混杂纤维增强混凝土的力学和耐腐蚀性能研究*

侯莹莹

(1. 潍坊科技学院 建筑工程学院，山东 潍坊 262700； 2. 山东省高校设施园艺实验室，山东 潍坊 262700)

0 引 言

钢筋混凝土中钢筋的腐蚀是导致其劣化的主要原因之一[1-2]。钢筋混凝土由于经常暴露在机械载荷条件下，容易出现形变，一旦形成裂缝，水和侵蚀剂会加速渗透到混凝土中，降低混凝土材料的整体强度和刚度，从而加速腐蚀过程并缩短钢筋混凝土使用寿命[3-6]。

混凝土的腐蚀行为和混凝土开裂具有一定相关关系[7]。研究表明，长期腐蚀行为与材料裂纹宽度之间的相关性不强[8]。因此裂纹宽度在0.1 mm以上作为抗腐蚀设计的方法不能完全解决腐蚀行为[9]。M. Boulfiza等[10]通过建模来确定混凝土开裂和未开裂的有效渗透率，从0.1～0.3 mm的裂纹宽度变化对渗透率的影响较小(相对差异约为5倍)，然而破裂基质(0.1 mm)和未破裂基质的有效渗透率表现出巨大差异性，其中未破裂的基质具有较低的渗透性。A.Mohammed等[11]研究了在钢筋混凝土梁中开裂和未开裂段上发生的微观电池和宏观电池腐蚀行为，实验发现，与未开裂相比，开裂段中的腐蚀速率更高。

目前，应用于腐蚀环境中的混凝土材料，通常采用提高混凝土基体的抗裂性，来防止腐蚀性物质进入导致的加速腐蚀[12-13]。研究人员已研究了具有钢纤维和聚丙烯纤维增强混凝土复合材料的开裂特性，用海水浸渍相对低剂量(Vf= 0.2%(体积分数))的聚丙烯纤维增强混凝土材料，并对其进行研究，在没有聚丙烯纤维的样品中，腐蚀效率更快[14-18]。与普通混凝土相比，钢纤维和聚丙烯纤维增强混凝土的腐蚀效率明显减缓[19-21]。然而对钢纤维和聚丙烯纤维混合增强混凝土材料的研究并不多，而且纤维增强混凝土材料耐腐蚀的机理研究目前也没有定论。

本文研究了钢纤维增强混凝土(SFRC)和聚丙烯纤维增强混凝土(PFRC)分别在纤维体积分数为0.5%，1.0%，1.5%和0.1%，0.2%，0.3%时，材料的压缩韧性和冲击韧性，以及混杂纤维增强混凝土(HFRC)的压缩韧性和冲击韧性。同时，研究了混杂纤维增强混凝土的耐硫酸盐腐蚀性能及其腐蚀机理。

1 实 验

1.1 原材料

硅酸盐水泥P.O42.5和粉煤灰，购自北京嘉信杰建材有限公司，水泥和粉煤灰的化学成分如表1所示；聚羧酸高效减水剂，购自山东三美硅材料有限公司；钢纤维和聚丙烯纤维，购自泰安同宏纤维有限公司，其性能参数如表2所示。

表1 水泥和粉煤灰的化学组成

表2 钢纤维和聚丙烯纤维的性能

1.2 样品的制备

压缩试验试样尺寸为100 mm×100 mm×300 mm，冲击试验试样尺寸为φ150 mm×60 mm，按照尺寸制备样品，然后静置24 h后脱模。为使纤维均匀分散，混合过程分为两阶段。首先将纤维、水泥、粉煤灰和集料在搅拌机中搅拌3 min，然后在混合物中加入水和高效减水剂继续搅拌3 min；接着，将样品在(20±2)℃的温度和95%的相对湿度下固化28 d；最后，进行压缩试验和冲击试验。

1.3 混凝土配合比设计

混凝土配合比如表3所示,水灰比为0.46。在混凝土中掺入粉煤灰和高效减水剂，以保证混凝土具有良好的加工性能。钢纤维的体积分数分别为0.5%，1.0%和1.5%，聚丙烯纤维的体积分数分别为0.1%，0.2%和0.3%。

