钢纤维混凝土抗碳化性能试验研究

李久存，仝培周

（东北大学，辽宁 沈阳 110819）

0 引 言

混凝土结构的破坏机理一般表现为表面碳化、裂缝孔隙的扩展及钢筋的腐蚀等，工程环境中混凝土碳化是引起钢筋锈蚀的关键因素，通过表面的碳化，降低混凝土的碱度，促进了裂缝的出现或扩大，为环境中有害物质进入混凝土内部提供便利的条件。钢纤维混凝土的抗碳化性能也引起了广泛的关注。曹玉新[1]研究了波浪型、哑铃型钢纤维对混凝土力学性能的影响规律，提出等体积替代粗集料法进行钢纤维掺加，并结合力学性能试验结果对比2 种钢纤维的差异。延潇等[2]分析了钢纤维在提高混凝土力学性能过程中混凝土与钢筋之间粘结性能机理变化，并对比分析了轻质混凝土、钢纤维混凝土与钢筋之间的粘结性能，为钢纤维混凝土的应用提供部分理论参考。陈倩等[3]研究了钢纤维、聚丙烯纤复合作用下对超高性能混凝土强度影响规律，提出了2 种纤维的最佳复配比例及用量，并建立了基于钢纤维参数变化的立方体抗压强度预测模型。霍俊芳等[4]分析了钢纤维掺量及再生材料对混凝土力学性能的影响规律，并提出了相应的基本参数。张顼等[5]研究了钢纤维和聚丙烯纤维对混凝土碳化性能的影响，并建立了碳化深度预测模型，主要内容为公式的理论推导与参数预测，为工程实际应用提供的试验性结论不足。

本文通过快速碳化试验、劈裂抗拉试验，研究钢纤维混凝土在水胶比、钢纤维掺量及碳化龄期等关键参数变化下的碳化规律，通过Fick 定律建立水胶比-碳化速率系数、钢纤维掺量-碳化速率系数关系模型，为进一步研究钢纤维混凝土结构的耐久性提供参考。

1 试 验

1.1 原材料

（1）水泥P·O42.5R 水泥，阿尔博波特兰（安庆）有限公司生产，主要物理力学性能见表1。

表1 水泥的物理力学性能

（2）钢纤维：波浪形，长度30 mm，直径0.5 mm，重庆宜筑公司加工生产，基本技术性能参数见表2。

表2 钢纤维的基本技术性能

（3）骨料：采用质地坚硬、耐久、洁净、密实的骨料，粗骨料为石灰岩碎石，粒径5～20 mm，骨料的主要技术性能见表3，符合GB/T 14685—2011《建筑用卵石、碎石》要求。

表3 骨料的主要技术性能

1.2 试验方案

水泥混凝土结构随服役年限的延长，其表面受环境、空气因素的腐蚀碳化作用逐渐增强，严重影响了结构物耐久性能。钢纤维可有效改善混凝土结构的力学性能、柔韧性等，本研究结合前期研究成果，研究了水胶比、钢纤维掺量和养护龄期等参数对混凝土碳化深度的影响，最终通过分析碳化后的混凝土劈裂抗拉强度确定基于碳化深度指标的钢纤维混凝土基本参数。具体试验方案如下：

（1）钢纤维混凝土配合比设计：采用不同的水胶比和钢纤维掺量，研究钢纤维混凝土抗碳化性能随养护龄期的变化，水胶比分别为0.30、0.35、0.40，钢纤维体积掺量为0～2%，其基本配合比设计见表4 和表5。

表4 不同水胶比钢纤维混凝土的配合比

表5 不同钢纤维掺量混凝土的配合比

（2）碳化试验：按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，试件尺寸为100 mm×100 mm×300 mm，标准养护28 d 后进行碳化试验。影响因素主要有钢纤维混凝土碳化时间（3、7、14、28、56 d）、浇筑面与侧面、钢纤维掺量、水胶比等。采用检测面3 个碳化深度平均值作为该条件下的碳化深度，精确到0.01 mm。

