不同纤维对高性能混凝土耐久性能及微观结构的影响

崔金鹏

北京奥科瑞检测技术开发有限公司 北京 102488

引言

随着恶劣气候出现频率的日益增多，对城市的可持续发展造成了严重制约，在此背景下，我国引入了“海绵城市”的全新概念，也即充分利用地下深部排水隧道的形式，实现对于雨水和洪水的调蓄作用，一般而言，此过程中的开挖深度可以保持在100米以上。深部隧道之中的环境通常较为复杂，在梅雨季节时，可能由于隧道的蓄水作用而导致混凝土处于Cl-含量丰富的水溶液之中，使得混凝土结构被严重侵蚀，甚至可能受到CO2等气体的渗透影响，对混凝土结构的耐久性造成严重限制。

1 纤维对混凝土力学性能的影响

大量研究实践表明，借助PF或LF纤维的形式，可以让混凝土结构的力学性能得到充分提升，随着单掺PF或LF体积掺量的日益提升，混凝土的抗压强度通常展现为先增大后减小的趋势，此趋势与混凝土劈裂抗拉强度的变化趋势相近。纤维的抗压性能和弹性模量相对较好，可以有效降低裂缝产生的风险，让混凝土结构的抗拉和劈裂抗拉强度得到切实提升。然而，一旦其中的纤维掺量过大，则可能限制纤维在混凝土之中的自由分散，对混凝土结构的和易性造成严重影响，进而影响混凝土结构的整体力学性能。

此外，与聚丙烯纤维混凝土相比，木质素纤维混凝土的力学性能明显更差。一旦LF体积掺量为0.9%时，则混凝土的抗压强度会显著低于LF体积掺量为0时的抗压强度，其原因在于只要纤维的体积掺量足够大，便可以将PF灵活地分布于混凝土之中，进而降低相邻黏结单丝对彼此所造成的影响。至于LF，则一般用于掺量较低时，可以在混凝土之中实现均匀分布，如果掺量超出了一定值，则会在一定程度上增加LF结构之间的黏结力，导致混凝土分散难度较大，进而影响其整体力学性能[1]。

2 纤维对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

通过单掺PF或LF的方式，可以让混凝土的抗氯离子渗透性能得到切实提升。同时，随着纤维含量的不断提升，混凝土电通量会相应呈现出先降低后增大的趋势，其原因在于随着纤维含量的不断提升，混凝土之中的界面数量也得到了显著提升。对于混凝土而言，界面是一种较为薄弱的区域，有害离子可以依托于界面向混凝土内部之中渗透，以充分降低混凝土材料的抗氯离子渗透性能。在体积掺量为0.3%时，两种纤维混凝土的抗氯离子可以表现出最为突出的渗透性能，且聚丙烯纤维混凝土的抗氯离子渗透性能要明显低于木质素纤维混凝土。

区别于力学性能，混掺PF和LF可以实现良好的性能改善效果，其改善作用显著优于单种纤维。与单一类型的纤维混凝土材料相比，混杂纤维混凝土的56d电通量呈现出明显的下降趋势，其原因在于借助混杂纤维混凝土的形式，可以让PF的内部结构改善效果和LF的吸水释水、黏结效果实现优势互补，以充分提升混凝土结构的抗氯离子侵蚀性能[2]。

3 纤维对混凝土表面透气性能的影响

无论是PF还是LF，都可以让混凝土的表面透气性能得到切实提升，而LF的表面透气性能优化效果则明显优于PF，其原因在于借助LF的形式，可以在发挥拉结效应的基础上限制裂缝的产生，同时充分发挥其吸水作用，减少界面中的“积水”，让界面周边未发生水化作用的颗粒得以发生持续水化作用，让纤维和水泥基质的机械咬合力得到切实提升，以实现对于界面状态的优化改造。

