李久存，仝培周

（東北大學(xué)，遼寧 沈陽 110819）

0 引 言

混凝土結(jié)構(gòu)的破壞機理一般表現(xiàn)為表面碳化、裂縫孔隙的擴展及鋼筋的腐蝕等，工程環(huán)境中混凝土碳化是引起鋼筋銹蝕的關(guān)鍵因素，通過表面的碳化，降低混凝土的堿度，促進了裂縫的出現(xiàn)或擴大，為環(huán)境中有害物質(zhì)進入混凝土內(nèi)部提供便利的條件。鋼纖維混凝土的抗碳化性能也引起了廣泛的關(guān)注。曹玉新[1]研究了波浪型、啞鈴型鋼纖維對混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律，提出等體積替代粗集料法進行鋼纖維摻加，并結(jié)合力學(xué)性能試驗結(jié)果對比2 種鋼纖維的差異。延瀟等[2]分析了鋼纖維在提高混凝土力學(xué)性能過程中混凝土與鋼筋之間粘結(jié)性能機理變化，并對比分析了輕質(zhì)混凝土、鋼纖維混凝土與鋼筋之間的粘結(jié)性能，為鋼纖維混凝土的應(yīng)用提供部分理論參考。陳倩等[3]研究了鋼纖維、聚丙烯纖復(fù)合作用下對超高性能混凝土強度影響規(guī)律，提出了2 種纖維的最佳復(fù)配比例及用量，并建立了基于鋼纖維參數(shù)變化的立方體抗壓強度預(yù)測模型。霍俊芳等[4]分析了鋼纖維摻量及再生材料對混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律，并提出了相應(yīng)的基本參數(shù)。張頊等[5]研究了鋼纖維和聚丙烯纖維對混凝土碳化性能的影響，并建立了碳化深度預(yù)測模型，主要內(nèi)容為公式的理論推導(dǎo)與參數(shù)預(yù)測，為工程實際應(yīng)用提供的試驗性結(jié)論不足。

本文通過快速碳化試驗、劈裂抗拉試驗，研究鋼纖維混凝土在水膠比、鋼纖維摻量及碳化齡期等關(guān)鍵參數(shù)變化下的碳化規(guī)律，通過Fick 定律建立水膠比-碳化速率系數(shù)、鋼纖維摻量-碳化速率系數(shù)關(guān)系模型，為進一步研究鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性提供參考。

1 試 驗

1.1 原材料

（1）水泥P·O42.5R 水泥，阿爾博波特蘭（安慶）有限公司生產(chǎn)，主要物理力學(xué)性能見表1。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

（2）鋼纖維：波浪形，長度30 mm，直徑0.5 mm，重慶宜筑公司加工生產(chǎn)，基本技術(shù)性能參數(shù)見表2。

表2 鋼纖維的基本技術(shù)性能

（3）骨料：采用質(zhì)地堅硬、耐久、潔凈、密實的骨料，粗骨料為石灰?guī)r碎石，粒徑5～20 mm，骨料的主要技術(shù)性能見表3，符合GB/T 14685—2011《建筑用卵石、碎石》要求。

表3 骨料的主要技術(shù)性能

1.2 試驗方案

水泥混凝土結(jié)構(gòu)隨服役年限的延長，其表面受環(huán)境、空氣因素的腐蝕碳化作用逐漸增強，嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)物耐久性能。鋼纖維可有效改善混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、柔韌性等，本研究結(jié)合前期研究成果，研究了水膠比、鋼纖維摻量和養(yǎng)護齡期等參數(shù)對混凝土碳化深度的影響，最終通過分析碳化后的混凝土劈裂抗拉強度確定基于碳化深度指標(biāo)的鋼纖維混凝土基本參數(shù)。具體試驗方案如下：

（1）鋼纖維混凝土配合比設(shè)計：采用不同的水膠比和鋼纖維摻量，研究鋼纖維混凝土抗碳化性能隨養(yǎng)護齡期的變化，水膠比分別為0.30、0.35、0.40，鋼纖維體積摻量為0～2%，其基本配合比設(shè)計見表4 和表5。

表4 不同水膠比鋼纖維混凝土的配合比

表5 不同鋼纖維摻量混凝土的配合比

（2）碳化試驗：按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d 后進行碳化試驗。影響因素主要有鋼纖維混凝土碳化時間（3、7、14、28、56 d）、澆筑面與側(cè)面、鋼纖維摻量、水膠比等。采用檢測面3 個碳化深度平均值作為該條件下的碳化深度，精確到0.01 mm。

