不同類型纖維增強混凝土的抗侵蝕性能研究

張秋明

(廣東大禹水利建設(shè)有限公司，廣東 汕頭 515000)

混凝土水工建筑物在水拖碎石的侵蝕磨損作用下，往往會受到其它力學(xué)因素的作用，如動載荷或多變量載荷[1]。在這種強烈的機械作用下，使用高強度混凝土并不總是成功的。為了提高水泥基質(zhì)對腐蝕性環(huán)境作用(包括機械作用)的抵抗力，通常需要向基質(zhì)中引入各種纖維[2]。

在水工結(jié)構(gòu)中，鋼纖維和合成纖維等的加入常用于沖擊載荷和多變量載荷的情況。纖維的加入具有阻止裂紋擴展，傳遞部分力，提高混凝土的抗彎強度、抗彎開裂能力、抗沖擊性能、抗疲勞性能、抗腐蝕性能和抗疲勞彈性模量和增強混凝土抗侵蝕、抗空化性能的作用[3-5]。然而，在不發(fā)生空化的情況下且水流以低于10m/s的速度拖拽碎石作用時，鋼纖維混凝土的磨損量較未摻加纖維的混凝土有所增加[6]。因此，在設(shè)計水工混凝土?xí)r，為了提高混凝土的抗沖蝕性能，在選擇添加劑時，不僅要考慮材料因素，還要考慮結(jié)構(gòu)中混凝土表面磨損的機理。

本文研究了不同類型纖維增強混凝土表面的磨料磨損機理。研究中模擬了磨料磨損的過程，模擬了低速下被水拖曳的碎石對水工建筑物的磨損。SEM技術(shù)和坐標(biāo)試驗機ECLIPSE使被測試件表面的精確成像，已被用于描述被測試混凝土的磨損表面。在所得結(jié)果的基礎(chǔ)上，制定了受試?yán)w維在遭受強烈碎石作用的水工結(jié)構(gòu)中的可用性標(biāo)準(zhǔn)。

1 材料與方法

1.1 纖維增強混凝土組成

根據(jù)研究方案，采用典型的鋼纖維和聚丙烯纖維對其進行改性，制備了抗壓強度約為100MPa的纖維增強混凝土。以CEM I 52.5R硅酸鹽水泥為原料，制備了本研究的混凝土摻合料。采用細(xì)度模數(shù)為2.5，比重為2.64%，吸水率為0.8%的天然河砂。使用了標(biāo)稱粒徑為16mm，比重為3.04%，吸水率為1%的連續(xù)分級破碎玄武巖集料。使用了比表面積為19000m2/kg，SiO2含量為92%的硅灰。所有混凝土混合物中均使用了一種基于聚羧基醚的高效減水劑。使用了2種類型的鋼纖維：

(1)纖維ME 30/50，截面為圓形，兩端彎折(鉤形)，長度為30mm，直徑0.50mm，長徑比=60，抗拉強度在1400MPa以上；

(2)纖維ME 50/1.0，截面為圓形，兩端彎折(鉤形)，長50mm，直徑1.0mm，長徑比為50，抗拉強度在1200MPa以上。

第三種纖維是聚丙烯纖維(PP)。纖維為原纖化纖維，長度19mm，拉伸強度310MPa以上，熔化溫度160℃。最后一種混合料是沒有任何纖維的高性能混凝土(HPC)，如圖1所示?；炷僚浜媳燃傲W(xué)性能見表1。

表1 混凝土配合比及性能試驗

圖1 用于鋼筋混凝土的纖維((a)聚丙烯纖維(PP)，(b)鋼纖維(ME 50/1.0)，(c)鋼纖維(ME 30/50))

1.2 測試程序

在水工建筑物的情況下，磨耗是由水?dāng)y帶的移動顆粒和混凝土表面之間的摩擦產(chǎn)生的。這些移動顆粒的大小各不相同，從粘土和粉砂(μm)到礫石(5～20mm)，甚至是大卵石(>200mm)。移動顆粒的硬度決定了它們對混凝土表面的破壞程度。水的速度不會改變磨損機制本身，但它會加速磨損。根據(jù)ASTM C 1138方法對混凝土的耐磨性能進行了評價。在內(nèi)徑305±6mm、高度450±25mm的鋼槽中，放置高度為100±13mm、直徑為300mm圓柱形試樣，待測面朝上。由臺鉆驅(qū)動的槳葉攪拌器使磨料以1200±100r/min(2.8～3.0m/s)的速度旋轉(zhuǎn)和渦流運動。作為磨料，選用65±5的洛氏硬鉻鋼，額定直徑為0.5、0.75、1.0mm。將球放置在試件表面，并將水澆在其上至165±5mm的水平，然后啟動攪拌器。

在72h內(nèi)，每隔12h測量一次質(zhì)量損失和平均磨損深度。在某些情況下，測試時間延長至120h，以研究是否需要延長測試時間，以便更好地區(qū)分高強混凝土不同程度的磨損損傷。

