孟思宇，左俊卿，王 超

(1.中冶天工上海十三冶建設(shè)有限公司城市建設(shè)分公司，上海200901;2.同濟大學(xué)先進土木工程材料教育部重點實驗室，上海201804;3.香港科技大學(xué)土木及環(huán)境工程系，香港九龍999077)

纖維增強混凝土(或簡稱纖維混凝土)，是以水泥漿、砂漿或混凝土為基材，以金屬材料、無機材料或有機纖維為增強材料組成的一種水泥基復(fù)合材料，它是將短而細的，具有高抗拉強度、高極限延伸率、高抗堿性等良好性能的纖維均勻地分散在混凝土基體中形成的一種新型建筑材料[1]。纖維材料的加入，將抑制混凝土早期塑性裂縫的產(chǎn)生，并限制外力作用下水泥基材料中裂縫的擴展，對提高混凝土抗?jié)B、抗凍、抗碳化等耐久性有一定的促進作用[2～4]。常見的增強纖維有尼龍纖維、鋼纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維、碳纖維和玻璃纖維等，但在工程中廣泛應(yīng)用的纖維以鋼纖維和聚丙烯纖維居多，隨著近年來玻璃纖維的改性成功，其在工程中具有越來越大的應(yīng)用前景。本文采用快凍試驗法研究摻加不同纖維的混凝土在凍融循環(huán)過程中的質(zhì)量變化和凍融前后抗壓強度的變化，并進行碳化試驗，來對比各種纖維對混凝土耐久性的影響。

1 不同纖維對混凝土抗凍性影響

1.1 試驗原材料及方法

水泥為中國水泥廠生產(chǎn)的海螺牌P.O42.5水泥;砂:中砂，細度模數(shù)為2.6，質(zhì)量符合GB/T14685－93建筑用砂國家標(biāo)準;石子:5mm～25mm連續(xù)級配，質(zhì)量符合GB/T14685－93建筑卵石碎石國家標(biāo)準;水:清潔飲用水;纖維:玻璃纖維1種，聚丙烯纖維2種(以聚丙烯纖維Ⅰ和聚丙烯纖維Ⅱ區(qū)分)，鋼纖維1種，其基本物理性能見表1。

表1 4種纖維基本物理性能

混凝土抗凍性試驗按《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL352－2006)進行，采用快凍試驗法。以C50為配合比設(shè)計基礎(chǔ)，要求坍落度達到180mm～220mm，并以此配合比為基準配合比，通過摻加各種推薦摻量的纖維作為纖維混凝土的配合比，各試樣的配合比見表2，制作的試件尺寸為100mm×100mm×100mm。凍融試驗前試件在(20±3)℃的水中浸泡4d，然后擦去表面水后，用天平稱其重量。采用混凝土快速凍融試驗機，對試件在飽和水狀態(tài)下進行快速凍融試驗。在凍結(jié)和融化終了時試件中心溫度分別控制在－(17±2)℃和(8±2)℃之間，每次凍融循環(huán)在2.5h～4h內(nèi)完成，用于融化的時間不少于整個凍融時間的1/4。每種纖維摻量的試件3個一組，分別經(jīng)過凍融循環(huán)25、50、75、100次后，從凍融箱中取出試件盒，小心將試件從試件盒中取出，沖洗干凈擦去表面水分后，稱量其質(zhì)量，并在100次凍融循環(huán)后測試試件的抗壓強度。

表2 各組試驗配合比 /kg/m3

1.2 試驗結(jié)果與分析

1.2.1 混凝土抗剝落性能試驗 混凝土凍融破壞首先表現(xiàn)為表層剝落，由表及里進行凍害損傷。原因在與混凝土表面層含水率通常大于其內(nèi)部含水率，且受凍時表面的溫度低于內(nèi)部的溫度，所以在內(nèi)外溫度應(yīng)力場作用下凍害往往是由表面層開始逐步深入向內(nèi)發(fā)展。故探尋混凝土的剝落機理，對提高混凝土的抗剝落性能及其耐久性具有非常重要的意義?；炷恋目箘兟湫阅苡没炷恋闹亓繐p失率(時間凍融前后重量之差與試件凍融前重量的比值)表示。對不同纖維的混凝土進行試驗研究，試驗結(jié)果見表3。

