白 嵩,徐錦生,辛 明,魯子麒,王 勇

(遼寧工業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,遼寧 錦州 121001)

目前隨著我國建設(shè)規(guī)模的不斷擴大[1],砂的需求量正在逐年上漲[2],河砂資源無節(jié)制的開采和浪費[3],造成河流改道,水體下滲嚴重等問題,已經(jīng)嚴重影響到人民群眾的切實生活和健康安全。且淡水資源消耗較大,所以利用海水海砂制備新型的海水海砂混凝土(Seawater Sea-sand Concrete,簡稱 SSC)成為眾多學(xué)者的研究熱點[4-7]。我國擁有遼闊的海岸線和數(shù)不勝數(shù)的海洋資源,但對海洋的開發(fā)遠不及陸地,因此利用海水海砂代替淡水河砂也符合我國綠色可持續(xù)發(fā)展理念[8]。如今利用海水海砂作為原材料制備的混凝土已經(jīng)取得了一些工程上的實際應(yīng)用。例如:香港的機場和上海寶鋼集團的馬鞍山港都是成功利用海水海砂為原材料的成功案例。研究表明:SSC早期強度要高于OPC,但后期強度的發(fā)展較為緩慢,且脆性較大,摻加纖維后可以明顯改善這種不利現(xiàn)象,因此如何增強SSC的基本力學(xué)性能成為今后研究的方向[9-10]。

基于以上分析,本文研究在如表1所示的配比下,重點對單摻玻璃纖維(Glass fiber,簡稱GF)和聚丙烯纖維( polypropylene fiber,簡稱PPF)的體積摻量分別為0.1%、0.2%、0.3%,玻璃纖維與聚丙烯纖維組成的混雜纖維則按照總體積摻量為0.3%,混雜比分別為1∶2、1∶1、2∶1時分析纖維對SSC基本力學(xué)性能的影響。

表1 SSC配合比 kg/m3

1 試驗過程

1.1 原材料

本試驗原狀海水采用錦州渤海灣附近海水,主要經(jīng)過海水抽取與蓄水過濾和沉淀等步驟,海砂則用原狀海水浸泡所得。為最大限度地模擬真實海砂所處環(huán)境,以及浸泡時海水離子成分的穩(wěn)定性,設(shè)定5 d更換1次海水。表2～3是本課題組經(jīng)專業(yè)檢測機構(gòu)對海水中主要離子成分和纖維的基本力學(xué)性能進行的相關(guān)檢測結(jié)果,水泥采用渤海牌的P·O42.5,粗骨料篩選粒徑為5～20 mm。

表2 海水化學(xué)成分

表3 纖維性能指標(biāo)

1.2 試件設(shè)計與試驗方法

共設(shè)置10組、每組包括6個150 mm×150 mm×150 mm 的立方體試塊,分別取3塊做混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗,3個150 mm×150 mm×300 mm 的棱柱體試塊做彈性模量試驗,試驗均在遼寧工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)大廳完成,嚴格按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》(GB/T50081—2019)進行數(shù)據(jù)采集。其中混凝土在混凝土抗壓強度試驗前期為防止試驗臺上承壓面因出現(xiàn)的損傷造成應(yīng)力集中現(xiàn)象,需要在試塊上表面墊上鋼板保證接觸面的平整,加載速度控制在0.5～0.8 MPa/s;劈裂抗拉試驗時應(yīng)該特別注意上下弧形墊塊上邊的木制三合板粘貼于弧形頂端中心位置,并注意木條的損傷程度,及時更換,加載速度控制在0.05～0.08 MPa/s;靜彈性模量試驗初期應(yīng)特別注意應(yīng)變片的粘貼位置是否居中,粘貼是否牢固,并用萬能表檢測應(yīng)變片是否通路,試驗的加載速率設(shè)定為0.5～0.8 MPa/s。如圖1～3所示。

圖1 混凝土抗壓試驗

圖2 混凝土劈裂抗拉試驗

圖3 混凝土靜彈性模量試驗

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 抗壓強度結(jié)果與分析

不同纖維摻量對抗壓強度的影響如圖4所示,可以看出:加入纖維后的混凝土抗壓強度除了GF摻量為0.1%時,抗壓強度為41.3 MPa外,均大于素SSC的42 MPa,分析原因可能是因為摻量0.1% GF在試驗前期攪拌不充分造成纖維團聚,增加混凝土內(nèi)部孔隙和空隙,從而降低混凝土的抗壓強度。單摻PPF和混雜纖維均隨著纖維摻量的增加和混雜比的變化,立方體抗壓強度呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢,其中單摻PPF的體積摻量為0.1%、0.2%、0.3%時立方體抗壓強度分別為52.5、53.4、46.1 MPa;混雜比為1∶2、1∶1、2∶1時立方體抗壓強度分別為46、54.2、47.1 MPa,且PPF單摻摻量在0.2%和混雜比在1∶1時分別達到最大值53.4 MPa和54.2 MPa。因此,單從纖維對抗壓強度的提升效果來看,混雜纖維對混凝土強度的發(fā)展具有相對較好的效果。

