陳京林

（廣東水電二局股份有限公司，廣州 511340）

在水利工程的建設(shè)中，混凝土漿料是修建各種水工建筑物的重要材料，其強(qiáng)度和各方面物理性質(zhì)直接決定了工程竣工后的使用年限和安全運(yùn)營(yíng)［1］。然而當(dāng)前普通注漿材料存在諸多缺陷，且水泥顆粒難以注入半徑小于0.2mm的孔隙或裂隙中［2］，導(dǎo)致漿料成型后的建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，抗凍抗腐蝕性低等問(wèn)題突出，給水利工程的安全運(yùn)行帶來(lái)阻礙。纖維材料是目前材料工程領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，通常具有良好的拉伸強(qiáng)度、耐沖擊強(qiáng)度、剛性、耐磨性，因此將其應(yīng)用于注漿材料的研究具有重大意義。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)纖維改良混凝土進(jìn)行了相關(guān)研究，取得了一系列較好成果。趙宇石等［3］將鋼纖維引入到混凝土體系中，重點(diǎn)分析了擬用于預(yù)制地鐵盾構(gòu)管片的鋼纖維混凝土性能特征，主要包括流動(dòng)性、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度；楊凌等［4］為揭示竹纖維含量和長(zhǎng)度對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，提出了3種含量和3種規(guī)格竹纖維長(zhǎng)度的竹纖維混凝土試件進(jìn)行28 d抗壓、抗折、抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)；吉云鵬等［5］對(duì)24個(gè)鋼纖維再生混凝土試件進(jìn)行單軸受壓試驗(yàn)。通過(guò)分析鋼纖維摻量及再生骨料取代率對(duì)再生混凝土強(qiáng)度的影響，揭示了鋼纖維再生混凝土的損傷演化機(jī)理。此外還有學(xué)者通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)玄武巖纖維混凝土、新型聚丙烯纖維混凝土和聚丙烯粗纖維混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了相關(guān)研究［6-8］。本文以玻璃纖維為改良材料，以地聚合物混凝土為改良對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)探究了不同纖維含量下纖維混凝土的抗壓和抗腐蝕性性能，最后還通過(guò)電鏡掃描技術(shù)分析了不同含量纖維混凝土的破壞方式，研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

1 試樣原材料

本次試驗(yàn)制備的復(fù)合纖維增強(qiáng)地聚合物混凝土由堿性溶液、中砂、粗骨料、玻璃纖維組成。其中地聚合物是從高爐渣中獲得的礦渣粉，是符合GB/T203標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的粒化高爐礦渣，經(jīng)干燥、粉磨（或添加少量石膏一起粉磨）達(dá)到相當(dāng)比表面積且符合相應(yīng)活性指數(shù)的粉體，活性125，比表面積800，細(xì)度D90在10μm以下。氫氧化鈉溶液和硅酸鈉溶液的混合物用作堿活化溶液，摩爾濃度13，是通過(guò)將520g氫氧化鈉顆粒溶解在1L蒸餾水中制備的。氫氧化鈉溶液的堿度為2.1，硅酸鈉溶液的堿度為1.5。溶液的比重在試樣澆鑄前一天制備，并充分混合。本文的中砂是通過(guò)將堅(jiān)硬的花崗石粉碎成小于4μm的細(xì)顆粒制作而成，細(xì)度模數(shù)為2.3，體積密度為1512kg/m3，比重為2.8，而粗骨料使用粒徑為20mm大小的骨料，比重2.7。此外試驗(yàn)用的玻璃纖維長(zhǎng)度直徑0.1mm，長(zhǎng)度6mm，水泥采用GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》標(biāo)準(zhǔn)的硅酸鹽水泥。

圖1 聚酰胺類樹脂材料和混凝土漿液

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與試樣制備

試樣制備前先將用NaOH溶液浸泡6h。纖維浸泡后，用水沖洗，直至干凈干燥。干燥完成后，將按尺寸切割的纖維混合在試樣上。使用的試樣是直徑為100mm×100mm×100mm的立方體，養(yǎng)護(hù)28d后測(cè)試混凝土的抗壓強(qiáng)度。纖維混凝土采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌，為使纖維能均勻分散于混凝土中，應(yīng)通過(guò)搖篩或分散機(jī)加料。攪拌的投料順序與普通混凝土不同。一種方法是先將粗細(xì)骨料、水泥和水加入攪拌機(jī)，攪拌均勻后再將纖維加入攪拌。另一種方法分3步，第1步先將粗細(xì)骨料攪拌均勻，第2步加入纖維攪拌，第3步將水泥和水加入再攪拌。攪拌大約需要1～2min。混合均勻后，準(zhǔn)備放入模具進(jìn)行養(yǎng)護(hù)至28d后取出。本次試驗(yàn)一共設(shè)置了5種纖維摻量，即4%，6%，8%，10%，12%5種摻量，同時(shí)還制備了對(duì)照組。進(jìn)行了包括混凝土抗壓、抗腐蝕及斷裂方式的試驗(yàn)研究?；炷猎O(shè)計(jì)配合比如表1。

表1 混凝土各組分配合比設(shè)計(jì)

