耐堿玻璃纖維在高性能混凝土中的增強效應研究

◎ 王豐年 王天天

1.德達交通建設發展集團有限公司；2.德州職業技術學院

與傳統的混凝土相比，高性能混凝土的工作性能、高強度和耐久性優良，不僅技術上擁有優勢，而且具有節能減排、經濟環保等顯著效益[1]。然而，高性能混凝土的脆性會隨著高性能強度的提高而增加，往往出現無征兆的破壞，這一弊端使其仍然不能成為理想的混凝土材料[2-3]。對于復雜的中型混凝土結構或者大型混凝土結構而言，上述弊端無疑增加了不穩定因素，阻礙了高性能混凝土的推廣使用。因其具有耐堿、抗腐蝕、抗沖擊、抗拉抗彎、抗凍抗裂和可設計性較強等優點，耐堿玻璃纖維可以替代傳統石棉和鋼材，作為增強混凝土性能的肋筋材料[4-6]。依靠自身的材料特性，耐堿玻璃纖維有效改善了高性能混凝土的性能，應用日益廣泛[7-9]。

為了研究不同耐堿玻璃纖維摻入量對高性能混凝土的性能的影響，本文通過對100多組不同耐堿玻璃纖維摻入量的高性能混凝土進行歷時200多天的9d、28d、60d、90d、200d五種不同齡期的無側限抗壓強度試驗、劈裂抗拉試驗以及抗折試驗，對其在抗壓強度、抗拉強度、抗折強度三個方面的增強效應進行了對比性分析研究，為耐堿性玻璃纖維在高性能混凝土中的推廣與應用奠定堅實的基礎。

1.試驗方案

1.1 試驗原材料

1）水泥：42.5級普通硅酸鹽水泥；

2）粉煤灰：I級粉煤灰；

3）礦粉：S95級礦粉；

4）細骨料：泰安市地區的汶河中砂，細度模數2.4；

5）粗集料：泰安市地區的5～25 mm碎石；

6）水：泰山市地區的飲用井水；

7）萘系高效減水劑：減水率20%—25%，摻量2.5%；

8）耐堿玻璃纖維：采用泰山玻璃纖維有限公司生產的長度為12mm耐堿性短切玻璃纖維，其主要的物理參數如表1所示。

表1 耐堿性短切玻璃纖維的主要物理參數

1.2 養護條件

1）標準養護：拆模后的高性能混凝土試件在溫度20±2°，相對濕度95%以上條件下養護直到測試齡期。

2）熱養護（加速老化）：試件在標準養護3d后，放入加熱養護箱（水養），以10°C/h升溫到60°C，保持60°C的恒溫直到測試齡期。

1.3 試驗條件

根據耐堿性玻璃纖維摻入順序的不同，分為先摻法、后摻法以及水摻法，本文采用先摻法，其成型工藝流程圖如圖1所示。

2.試驗結果與分析

2.1 無側限抗壓試驗結果分析

無側限抗壓試驗分別采用耐堿玻璃纖維摻量為0.0（A）、1.0（B）、1.5（C）、2.0（D）四種編號混凝土試件，在標準養護（9d、28d、60d、90d、200d齡期）和熱養護（1d、5d、10d、20d、25d齡期）條件下進行抗壓強度標準試驗，所測得抗壓強度變化曲線如圖2所示。

圖2 兩種養護條件下不同耐堿性玻璃纖維摻入量的混凝土抗壓強度隨齡期的變化曲線

可見，標準養護與熱養護條件下，相比不摻入耐堿玻璃纖維，摻入耐堿玻璃纖維之后，混凝土的9d、28d、60d、90d、200d抗壓強度無明顯提高，說明摻入耐堿玻璃纖維對于高性能混凝土抗壓強度增強作用不明顯，這是因為試件受到壓力作用時，抵抗壓力作用的大小主要取決于骨料的強度，耐堿玻璃纖維對抗壓強度的貢獻較少。

2.2 抗拉強度試驗結果分析

抗拉試驗同樣采用耐堿玻璃纖維摻量為0.0（A）、1.0（B）、1.5（C）、2.0（D）四種編號混凝土試件，在標準養護（9d、28d、60d、90d、200d齡期）和熱養護（1d、5d、10d、20d、25d齡期）條件下進行抗拉強度標準試驗，所測得抗拉強度變化曲線如圖3所示。