表3 各個凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土的質(zhì)量損失率 /%

根據(jù)表3繪質(zhì)量損失率絕對值與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線可得圖1。

圖1 各組混凝土質(zhì)量損失率絕對值與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

由圖1可得，各組混凝土的凍融試塊隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加質(zhì)量并未損失，反而有一定程度的增加。這是因為基準混凝土的強度很高，達到50MPa以上，凍融循環(huán)并未造成其內(nèi)部和表面破壞，但凍融循環(huán)造成試件內(nèi)部裂隙加大，這些裂隙吸收液態(tài)水的質(zhì)量大于表面漿體層脫落的質(zhì)量(本次試驗中試件表面完好，因此表面漿體層未有明顯脫落)，從而引起試件質(zhì)量的增加。從圖1中還可發(fā)現(xiàn)，在不同凍融循環(huán)次數(shù)下，各種纖維表現(xiàn)出了一致的規(guī)律，質(zhì)量增加率始終是:鋼纖維混凝土＜玻璃纖維混凝土＜基準混凝土＜聚丙烯纖維混凝土(2種聚丙烯表現(xiàn)出了一致的規(guī)律)。在相同的凍融循環(huán)次數(shù)情況下，其裂隙加大的體積應(yīng)大致相當(dāng)，而鋼纖維混凝土和玻璃纖維混凝土的質(zhì)量增加小于基準混凝土，可見鋼纖維和玻璃纖維的摻入確可減小由凍融引起的裂隙體積的加大，而聚丙烯纖維混凝土增加的質(zhì)量大于基準混凝土，并不能說明聚丙烯纖維的摻入導(dǎo)致裂縫加大的體積更多，這里多增加的質(zhì)量可能是由于聚丙烯纖維自身吸收了更多的水所致[5]。

1.2.2 各組混凝土凍融前后抗壓強度 不同纖維混凝土28d齡期和凍融循環(huán)100次后立方體抗壓強度對比表見表4，柱狀圖如圖2。

表4 各組混凝土凍融前后抗壓強度

由圖2可以看出，各組混凝土在經(jīng)歷100次凍融循環(huán)后，其抗壓強度與標(biāo)準條件養(yǎng)護28d后的抗壓強度相比均有所下降。其中基準混凝土下降最大，達到14.7%;兩種聚丙烯纖維、玻璃纖維和鋼纖維混凝土的強度損失依次為 9.7%、8.2%、6.7%和 4.0%，可見與不含纖維的基準混凝土相比，摻入纖維能明顯降低由凍融引起的抗壓強度損失。就纖維品種而言，在100個凍融循環(huán)下，鋼纖維混凝土展示出了最優(yōu)的抗凍性能，玻璃纖維混凝土次之，聚丙烯纖維提高效果最差，這個和混凝土的凍融循環(huán)下混凝土的質(zhì)量損失率有一定的正相關(guān)性，由于聚丙烯纖維混凝土在凍融循環(huán)過程中吸收了更多的水分，凍融作用下水的膨脹應(yīng)力必將對混凝土造成一定的損害，從而導(dǎo)致其強度的降低。

圖2 各組混凝土凍融前后抗壓強度

2 不同纖維混凝土碳化性能研究

2.1 試驗原材料及方法

試樣配合比同表2，試件尺寸為100mm×100mm×100mm?；炷撂蓟囼灠础端せ炷猎囼炓?guī)程》(SL352－2006)進行，碳化試驗前試件在(60±2)℃的烘箱中烘干48h，然后直接移入CO2濃度為(20±3)%、溫度為(20±5)℃、相對濕度為(70±5)%的標(biāo)準碳化試驗箱中進行碳化試驗。碳化至規(guī)定齡期，從碳化試驗箱中取出試件，用壓力機把試塊劈開，清潔表面粉末，并立即噴上濃度為1%酚酞乙醇溶液，約30s后，按每10mm一個測量點測出斷面各點的碳化深度。