3 混凝土抗壓強(qiáng)度

圖2給出了不同纖維含量下混凝土養(yǎng)護(hù)7，14，28d時(shí)的抗壓強(qiáng)度。由圖可知，隨著纖維含量的增加，不同養(yǎng)護(hù)時(shí)期的混凝土強(qiáng)度均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中普通混凝土28d強(qiáng)度為35.6MPa，纖維含量為4%，6%，8%，12%時(shí)，混凝土28d強(qiáng)度為38.7，40.1，43.6，44.9MPa。當(dāng)纖維含量為12%時(shí)，7，14，28d的抗壓強(qiáng)度最大，分別為20.4，29.1，45.8MPa。出現(xiàn)這一增長(zhǎng)趨勢(shì)是由于在水泥混凝土中摻入短而細(xì)且均勻分布的纖維，具有明顯的阻裂效果。纖維摻入水泥混凝土后，這種阻裂作用既存在于混凝土的未硬化的塑性階段，也存在于混凝土的硬化階段。水泥基體在澆筑后的24h內(nèi)抗拉強(qiáng)度很低，若處于約束狀態(tài)，當(dāng)其所含水分急劇蒸發(fā)時(shí)，極易生成大量裂縫，此時(shí)，均勻分布于混凝土中的纖維可承受因塑性收縮引起的拉應(yīng)力，從而阻止或減少裂縫的生成?；炷劣不?，若仍處于約束狀態(tài)，因周圍環(huán)境溫度與濕度的變化而使干縮引起的拉應(yīng)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí)，也極易生成大量裂縫，在此情況下纖維仍可阻止或減少裂縫的生成，因此制作而成的復(fù)合纖維混凝土具有較好的抗壓強(qiáng)度。

圖2 不同纖維含量且不同混凝土養(yǎng)護(hù)天下混凝土抗壓強(qiáng)度

4 混凝土耐腐蝕性研究

當(dāng)混凝土塊養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到28d后，將其分別浸泡在HCI溶液中，濃度分別為5%，8%，10%，浸泡時(shí)間為28d。試驗(yàn)中，普通硅酸鹽混凝土將作為對(duì)照組，不進(jìn)行浸泡，試驗(yàn)前后主要觀察指標(biāo)為立方體抗壓強(qiáng)度損失比。圖3為混凝土在酸溶液中的強(qiáng)度損失比。由圖可知，隨著鹽酸溶液的增加，混凝土的強(qiáng)度均出現(xiàn)了損失，但纖維混凝土具有明顯的抗腐蝕性。當(dāng)鹽酸溶液含量為5%時(shí)候，普通混凝土抗壓強(qiáng)度損失比為0.12，而纖維含量為4%，6%，8%，10%，12%的損失比分別為0.08，0.075，0.07，0.061，0.054；當(dāng)鹽酸溶液含量為8%時(shí)候，普通混凝土抗壓強(qiáng)度損失比為0.16，纖維含量為4%，6%，8%，10%，12%的損失比分別為0.09，0.08，0.072，0.065，0.055；當(dāng) 鹽 酸 溶 液 含 量 為12%時(shí)候，普通混凝土抗壓強(qiáng)度損失比為0.19，纖維含量為4%，6%，8%，10%，12%的損失比分別為0.1，0.09，0.082，0.069，0.058。

圖3 混凝土在酸溶液中的強(qiáng)度降低比

5 纖維混凝土破壞方式

圖4為微觀混凝土破壞放大1000倍的SEM圖。由圖可知，普通混凝土的SEM測(cè)試結(jié)果表明混合物上有氣泡，但沒(méi)有分散的纖維，氣泡中也會(huì)出現(xiàn)微裂紋。當(dāng)加入纖維時(shí)，混合物中的氣泡量很高，表明有纖維，也有氣泡。氣泡上有微裂紋。混凝土混合物和纖維之間出現(xiàn)強(qiáng)黏結(jié)，因此纖維不會(huì)從混凝土混合物中擠出。此外由圖還可看到，混凝土的破壞主要是微裂隙的發(fā)育造成，而纖維連接處的破壞情況較少，說(shuō)明纖維增韌作用明顯。纖維混凝土在荷載的作用下，即使混凝土發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象，纖維還可橫跨裂縫承受拉應(yīng)力，使混凝土具有良好的韌性。韌性是表征材料抵抗變形性能的重要指標(biāo)，一般用混凝土的荷載-撓度曲線或拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積來(lái)表示。此外在具體運(yùn)用復(fù)合材料機(jī)理時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮復(fù)合體在拉伸應(yīng)力方向上有效纖維量的比例和非連續(xù)短纖維的長(zhǎng)度修正，盡量同實(shí)際情況相符。

圖4 微觀混凝土破壞放大1000倍的SEM圖

6 結(jié)語(yǔ)

本文以玻璃纖維為改良材料，以地聚合物混凝土為改良對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)探究了不同纖維含量下纖維混凝土的抗壓和抗腐蝕性性能，最后還通過(guò)電鏡掃描技術(shù)分析了不同含量纖維混凝土的破壞方式，結(jié)果表明，隨著纖維含量的增加，不同養(yǎng)護(hù)時(shí)期的混凝土強(qiáng)度均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)纖維含量為12%時(shí)，7，14，28d的抗壓強(qiáng)度最大，分別為20.4，29.1，45.8 MPa。隨著鹽酸溶液的增加，混凝土的強(qiáng)度均出現(xiàn)了損失，但纖維混凝土具有明顯的抗腐蝕性。當(dāng)鹽酸溶液含量為12%時(shí)候，普通混凝土抗壓強(qiáng)度損失比為0.19，纖維含量為4%，6%，8%，10%，12%時(shí)，損失比分別為0.1，0.09，0.082，0.069，0.058。此外，混凝土的破壞主要是微裂隙的發(fā)育造成，而纖維連接處的破壞情況較少，說(shuō)明纖維增韌作用明顯。