄武巖纖維和聚丙烯纖維混凝土進(jìn)行混合，制成纖維混凝土，進(jìn)行硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)，分析纖維混凝土的力學(xué)性能，結(jié)果表明：混凝土中適量摻入纖維，可提高混凝土抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度。纖維摻量為0.12%的混凝土抗壓強(qiáng)度最大。當(dāng)纖維摻量為0.12%、玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比為2∶1時(shí)，制成的纖維混凝土抗壓強(qiáng)度最大；當(dāng)纖維摻量為0.18%、玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比為1∶1時(shí)，制成的纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度最大；玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混合比為2∶1、纖維摻量為0.18%時(shí)，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度最大。