（3）劈裂抗拉強度試驗：按照CECS13：2009《鋼纖維混凝土試驗方法》，采用100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試件，尺寸換算系數(shù)采用0.8。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 水膠比對鋼纖維混凝土碳化性能的影響（見圖1）

由圖1 可知：

（1）水膠比對碳化深度影響顯著，隨著水膠比的增大，水泥用量減少，碳化深度顯著增大。水膠比為0.30 時各齡期碳化深度最小、水膠比為0.40 時各齡期碳化深度最大，二者相差十分顯著，如養(yǎng)護齡期28 d 時，水膠比為0.40 的鋼纖維混凝土碳化深度較水膠比為0.30 的增大了278.6%。水膠比為0.30 的鋼纖維混凝土抗碳化能力最強，隨著水膠比的增大，呈下降趨勢，這是因為，隨著水膠比增大，水泥用量減少，相對而言需水量增加，加快了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的水化反應(yīng)，提高內(nèi)部自由水分的蒸發(fā)，造成鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)中孔隙增加，碳化速率相應(yīng)也提高。

（2）隨碳化齡期的延長，不同水膠比下的碳化深度也呈逐漸增大的趨勢，早期碳化齡期內(nèi)的變化速率高于后期，這與普通混凝土的碳化規(guī)律接近。碳化齡期從3 d 逐漸延長至14 d，水膠比為0.30、0.35、0.40 的鋼纖維混凝土碳化深度分別增大了171.2%、193.4%和152.2%；而碳化齡期從14 d 逐漸延長至56 d，水膠比為0.30、0.35、0.40 的鋼纖維混凝土碳化深度分別增大了48.2%、43.9%和33.8%。這是因為隨鋼纖維混凝土表面孔隙不斷碳化，形成的碳酸鈣物質(zhì)能夠進一步填充相應(yīng)的微結(jié)構(gòu)孔隙，能夠阻礙碳化箱中二氧化碳的進入，降低了碳化速率。

根據(jù)Fick 定律描述，水泥混凝土的碳化深度L 與碳化齡期t 符合：L=K·t1/2，其中K 為碳化速度系數(shù)。根據(jù)圖1 計算出鋼纖維混凝土在不同水膠比下相同碳化齡期的碳化速度系數(shù)，根據(jù)水膠比與碳化速度系數(shù)關(guān)系繪制相應(yīng)的變化曲線，結(jié)果見圖2。

由圖2 可見，水膠比對鋼纖維混凝土的碳化速度具有顯著影響，隨水膠比的增大，各齡期的碳化速度系數(shù)均急劇增大，二者服從冪函數(shù)關(guān)系。

對不同水膠比鋼纖維混凝土的澆筑面（頂面）和側(cè)面進行了碳化深度測試，結(jié)果見圖3。

圖3 鋼纖維混凝土澆筑面與側(cè)面碳化深度隨齡期的變化

由圖3 可見：

（1）在相同齡期及水膠比條件下，鋼纖維混凝土頂面的碳化深度均大于側(cè)面。7 d 齡期時，水膠比為0.35、0.40 側(cè)面的碳化深度較頂面分別減小了47.2%和32.2%。

（2）碳化齡期對頂面與側(cè)面的碳化深度也存在顯著影響，隨碳化齡期的延長，頂面與側(cè)面碳化深度差距逐漸減小，56 d齡期時，水膠比為0.35、0.40 側(cè)面的碳化深度較頂面分別減小了10.8%和13.3%。

2.2 鋼纖維摻量對混凝土碳化性能的影響（見圖4）

由圖4 可知：

（1）鋼纖維摻量對混凝土碳化具有顯著影響，隨鋼纖維摻量的增加，碳化深度呈先減小后增大的趨勢，鋼纖維摻量為1.5%時各齡期碳化深度均最小，此時鋼纖維混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)最密實，抗碳化能力最強，水泥硬化過程中混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生收縮應(yīng)力與鋼纖維的牽阻力相互抵消，改善內(nèi)部結(jié)構(gòu)微孔隙的增加，降低了孔隙率。隨鋼纖維摻量進一步增加至2.0%，鋼纖維與混凝土的接觸面積增大，造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生界面連接薄弱點，增加了內(nèi)部微孔隙率，易于二氧化碳的擴散，導(dǎo)致碳化深度急劇增大。碳化齡期為7、28、56 d，鋼纖維摻量為1.5%時，鋼纖維混凝土的碳化深度較未摻鋼纖維的分別減小了56.4%、51.1%和39.4%；鋼纖維摻量為2.0%時，碳化深度較未摻加鋼纖維的分別增大了15.7%、10.6%和15.4%。