由圖3（a）可見，標準養護條件下，相比不摻入耐堿玻璃纖維，摻入耐堿玻璃纖維之后，混凝土的9d、28d、60d、90d、200d齡期的抗拉強度均有不同幅度的提高，其中1.5（C）組別的混凝土在各個齡期內抗拉強度值最大，說明摻入耐堿玻璃纖維可提高高性能混凝土的抗拉強度，這是因為標準養護條件下混凝土在承受抗拉強度時，高性能混凝土與耐堿玻璃纖維共同承受拉力作用，并且隨著齡期的增加，耐堿玻璃纖維增強越明顯，當高性能混凝土退出工作后，耐堿玻璃纖維仍能承受一定拉力，提高了混凝土的抗拉強度。

由圖3（b）可見，熱養護條件下在10d齡期之前，耐堿性玻璃纖維高性能混凝土的抗拉強度隨著齡期的增加而提高，熱養護10d時混凝土強度達到最大值，這說明熱養護早期提高了水泥的水化速度，提高了混凝土的早期強度，隨著齡期的增加，耐堿玻璃纖維增加效果越明顯。10d齡期之后混凝土的抗拉強度開始降低，這是因為雖然熱養護條件下摻入耐堿玻璃纖維提高了水泥石基體的致密性，摻入的耐堿玻璃纖維超過一定量后，減小了骨料與水泥石基體界面區的接觸面積，降低了界面區的強度，加之水泥水化作用產生了大量堿性物質，仍對耐堿玻璃纖維產生腐蝕作用，因此，混凝土的抗拉強度降低。

2.3 靜載抗折試驗結果分析

靜載抗折試驗同樣采用耐堿玻璃纖維摻量為0.0（A）、1.0（B）、1.5（C）、2.0（D）四種編號混凝土試件，在標準養護（9d、28d、60d、90d、200d齡期）和熱養護（1d、5d、10d、20d、25d齡期）條件下進行抗折強度標準試驗，所測得抗折強度變化曲線如圖4所示。

圖4 兩種養護條件下不同耐堿性玻璃纖維摻入量的混凝土抗折強度隨齡期的變化曲線

可見，相比不摻入耐堿玻璃纖維，摻入耐堿玻璃纖維之后，標準養護早期，混凝土抗折強度增幅較大，隨著養護齡期的增長，各組別混凝土試件的抗折強度增幅開始減小，其中1.5（C）組別的混凝土抗折強度在28d齡期之后始終保持最大值。這是因為耐堿玻璃纖維摻量較少時，耐堿玻璃纖維與水泥石集體之間難以起到提高粘結性作用，影響抗折強度的提高；耐堿玻璃纖維摻量超過一定量后，耐堿玻璃纖維在水泥石基體中的平均間距逐漸縮小，縮小到一定程度后，耐堿玻璃纖維之間出現搭接、交叉、纏繞、重疊現象，導致耐堿玻璃纖維與水泥石接觸面積減小，粘結性降低，影響抗折強度的提高。

熱養護條件下的抗折強度變化趨勢與熱養護條件下的抗拉強度變化趨勢相似。經過分析可知，造成這種強度變化趨勢的原因相同，在此不再贅述。

3.結論

基于無側限抗壓試驗、劈裂抗拉試驗與抗折試驗三種力學性能試驗，考慮摻入量、養護條件和養護齡期等影響因素，研究了耐堿玻璃纖維在高性能混凝土中的增強效應，主要結論包括：

（1）標準養護條件下，耐堿玻璃纖維作為摻入料摻入到高性能混凝土中，對于混凝土的抗壓強度無明顯增強效果，但能夠較大幅度地提高混凝土的抗拉強度與抗折強度。

（2）通過熱養護條件可以測定耐堿玻璃纖維混凝土的長期性能，通過三種力學性能試驗可以獲知，耐堿玻璃纖維在養護前期對混凝土有明顯的增強效應。但在養護后期由于水泥水化作用產生大量堿性物質，仍會對耐堿玻璃纖維產生腐蝕作用。

（3）通過對比分析三種力學性能試驗結果可知，耐堿玻璃纖維摻量也是影響混凝土增強效應的因素；基于本文中特定的試驗參數和條件，確定了HP耐堿玻璃纖維的最佳摻量為1.5kg/m3。