表3 混凝土配合比

1.4 性能与检测

采用YE-600 型液压材料试验机液压试验机进行单轴压缩试验，记录混凝土的荷载和应变，根据抗压强度分析材料的抗压性能。

根据GB/T14153，采用LC-2000型落锤式冲击试验机进行落锤冲击试验，以评估纤维混凝土的冲击韧性，耐冲击性可以通过产生初裂纹的冲击次数和最终破坏的冲击次数来评估。从457 mm的高度落下4.5 kg的落锤，冲击力从直径64 mm的球传递到混凝土试样。反复地将锤子落下，记录在试样顶部表面上出现可见裂纹和试样最终破坏的冲击次数。

采用日立S4800扫描电子显微镜观察材料微观形貌；采用GP/FTIR-1500傅里叶变换光谱仪对混凝土进行测试；采用硫酸钠盐浸泡腐蚀法测试混凝土耐腐蚀性能，硫酸钠溶液浓度为5%(质量分数)，试块标准养护28 d后放进腐蚀溶液中浸泡7和14 d后取出，测试其抗压强度，并与普通纯混凝土抗压强度进行对比。

2 结果与讨论

2.1 试件的抗压强度分析

图1为不同掺杂的纤维增强混凝土样品的抗压强度。从图1可以看出，纤维增强混凝土样品的抗压强度均高于未添加纤维样品，其中，PF0.3、SF1.5和SF0.5/PF0.3样品的抗压强度均低于PF0.2、SF0.2和SF0.5/PF0.2样品，抗压强度最好的掺杂量为SF0.5/PF0.2样品。由图1可知，SF和PF的掺杂能显著提高混凝土的抗压强度，混杂纤维增强混凝土抗压强度提升更明显，随着纤维体积分数的增大，纤维增强混凝土的抗压强度呈现先增大后降低的趋势。这可能是由于随着纤维含量的增加，纤维增强混凝土样品的分散性变差导致的。

图1 试件的抗压强度Fig 1 Compressive strength of the test piece

2.2 落锤冲击试验

纤维增强混凝土样品的落锤冲击试验结果，如图2所示。从图2可以看出，纤维增强混凝土样品出现初始裂纹所需的冲击次数和断裂冲击次数均高于未添加纤维样品。其中， SF1.5、PF0.3和SF1.0/PF0.2样品出现初裂纹的冲击次数分别为33，30和41，分别比普通混凝土增加了120%，100%和173%；SF1.5、PF0.3和SF1.0/PF0.2样品的最终断裂冲击次数分别为44，42和58，分别比普通混凝土增加了144%，133%和222%。由图2可知，随着纤维体积分数的增大，出现初始裂纹所需的冲击次数和断裂冲击次数均显著增加,这可能是因为SF在基体中起到桥联作用，而PF能有效抑制微裂纹的扩展。

图2 落锤冲击试验结果Fig 2 Drop weight test results

2.3 耐硫酸盐腐蚀性能研究

表4为纤维增强混凝土样品的耐硫酸盐腐蚀性能。由表4可知，单掺PF混凝土PF0.1、PF0.2和PF0.3样品相对于普通混凝土的7 d耐抗腐蚀系数分别提高了2.98%，14.82%和4.83%；单掺SF混凝土SF0.5、SF1.0和SF1.5样品相对于普通混凝土的7 d耐抗腐蚀系数分别提高了10.9%，2.63%和10.29%。对于单掺PF混凝土样品，掺杂率为0.2%时的单掺PF混凝土材料7 d耐抗腐蚀系数最优，耐抗腐蚀系数为93.89%；对于单掺SF混凝土样品，7和14 d耐抗腐蚀系数随着掺杂量的提高逐渐升高。对于混杂纤维增强混凝土，SF0.5/PF0.1、SF0.5/PF0.2、SF0.5/PF0.3和SF1.0/PF0.2样品的7 d耐抗腐蚀系数相比普通混凝土分别提高了13.89%、15.45%、17.04%和15.2%，SF0.5/PF0.3样品的耐抗腐蚀系数最优，7 d耐抗腐蚀系数为96.11%，14 d耐抗腐蚀系数为92.38%。