此外，在纤维产量持续增多的背景下，混凝土结构的表面透气系数呈现出先降低后增大的趋势，其原因在于纤维的过度掺入在一定程度上影响了混凝土的和易性，导致混凝土之中出现了大量的孔隙和裂缝。与单一品种的纤维类型相比，混杂纤维混凝土的56d表面透气系数明显降低，由此可见，针对PF和LF进行混杂处理，可以让混凝土结构的表面密实度得到切实提升，同时，降低气体的渗透破坏效果。

4 纤维高性能混凝土耐久性能分析

高性能混凝土通常具有良好的耐久性，依据CECS－2006《高性能混凝土应用技术规程》要求，通过混凝土抗除冰盐冻循环试验的方式展开对于高性能混凝土的性能评价，需要充分关注季节性冰冻地区在长期处于冻融环境中的劣化作用，并结合有关试验展开对于纤维高性能混凝土耐久性的分析。

4.1 抗除冰盐冻循环试验

此类试验一般发生在室内，通过对除冰盐溶液侵蚀作用下的状态模拟，判断高性能混凝土的抗盐冻融剥蚀水平。在进行试验时，需要以CECS－2006《高性能混凝土应用技术规程》（以下简称《规程》）附录A为依据开展试验，将半立方体试件的长宽高规格控制为150mm×150mm×75mm，并将其放入到质量分数为3%的氯化钠溶液之中，分别在零下和零上20℃的环境中放置12小时，进行冻结和融化，以实现一次完整的盐冻循环。在完成25次循环后，要求针对材料的强度及质量损失予以测试，同时，将抗压强度、质量损失情况、抗折强度等指标分别作为重要的评价指标，最终确定，在结束28次盐冻循环后，质地普通的高性能混凝土的侵蚀量可以达到954g/m2，与之对应的剥落层厚度则为0.35mm，可以很好适应《规程》中对于侵蚀量和剥落层厚度指标的规定。

在加入纤维后，高性能混凝土之中的侵蚀量和剥落层呈现出较为明显的下降趋势，其剥落层厚度均在0.3mm以内。随着纤维掺量的不断提升，混凝土的侵蚀量表现出整体降低的趋势，而聚丙烯纤维、钢纤维、聚乙烯醇纤维之中的掺量则分别处于0.6～0.9、1.2～1.5和0.9～1.2kg/m3区间内。对于不同的纤维而言，高性能混凝土在单位面积之中的剥落侵蚀量均表现出明显的降低趋势，且逐渐趋于平缓。基于抗盐冻侵蚀能力及工程经济性的视角予以分析，最终确定，将三类纤维的掺量控制在上述区间之中为宜。

随着纤维掺量的不断变化，高性能混凝土的抗盐冻侵蚀性变化与力学性能呈现出明显的变化，笔者认为，实施抗除盐冻循环试验需要针对纤维高性能混凝土的表面抗侵蚀能力进行测试，关注水泥纤维砂浆胶凝材料，并且在实际成型阶段针对受钢试模侧向予以约束，具有良好的密实度优势，且纤维的分散均匀性都相对较高。如果纤维掺量相对较大，则可以利用纤维建立良好的空间搭接结构，其黏聚力多受到纤维界面黏结强度及界面吸附强度不同程度的影响。利用纤维的形式，可以让高性能混凝土的抗盐冻侵蚀水平得到切实提升，以减少因冻胀压力所导致的裂纹，实现对于试件冻膨胀、热膨胀及低温收缩情况的有效约束[3]。

4.2 纤维高性能混凝土抗冻性能

在最佳的纤维掺量状态下实施混凝土抗冻耐久性试验，针对基准组，要求采用C50混凝土，同时，分别选用0.6、1.2和0.9kg/m3的聚丙烯纤维、钢纤维和聚乙烯醇纤维高性能混凝土，利用长宽高分别为150mm、150mm和50mm的试件进行抗冲击韧性测试，将落锤重量和下落高度分别控制为0.6千克和0.9m，将试件最终的破坏冲击次数当作重要的评价指标，将其分别放置于-20℃和20℃的环境之中进行冻结和融化，重复此过程300次。