2.2 試驗結(jié)果與分析

各組試件碳化齡期分別為3d、7d、14d和28d的碳化數(shù)據(jù)見表5。

表5 各組纖維混凝土不同碳化齡期的碳化深度/mm

由表5得圖3。由圖3可以看出，各組混凝土的碳化深度均隨著碳化齡期的增加而增長，玻璃纖維和兩種聚丙烯纖維混凝土的碳化深度均明顯小于同期基準混凝土，在28d碳化齡期，聚丙烯纖維Ⅰ混凝土的碳化深度較基準混凝土降低了14.3%，聚丙烯纖維Ⅱ混凝土降低了11.4%，玻璃纖維混凝土降低了10%，聚丙烯纖維對混凝土碳化的改善強于玻璃纖維，鋼纖維對混凝土碳化深度的改善有限，較接近基準混凝土。

圖3 各組混凝土碳化深度－碳化齡期關(guān)系圖

纖維改善混凝土的抗碳化能力，一般認為是由于混凝土中加入纖維以后，纖維均勻分布在水泥砂漿中，彼此相連形成網(wǎng)絡(luò)，抑制骨料下沉，阻礙混凝土拌合物離析，降低混凝土的泌水，從而減少了混凝土中的孔隙通道;同時，大量分布在砂漿中的纖維會使砂漿中的毛細孔變小，毛細管細化甚至堵塞，另外，纖維的加入減少或阻止了混凝土中裂縫的形成、生長及擴展，并阻斷裂紋的連通，也就是說，在纖維混凝土中，纖維削弱了CO2的擴散途徑，抑制了CO2的擴散，故纖維混凝土的抗碳化能力高于基準混凝土[6]。玻璃纖維和聚丙烯纖維混凝土的抗碳化能力好于鋼纖維，是因為鋼纖維本身密度較高，且直徑較粗，即使在同體積混凝土所含鋼纖維體積率較大，鋼纖維的纖維間距也明顯高于聚丙烯纖維和玻璃纖維。

各纖維混凝土中，纖維的體積率分別為:兩種聚丙烯纖維混凝土0.099%，玻璃纖維混凝土0.037%，鋼纖維混凝土0.449%。根據(jù)Romualdi提出的纖維間距理論[7]，按式(1)計算纖維間距，聚丙烯纖維Ⅰ混凝土中纖維間距為0.557mm，聚丙烯纖維Ⅱ混凝土纖維間距為1.973mm，玻璃纖維混凝土纖維間距為1.004mm，可見聚丙烯纖維Ⅰ的纖維間距明顯小于玻璃纖維，其對毛細管細化和阻塞作用更明顯;聚丙烯纖維Ⅱ纖維間距大于玻璃纖維，但其對混凝土抗碳化能力的改善也強于玻璃纖維，可能是由于聚丙烯纖維Ⅱ使新拌混凝土具有更好的黏聚性，降低了混凝土的離析和泌水，從而減少了混凝土中的孔隙通道。

式中，df—纖維直徑;p—纖維體積百分數(shù)，p=100ρf，pf為體積百分數(shù)。

3 結(jié)論

(1)纖維的摻入可明顯提高混凝土的抗凍性能，在100次凍融循環(huán)后，混凝土的質(zhì)量未發(fā)生損失，且凍后強度相對保留值為鋼纖維混凝土＞玻璃纖維混凝土＞聚丙烯纖維Ⅱ混凝土＞聚丙烯纖維Ⅰ混凝土，說明對混凝土抗凍性能的改善，鋼纖維最好，玻璃纖維次之，聚丙烯纖維效果較差。

(2)纖維的摻入提高了混凝土的抗碳化能力，其中聚丙烯纖維的提高效果最明顯，玻璃纖維次之，鋼纖維較差。

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