混杂纤维粉煤灰混凝土基本力学性能与耐久性研究

陈代君， 陈欣美

（1 新疆建筑科学研究院(有限责任公司),新疆建设工程质量安全检测中心(有限责任公司),新疆乌鲁木齐 830054；2 乌鲁木齐职业大学,新疆乌鲁木齐 830054）

1 概述

混凝土材料的原料来源广泛,成本较低,强度高,施工过程简单易行,是我国建筑工程中使用量最大的建材。然而以水泥为主的传统建材的制备核心工艺都是煅烧熟料,消耗大量的电能和热能,耗能严重且能量利用率低,还会排放大量的SO2、CO2、CO等温室气体,和产生大量的粉尘污染[1]。在国家绿色、可持续发展的理念下,降低混凝土生产过程中的温室气体和减少能源的消耗是建筑工程领域的必然道路。

煤炭作为主要的消耗品广泛应用在金属冶炼、火力发电等工业场景中,根据研究表明,每消耗1吨的燃用煤,会产生约300kg的粉煤灰,粉煤灰作为燃料(一般指煤)在燃烧过程中产生的不可燃或燃烧不充分导致的微小颗粒,造成严重的大气污染和生态破坏。同时因为粉煤灰的质量很轻,悬浮在空气中,易被人体吸入,影响人体健康,同时,沉降的粉煤灰还会造成土地的盐碱化[2]。为了减轻粉煤灰对生态的破坏,研究人员将粉煤灰强吸附能力的特点应用在建材、污水处理和农业等工程领域,更富有创造意义的将粉煤灰和混凝土相结合,开发出粉煤灰混凝土。

粉煤灰混凝土的开发是将粉煤灰取代混凝土中的部分水泥,在回收利用粉煤灰的同时,减少了水泥的使用,另一种意义上减少了水泥工业的污染。根据研究表明,粉煤灰会一定程度上增加混凝土的碳化深度和动弹性模量,改善混凝土的抗腐蚀性能等,但粉煤灰的加入会使得混凝土密度降低,强度也会受到一定的影响,为了加强粉煤灰混凝土的力学性能,研究人员将纤维混杂在混凝土中,以加强粉煤灰的强度和韧性等性能[3]。

2 粉煤灰与纤维混杂混凝土

2.1 粉煤灰混凝土

粉煤灰是经过煤炭等燃料经过燃烧后,一些不可燃的无机物分散而成的固体细小颗粒,由于粉煤灰本质上是不可燃的无机材料,本身并不存在凝胶特性,但当其与混凝土混合时,在环境中有水的参与下,粉煤灰会和混凝土发生反应,得到水化硅酸钙凝胶(C-S-H凝胶)[4],水化硅酸钙凝胶具有粒径小、比表面积大和表面能高等特点,在水泥的凝结过程中,可作为填充物填充水泥中的微小孔隙。同时粉煤灰表面光滑的形貌特点和其对水的吸附力小的理化性质使得粉煤灰混凝土对水的需求量较少,加快了混凝土的凝结时间,提高混凝土的致密度[5]。除此之外,均匀分布的粉煤灰不仅可以作为填充物改善水泥多孔结构,还可以改善凝胶的颗粒分配,使得水泥的强度和抗渗性都有所提高[6]。

在对粉煤灰混凝土的研究中,粉煤灰起初是为了改善混凝土的工作性,但后来的研究发现粉煤灰对混凝土的加强作用可使得其运用于许多特殊环境,如三峡工程就使用到了粉煤灰掺杂混凝土来提高混凝土的耐久和稳定性等[7]。Seo等[8]研究发现粉煤灰的掺杂会增强再生骨料混凝土的碳化反应,所制混凝土的动弹性模量也有一定幅度的升高。而Wang等[9]对粉煤灰混凝土的抗渗性进行研究时发现,加入粉煤灰的混凝土组别表现出了对氯离子更好的抗渗性,且在进行了冻融循环实验后的质量损失也更小。在其小组更新的研究[10]表明,粉煤灰也会提高混凝土的耐蚀性。关于粉煤灰提升混凝土的力学性能也有研究,Gao等[11]发现一定范围内粉煤灰的添加量越高,混凝土的抗拉性能越高,但也有研究表明粉煤灰的加入使得混凝土的长期服役后抗压强度和抗弯折能力相对平行组有较大的下降。