2.2 劈裂抗拉強度結(jié)果與分析

不同纖維摻量對劈裂抗拉強度的影響如圖5所示,可以看出:當(dāng)GF體積摻量為0.1%、0.2%、0.3%時,立方體劈裂抗拉強度分別為4.2 、3.72、3.15 MPa;當(dāng)PPF體積摻量為0.1%、0.2%、0.3%時,立方體劈裂抗拉強度分別3.41 、3.79、3.23 MPa,當(dāng)混雜比為1∶2、1∶1、2∶1時,立方體劈裂抗拉強度分別3.51、3.81、3.66 MPa?？梢詮臄?shù)據(jù)得出結(jié)論:纖維對SSC劈裂抗拉強度的提升效果并非摻量越高效果越好,劈裂抗拉強度均隨著纖維的摻量或混雜比的變化而呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢,但摻加纖維后的混凝土試塊的劈裂抗拉強度均大于未摻加纖維組的3.3 MPa;另一方面,最佳摻量卻不相同,主要表現(xiàn)為GF摻量在0.1%,PPF摻量在0.2%以及混摻纖維的混雜比在1∶1時表現(xiàn)出各自對混凝土劈裂抗拉強度提升的最佳效果,強度分別為4.20、3.79、3.81 MPa。

圖5 不同纖維摻量對劈裂抗拉強度的影響

2.3 彈性模量結(jié)果與分析

不同纖維摻量對彈性模量的影響如圖6所示,可以看出:單摻PPF體積摻量為0.1%,0.3%和混雜比為1∶2時靜彈性模量分別為3.82×104、3.63×104、3.89×104MPa,均小于普通SSC的3.92×104MPa。分析原因是:① 纖維摻量過大導(dǎo)致前期攪拌不均,纖維團聚,阻礙SSC基體內(nèi)部的水化反應(yīng)的持續(xù)進行,從而降低強度,且團聚的纖維不能有效阻礙裂縫的發(fā)展,導(dǎo)致出現(xiàn)相同荷載作用下?lián)郊永w維的試塊靜彈性模量小于普通SSC組;② 纖維摻量過小,不能阻止混凝土基體內(nèi)部的海水海砂所含有的硫酸根離子和氯鹽離子與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)生成“弗雷德爾鹽”和鈣礬石(AFt),此2種物質(zhì)均具有膨脹特性,在生成的過程中可以促進裂縫的持續(xù)發(fā)展,降低水泥水化速率,從而降低強度的持續(xù)發(fā)展,增加脆性破壞發(fā)生的概率。其他組彈性模量均高于普通組,單摻GF纖維的提升效果最為明顯,且纖維摻量0.2%時提升效果最顯著,約提升12%。

圖6 不同纖維摻量對彈性模量的影響

3 機理分析

由以上分析可以看出,相對而言,摻加纖維之后,對SSC混凝土基本力學(xué)性能有了較為明顯的提升,原因可能是在纖維方面:無論是單摻纖維還是混雜纖維,均能較好的在混凝土基體內(nèi)部形成立體三維的網(wǎng)格結(jié)構(gòu),從而可以對混凝土起到環(huán)箍的作用,增加SSC后期強度的發(fā)展;另一方面,加入纖維之后,纖維提議填充混凝土基體內(nèi)部的毛細孔隙和孔隙,增加了基體的密實度,減少了了硫酸根離子和氯離子對基體腐蝕的通道,從而增加混凝土的后期強度。

但同樣會出現(xiàn)纖維摻量相對較大,混凝土的基本力學(xué)性能卻被削弱的個例。究其原因是纖維的加入在試塊的制備過程中未達到充分攪拌均勻的要求或者摻量過大導(dǎo)致纖維團聚使得纖維對混凝土的橋接作用喪失,從而削弱強度的發(fā)展;纖維摻量過小時,纖維的摻量不足以承擔(dān)纖維的橋連作用,纖維的摻入相當(dāng)于雜質(zhì)的存在,從而降低骨料顆粒界面的粘結(jié)應(yīng)力,削弱混凝土基本力學(xué)性能發(fā)展。

4 結(jié)論

1) 當(dāng)SSC摻入纖維后可以增強混凝土試塊的基本力學(xué)性能,如本試驗中GF、PPF、混雜纖維總體上都能增強本身的抗壓強度、劈裂抗拉強度、彈性模量等基本力學(xué)性能,也會出現(xiàn)因攪拌不均或者摻量過大導(dǎo)致基本力學(xué)性能的降低。

2) 不同種類的纖維在相同的纖維摻量下,對強度的提升效果也不相同。混雜比為1∶1時對立方體抗壓強度的提升效果達到最大為54.16 MPa;對于劈裂抗拉強度而言GF纖維摻量為0.1%時對強度的提升效果最好,優(yōu)于另外2種;當(dāng)GF摻量為0.2時對彈性模量提升效果的貢獻最大,達到了43.756 MPa。