试验结果表明，通过掺加纤维的方式可以让高性能混凝土的吸收冲击荷载力得到切实提升，以实现对于冲击韧性的优化。分析结果表明通过纤维可以让高性能混凝土介质的均匀性得到切实提升，同时，依托于纤维的传递荷载作用及加筋阻裂效果，降低冲击波阻断的风险，让应力得以实现高度集中[4]。

4.3 弯曲疲劳试验分析

依托于三点分加载弯曲疲劳试验的方式建立对于混凝土抗疲劳耐久性能的充分分析，要求将试件规格控制为550mm×150mm×150mm，分别将其应力划分为0.7、0.8和0.9三个不同级别予以试验。最终确定，在三种不同的应力条件下，纤维高性能混凝土的疲劳寿命显著优于基准组的水泥混凝土，随着应力强度比的不断提升，纤维在高性能混凝土疲劳特性之中的优化改善作用会得到一定程度的凸显。对于同样应力强度比的混凝土而言，其疲劳寿命的排序为钢纤维＜聚丙烯纤维＜聚乙烯醇纤维。在应力强度比持续增长的背景下，不同类型性能混凝土的疲劳寿命都持续减小，可以在应力强度比与疲劳寿命之间建立良好的线性拟合关系，以充分保障材料的抗疲劳耐久性能。

如果混凝土材料发生了疲劳开裂，则造成这一问题的原因通常为损伤的不断累积，此时在其中掺入一定量的纤维可以避免在混凝土内部形成过度的裂纹，以有效避免因集料和水泥胶凝材料黏附失效所导致的微裂纹及结构损伤等问题。在疲劳损伤日益严重的背景下，微裂纹也表现出持续扩大的趋势，将其桥接于裂缝周围的纤维之中，可以切实限制裂缝的发展，让裂纹的拓展路径得到充分延长，同时，有效避免尖端应力过于集中的问题，以充分抑制裂纹的发展，让材料的疲劳寿命得到充分提升[5]。

5 SEM微观分析

一般而言，普通混凝土内部中存在较为明显的裂缝问题，且混凝土结构之中的孔隙较多，凝胶相对较少。在掺入PF结构后，纤维和水泥可以保持十分良好的相容性，而C-S-H凝胶则在纤维表面生长，生成与凝胶紧密联系的钙矾石结构，并在纤维和水泥基质之间建立良好的机械咬合系统。在纤维和凝胶的共同作用下，可以有效填充混凝土内部的孔隙，在一定程度上减少裂缝的数量。由此可见，聚丙烯纤维混凝土结构具有良好的力学性能，且抗氯离子渗透性能也较为突出，而LF则一般表现为吸水、保水和拉结作用。在混凝土结构之中融入LF结构，可以起到良好的减水效果，以降低此过程中的水灰比，在最大程度上消除混凝土界面之中的“积水”，让水泥颗粒的水化效果得到充分保障，进而优化界面的状态。在LF拉结效应的影响下，可以在一定程度上阻碍混凝土内部裂缝及孔隙结构的发展，同时，借助成絮状的LF，可以实现良好的孔隙填充效果，让混凝土的渗透性能得到切实改善。至于聚丙烯-木质素混杂纤维混凝土，其中的孔隙和裂缝都相对较少，且其中的凝胶相分布较多，结晶相相对较少，可以切实提升混凝土内部结构的密实度[6]。

6 结束语

综上所述，借助单掺聚丙烯纤维或木质素纤维的形式，可以让混凝土的力学结构性能得到切实优化，但是通过混掺纤维的形式却有可能影响混凝土的力学性能；其次，适当掺入纤维可以让混凝土的抗氯离子侵蚀性能及透气性能得到切实保障，且混杂纤维的掺入效果显著优于单种纤维；最后，通过凝胶和纤维的形式，可以切实填充聚丙烯纤维混凝土结构之中的缝隙，以提升混凝土的密实度，而借助木质素纤维的形式，可以起到良好的减水效果，切实降低混凝土界面之中的“积水”，让界面状态得到切实改善，进而提升混凝土结构的耐久性。