（2）隨著碳化齡期的延長，不同鋼纖維摻量下混凝土碳化深度也顯著增大，前期0～7 d 的碳化深度增加顯著，而28～56 d 的碳化深度增加速率顯著下降，這前面的分析結(jié)果一致。以鋼纖維摻量為0.5%為例，7、28、56 d 時碳化深度較3 d 時分別增加了102.4%、438.6%和474.4%；鋼纖維摻量為1.5%時，7、28、56 d 時碳化深度較3 d 時分別增加了93.5%、402.2%和547.8%。

引入鋼纖維摻量變化系數(shù)，依據(jù)Fick 定律描述，碳化深度L 與碳化齡期t 的關(guān)系如下：L=Kx·t1/2，其中Kx為鋼纖維摻量為x 時的碳化速度系數(shù)。由此反算出不同鋼纖維摻量下的碳化速度系數(shù)（見圖5），可見，隨鋼纖維摻量的增加，碳化速度系數(shù)呈先減小后增大的趨勢，二者服從三次項多項式關(guān)系。

圖5 鋼纖維摻量對碳化速度系數(shù)的影響

2.3 鋼纖維混凝土碳化后的劈裂抗拉強度分析

鋼纖維對混凝土的力學(xué)性能改善主要體現(xiàn)在抗拉強度方面。不同水膠比和鋼纖維摻量下混凝土劈裂抗拉強度的變化分別見圖6、圖7。

圖6 水膠比對鋼纖維混凝土劈裂抗拉強度的影響

由圖6、圖7 可知：

（1）隨水膠比的增大，鋼纖維混凝土的劈裂抗拉強度顯著降低，且不同水膠比下鋼纖維混凝土劈裂抗拉強度均隨碳化齡期的延長而提高。根據(jù)碳化深度分析結(jié)果可知，水膠比增大減少了水泥用量，對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實度也存在劣化作用，抗碳化性能也隨之降低，其劈裂抗拉強度也呈降低狀態(tài)。以7、28、56 d 齡期為例，水膠比為0.40 時鋼纖維混凝土的劈裂抗拉強度較水膠比為0.30 時分別下降了7.9%、13.4%和13.3%。

（2）隨水膠比的增大，碳化齡期的延長降低了鋼纖維混凝土的劈裂抗拉強度的提高幅度，其中水膠比為0.30 時劈裂抗拉強度提高幅度最大。水膠比分別為0.30、0.35、0.40 時，56 d劈裂抗拉強度較3 d 劈裂抗拉強度分別提高了11.1%、9.1%和4.4%。

（3）隨鋼纖維摻量的增加，混凝土的劈裂抗拉強度先提高后降低，這與碳化速度系數(shù)變化規(guī)律一致。鋼纖維摻量為1.5%時各齡期劈裂抗拉強度均達(dá)到最高，7、28、56 d 劈裂抗拉強度較未摻加鋼纖維的混凝土分別提高了53.9%、59.2%、58.9%。隨碳化齡期的延長，鋼纖維混凝土的劈裂抗拉強度也呈逐漸提高的趨勢，且增幅也高于未摻鋼纖維的普通混凝土。鋼纖維摻量為0、1.5%和2.0%時，碳化齡期56 d 的劈裂抗拉強度較3 d 時分別提高了6.4%、9.7%和10.6%。

3 結(jié) 論

（1）水膠比對鋼纖維混凝土的抗碳化性能存在顯著影響，隨水膠比的增加，碳化深度逐漸增大，鋼纖維混凝土的抗碳化性能下降。水膠比與碳化速度系數(shù)呈冪函數(shù)關(guān)系，隨水膠比的增加，碳化速率系數(shù)也顯著增大。

（2）鋼纖維混凝土澆筑面的碳化深度均高于側(cè)面，且隨碳化齡期的延長，澆筑面與側(cè)面的碳化深度差異逐漸減小，56 d齡期時，水膠比為0.35、0.40 側(cè)面的碳化深度較頂面分別減小了10.8%和13.3%，與普通混凝土的碳化規(guī)律一致。

（3）隨鋼纖維摻量的增加，混凝土的碳化深度與碳化速率系數(shù)均先減小后增大，鋼纖維的最佳摻量為1.5%，此時鋼纖維混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)最密實，抗碳化性能最強。

（4）隨水膠比的增加，鋼纖維混凝土的劈裂抗拉強度顯著降低；隨鋼纖維摻量的增加，混凝土的劈裂抗拉強度先提高后降低，與碳化速度系數(shù)變化規(guī)律一致。