鑄造了3個高度為100mm、直徑為300mm的圓柱形試樣，用于評估每種混凝土的水下耐磨性。1d后拆除標(biāo)本，保存在20±3℃的水中。28d后，測試了表面拋光后的耐磨性。選取幾個150mm混凝土立方體進行抗壓強度測試。澆鑄后1d拆除，在飽和石灰水中浸泡28d。

利用CALYPSO和HOLOS-NT軟件和具有ST3壓電接觸頭的WMP ECLIPSE數(shù)控700×1000×500機床測量磨損引起的實際減量深度值。被檢測元素的模型是用IDEAS 10.0軟件創(chuàng)建的，該軟件允許以VDA格式寫入數(shù)據(jù)。測量前進行測點標(biāo)定、基準(zhǔn)系統(tǒng)和安全平面的確定。HOLOS-NT測量軟件利用之前創(chuàng)建的單元模型來測量樣品的表面。在選擇模型曲面時，同時定義測量點。HOLOS-NT程序允許在被測表面上均勻分布測量點，預(yù)先編程的測量點數(shù)量(試樣的6416個測試點)。測量點的坐標(biāo)及其與模型所確定的標(biāo)稱位置的偏差結(jié)果都寫入一個文件，其中包含名義和實際坐標(biāo)以及所有測量點的偏差，可以在CAD模型中表示。

2 結(jié)果及分析

混凝土水下磨耗試驗結(jié)果見表2。報告的強度、磨損損傷深度和質(zhì)量損失結(jié)果為3種試驗的平均值。

表2 水下磨耗實驗結(jié)果匯總表

根據(jù)圖2所示的磨損試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)摻加聚丙烯纖維的試件表現(xiàn)出最高的耐磨性，摻加鋼纖維ME50/1.0和不摻加纖維(HPC)的混凝土表現(xiàn)出最低的耐磨性。

圖2 混凝土試件磨損試驗結(jié)果

使用鋼纖維的高性能混凝土(ME 30/50和ME 50/1.0)會出現(xiàn)纖維從水泥基體中抽出的現(xiàn)象。在鋼纖維增強混凝土的磨料磨損過程中，磨料顆粒在混凝土表面的入射角α和鋼纖維在混凝土中的取向起著重要作用。在完成磨損試驗后，根據(jù)對纖維增強混凝土表面的宏觀觀察發(fā)現(xiàn)，由于磨料在暴露的纖維中的沖程，鋼纖維被切割并從基體中拔出(如圖3所示)。這種現(xiàn)象最常見的情況是磨粒垂直于纖維的縱向軸方向撞擊時，磨粒在混凝土表面的入射角較低(α≈15°)。

圖3 鋼纖維混凝土試件表面ME 50/1.0((1)壓痕纖維，(2)切割纖維)

鋼纖維(ME 30/50和ME 50/1.0)與聚丙烯纖維增強混凝土相比，混凝土的耐磨性下降。與鋼纖維相比，用聚丙烯纖維增強的混凝土耐磨性的提高與這些纖維與水泥漿體的粘附性較高有關(guān)。通過顯微觀察，包括帶纖維的試樣表面的形貌(SEM圖像)、X射線顯微分析(EDS)化學(xué)成分分析和BSE圖像觀察。聚丙烯纖維試樣的形貌觀察(SEM圖像)、成分觀察(BSE圖像)以及X射線顯微分析(EDS)均不能證實氫氧化鈣存在于纖維-漿料接觸區(qū)(如圖4所示)。

圖4 聚丙烯纖維磨損試驗后試樣表面的SEM顯微照片

試驗中使用的聚丙烯纖維比水泥顆粒的平均尺寸大幾倍，但與鋼纖維相比，聚丙烯纖維更松散，保水能力非常弱，與水泥基體一起形成致密結(jié)構(gòu)。此外，聚合物材料的表面能通常低于水的表面能。纖維-漿料接觸區(qū)未觀察到硅酸鹽，這排除了鋼纖維情況下水灰比局部增大的可能性，從而加劇了接觸區(qū)粘連。鋼球在試樣表面的沖擊作用導(dǎo)致了聚丙烯纖維的斷裂，證實了聚丙烯纖維與水泥基體的良好附著力。

本研究中，鋼纖維增強復(fù)合材料較未改性混凝土的耐磨性能下降，基體的磨蝕速度更快。這是因為鋼纖維剛度高、展弦比低，使纖維從基體中分層，在磨料沖擊下產(chǎn)生塑性變形，從而導(dǎo)致接觸區(qū)基體發(fā)生變形。

3 結(jié)語

(1)鋼纖維的添加并不能提高高強度混凝土在低速磨蝕作用下的抗侵蝕性能。

(2)鋼纖維鋼筋混凝土表面的磨損程度取決于纖維在試件上表面的放置位置和磨料混合物對纖維的入射角。

(3)聚丙烯纖維的加入使HPC混凝土的耐磨性有所提高，尤其是在試驗前48h。這有利于考慮對結(jié)構(gòu)鋼鋼筋進行更好的防腐蝕保護的可能性。