（3）劈裂抗拉强度试验：按照CECS13：2009《钢纤维混凝土试验方法》，采用100 mm×100 mm×100 mm 的立方体试件，尺寸换算系数采用0.8。

2 试验结果与分析

2.1 水胶比对钢纤维混凝土碳化性能的影响（见图1）

由图1 可知：

（1）水胶比对碳化深度影响显著，随着水胶比的增大，水泥用量减少，碳化深度显著增大。水胶比为0.30 时各龄期碳化深度最小、水胶比为0.40 时各龄期碳化深度最大，二者相差十分显著，如养护龄期28 d 时，水胶比为0.40 的钢纤维混凝土碳化深度较水胶比为0.30 的增大了278.6%。水胶比为0.30 的钢纤维混凝土抗碳化能力最强，随着水胶比的增大，呈下降趋势，这是因为，随着水胶比增大，水泥用量减少，相对而言需水量增加，加快了内部结构的水化反应，提高内部自由水分的蒸发，造成钢纤维混凝土结构中孔隙增加，碳化速率相应也提高。

（2）随碳化龄期的延长，不同水胶比下的碳化深度也呈逐渐增大的趋势，早期碳化龄期内的变化速率高于后期，这与普通混凝土的碳化规律接近。碳化龄期从3 d 逐渐延长至14 d，水胶比为0.30、0.35、0.40 的钢纤维混凝土碳化深度分别增大了171.2%、193.4%和152.2%；而碳化龄期从14 d 逐渐延长至56 d，水胶比为0.30、0.35、0.40 的钢纤维混凝土碳化深度分别增大了48.2%、43.9%和33.8%。这是因为随钢纤维混凝土表面孔隙不断碳化，形成的碳酸钙物质能够进一步填充相应的微结构孔隙，能够阻碍碳化箱中二氧化碳的进入，降低了碳化速率。

根据Fick 定律描述，水泥混凝土的碳化深度L 与碳化龄期t 符合：L=K·t1/2，其中K 为碳化速度系数。根据图1 计算出钢纤维混凝土在不同水胶比下相同碳化龄期的碳化速度系数，根据水胶比与碳化速度系数关系绘制相应的变化曲线，结果见图2。

由图2 可见，水胶比对钢纤维混凝土的碳化速度具有显著影响，随水胶比的增大，各龄期的碳化速度系数均急剧增大，二者服从幂函数关系。

对不同水胶比钢纤维混凝土的浇筑面（顶面）和侧面进行了碳化深度测试，结果见图3。

图3 钢纤维混凝土浇筑面与侧面碳化深度随龄期的变化

由图3 可见：

（1）在相同龄期及水胶比条件下，钢纤维混凝土顶面的碳化深度均大于侧面。7 d 龄期时，水胶比为0.35、0.40 侧面的碳化深度较顶面分别减小了47.2%和32.2%。

（2）碳化龄期对顶面与侧面的碳化深度也存在显著影响，随碳化龄期的延长，顶面与侧面碳化深度差距逐渐减小，56 d龄期时，水胶比为0.35、0.40 侧面的碳化深度较顶面分别减小了10.8%和13.3%。

2.2 钢纤维掺量对混凝土碳化性能的影响（见图4）

由图4 可知：

（1）钢纤维掺量对混凝土碳化具有显著影响，随钢纤维掺量的增加，碳化深度呈先减小后增大的趋势，钢纤维掺量为1.5%时各龄期碳化深度均最小，此时钢纤维混凝土内部结构最密实，抗碳化能力最强，水泥硬化过程中混凝土结构内部产生收缩应力与钢纤维的牵阻力相互抵消，改善内部结构微孔隙的增加，降低了孔隙率。随钢纤维掺量进一步增加至2.0%，钢纤维与混凝土的接触面积增大，造成内部结构产生界面连接薄弱点，增加了内部微孔隙率，易于二氧化碳的扩散，导致碳化深度急剧增大。碳化龄期为7、28、56 d，钢纤维掺量为1.5%时，钢纤维混凝土的碳化深度较未掺钢纤维的分别减小了56.4%、51.1%和39.4%；钢纤维掺量为2.0%时，碳化深度较未掺加钢纤维的分别增大了15.7%、10.6%和15.4%。