表4 耐硫酸盐腐蚀性能

2.4 耐腐蚀机理研究

图3为纤维增强混凝土样品的吸水率。从图3可以看出，纤维掺杂增强混凝土样品的吸水率均低于未掺杂样品的吸水率。由表4可知，混合纤维掺杂混凝土样品的耐抗腐蚀系数最高，吸水率最低。吸水率越高，混凝土样品的抗硫酸盐腐蚀能力越差，说明纤维增强混凝土样品抗硫酸盐腐蚀能力与吸水率具有较强的相关关系。SF本身不耐硫酸盐腐蚀，而且SF增强混凝土吸水率高，说明基体裂纹多，腐蚀性硫酸盐和水泥的反应就快，抗硫酸盐腐蚀性能就不好，即吸水率越高，混凝土的抗硫酸盐腐蚀能力越差。PF属于低弹性模量纤维，并且PF本身具有非常好的抗硫酸盐腐蚀性能，PF能够更加均匀地分散于混凝土样品内部，形成一张可靠的三维网格体系，可以很好地阻止混凝土内部的微裂纹产生与扩展，水泥裂纹少，腐蚀性硫酸盐和水泥的反应就慢，SF与PF混合后加入混凝土基体中PF仍然发挥它的优势作用，很好地阻止混凝土内部的微裂纹产生与扩展。因此，混杂纤维增强混凝土样品的抗硫酸盐腐蚀能力高于单掺PF混凝土样品和单掺SF混凝土样品。

图3 纤维增强混凝土样品的吸水率Fig 3 Water absorption of fiber reinforced concrete samples

图4 纤维增强混凝土样品14 d硫酸盐浸泡后的FT-IR图Fig 4 FT-IR spectra of fiber reinforced concrete sample after 14 d sulfate immersion

2.5 钢纤维腐蚀研究

在SF弯头处，由于应力集中，是SF最容易受腐蚀的位置。图5为SF0.5/PF0.3混凝土样品中钢筋在14 d硫酸盐浸泡后的SEM形貌图。从图5可以看出，经过硫酸盐腐蚀14 d后SF弯头处未见明显腐蚀，说明混杂纤维增强混凝土耐腐蚀性能良好，样品中最易腐蚀的SF弯头处并未发生腐蚀。

图5 SF0.5/PF0.3混凝土样品中钢筋的SEM图Fig 5 SEM images of reinforcement in SF0.5/PF0.3 concrete sample

3 结 论

研究了SF与PF的混杂作用对纤维增强混凝土性能的影响。通过压缩试验和落锤冲击试验研究了纤维增强混凝土样品的压缩韧性和冲击韧性，并探讨了样品的耐硫酸盐腐蚀性能及耐腐蚀机理，得出以下结论：

(1)随着掺杂纤维体积分数的增大，混杂纤维增强混凝土的抗压强度呈现先升高后减弱的趋势，SF0.5/PF0.2混凝土样品抗压强度最优。

(2)随着掺杂纤维体积分数的增大，出现初裂纹所需的冲击次数和断裂冲击次数均显著增加， SF1.0/PF0.2混凝土样品耐冲击性能最优，比未掺杂纤维的普通混凝土样品增加了173%。

(3)纤维的掺加有助于提高混凝土抗硫酸盐腐蚀能力，SF0.5/PF0.3混凝土样品的7 d耐抗腐蚀系数最高，可以达到96.11%。

(4)吸水率越高，混凝土的抗硫酸盐腐蚀能力越差，说明纤维增强混凝土样品抗硫酸盐腐蚀能力与吸水率具有较强的相关关系。SF与PF混合后加入混凝土基体中PF仍然发挥它的优势作用，很好地阻止混凝土内部的微裂纹产生与扩展。因此，混杂纤维增强混凝土样品的抗硫酸盐腐蚀能力高于单掺PF混凝土样品和单掺SF混凝土样品。

(5) FT-IR和SEM分析可知，14 d硫酸盐浸泡后，SF0.5/PF0.3混凝土样品中存在较多的石灰石，抗硫酸盐腐蚀能力较好；样品中最易腐蚀的SF弯头处并未发生腐蚀，混杂纤维增强混凝土耐腐蚀性能良好。