（2）随着碳化龄期的延长，不同钢纤维掺量下混凝土碳化深度也显著增大，前期0～7 d 的碳化深度增加显著，而28～56 d 的碳化深度增加速率显著下降，这前面的分析结果一致。以钢纤维掺量为0.5%为例，7、28、56 d 时碳化深度较3 d 时分别增加了102.4%、438.6%和474.4%；钢纤维掺量为1.5%时，7、28、56 d 时碳化深度较3 d 时分别增加了93.5%、402.2%和547.8%。

引入钢纤维掺量变化系数，依据Fick 定律描述，碳化深度L 与碳化龄期t 的关系如下：L=Kx·t1/2，其中Kx为钢纤维掺量为x 时的碳化速度系数。由此反算出不同钢纤维掺量下的碳化速度系数（见图5），可见，随钢纤维掺量的增加，碳化速度系数呈先减小后增大的趋势，二者服从三次项多项式关系。

图5 钢纤维掺量对碳化速度系数的影响

2.3 钢纤维混凝土碳化后的劈裂抗拉强度分析

钢纤维对混凝土的力学性能改善主要体现在抗拉强度方面。不同水胶比和钢纤维掺量下混凝土劈裂抗拉强度的变化分别见图6、图7。

图6 水胶比对钢纤维混凝土劈裂抗拉强度的影响

由图6、图7 可知：

（1）随水胶比的增大，钢纤维混凝土的劈裂抗拉强度显著降低，且不同水胶比下钢纤维混凝土劈裂抗拉强度均随碳化龄期的延长而提高。根据碳化深度分析结果可知，水胶比增大减少了水泥用量，对混凝土内部结构密实度也存在劣化作用，抗碳化性能也随之降低，其劈裂抗拉强度也呈降低状态。以7、28、56 d 龄期为例，水胶比为0.40 时钢纤维混凝土的劈裂抗拉强度较水胶比为0.30 时分别下降了7.9%、13.4%和13.3%。

（2）随水胶比的增大，碳化龄期的延长降低了钢纤维混凝土的劈裂抗拉强度的提高幅度，其中水胶比为0.30 时劈裂抗拉强度提高幅度最大。水胶比分别为0.30、0.35、0.40 时，56 d劈裂抗拉强度较3 d 劈裂抗拉强度分别提高了11.1%、9.1%和4.4%。

（3）随钢纤维掺量的增加，混凝土的劈裂抗拉强度先提高后降低，这与碳化速度系数变化规律一致。钢纤维掺量为1.5%时各龄期劈裂抗拉强度均达到最高，7、28、56 d 劈裂抗拉强度较未掺加钢纤维的混凝土分别提高了53.9%、59.2%、58.9%。随碳化龄期的延长，钢纤维混凝土的劈裂抗拉强度也呈逐渐提高的趋势，且增幅也高于未掺钢纤维的普通混凝土。钢纤维掺量为0、1.5%和2.0%时，碳化龄期56 d 的劈裂抗拉强度较3 d 时分别提高了6.4%、9.7%和10.6%。

3 结 论

（1）水胶比对钢纤维混凝土的抗碳化性能存在显著影响，随水胶比的增加，碳化深度逐渐增大，钢纤维混凝土的抗碳化性能下降。水胶比与碳化速度系数呈幂函数关系，随水胶比的增加，碳化速率系数也显著增大。

（2）钢纤维混凝土浇筑面的碳化深度均高于侧面，且随碳化龄期的延长，浇筑面与侧面的碳化深度差异逐渐减小，56 d龄期时，水胶比为0.35、0.40 侧面的碳化深度较顶面分别减小了10.8%和13.3%，与普通混凝土的碳化规律一致。

（3）随钢纤维掺量的增加，混凝土的碳化深度与碳化速率系数均先减小后增大，钢纤维的最佳掺量为1.5%，此时钢纤维混凝土的内部结构最密实，抗碳化性能最强。

（4）随水胶比的增加，钢纤维混凝土的劈裂抗拉强度显著降低；随钢纤维掺量的增加，混凝土的劈裂抗拉强度先提高后降低，与碳化速度系数变化规律一致。