2.2 混杂纤维混凝土

混凝土作为现代建筑工程领域最为常用的建筑材料,具有强度高、稳定性好等优点,但混凝土的缺点也十分明显：脆性过大、抗弯折能力过低,影响了其在多种环境下的应用。为了增强混凝土的韧性,研究人员将纤维材料与混凝土混杂,使得复合混凝土材料具有一定的混杂纤维特性,提高混凝土的抗裂性能和抗弯折能力[12-13]。

现在市场常见的增强纤维相分为有机高分子纤维和无机纤维。有机纤维混杂的混凝土的韧性有一定程度上的提高,混凝土具备一定的抗冲击性能,且有机长纤维的混杂还可以在混凝土的凝结过程中充当桥连的作用,延缓裂纹的萌发和扩展[14],短纤维的强化机理以填充孔隙和高表面能对混凝土粘合度增加实现的[15]。而无机纤维材料对混凝土的加强较多体现在抗压强度等力学性能上。研究人员如Roohollah[16]、Qian[17]等均发现聚丙烯纤维复合混凝土的抗拉强度和韧性有所提高。其他研究也指出,纤维的混杂也会对混凝土造成负面效应,在高温环境下,有机纤维混杂混凝土的失效程度比普通混凝土要高,其抗碳化和抗渗性也有所降低,这与混凝土内混杂的类型相关[18]。

不同种类和形态的纤维对混凝土的影响各不相同,为了有效结合各种纤维混杂混凝土的优点,研究人员于上个世纪就开发出了多种纤维混杂的方式对混凝土进行增强。然而,实验表明,多种纤维的混杂并不都是对混凝土的性能进行增强的,大多呈现出负向混杂效应,即混凝土的性能反而比不上单一纤维混杂后的性能。贺晶晶等[19]在对多种纤维混杂的研究中发现,聚丙烯与玄武岩纤维的混杂组合对混凝土有着正向促进作用,这种促进作用也称为“正混杂效应”。曹二伟等[20]在此基础上发现了钢纤维和聚丙烯纤维的混杂同样具有正混杂效应,并且钢纤维“聚丙烯纤维和玄武岩纤维”聚丙烯纤维混杂后的混凝土的碳化速度有所降低,后者碳化速率的降低幅度高达40%。

2.3 混杂纤维粉煤灰混凝土力学性能与耐久性

在混杂纤维混凝土技术发展的基础上,研究人员将粉煤灰混凝土的设计理念加入到混杂纤维混凝土中,由于粉煤灰混凝土的缺陷大多在于致密度与力学性能上,混杂纤维混凝土的高致密性和优越的力学性能对粉煤灰混凝土有着较好的互补性。张明[21]将粉煤灰以陶粒的方式加入到钢纤维-聚丙烯纤维混凝土中,并使用正交实验思路对陶粒掺杂量对混杂纤维增强混凝土性能的影响进行分析。结果表明,水泥用量、粉煤灰砂率和聚丙烯纤维掺量都会对混杂纤维增强粉煤灰陶粒混凝土的抗压强度有着较大的影响,其中水泥用量的影响最大,聚丙烯纤维掺量对其影响最小,42%的粉煤灰砂率和1.2kg·m-3的聚丙烯纤维掺量表现出最佳的混凝土性能,为混杂纤维增强粉煤灰陶粒混凝土的推广及应用提供了试验依据及参考。而侯经文[22]的研究表明,在H20、MgSO4、Na2SO4三种不同的服役环境中,粉煤灰掺量较低时混凝土的强度较大,且随着干湿循环的进行,混凝土的强度有着小幅度的提升。该发现与Guilherme[23]的发现一致,粉煤灰混凝土的压缩强度随着粉煤灰含量的不断增加而提升。除此之外,付转霞[24]的研究表明,纤维混凝土会在硫酸盐环境中与硫酸根发生化学反应,产生的钙矾石和石膏会对纤维混凝土的孔隙有填充作用,通过对混凝土致密度化来提升了纤维混凝土的压缩强度。

然而王军[25]和李瑜[26]等人对粉煤灰-钢纤维混凝土的力学性能研究中则显示,粉煤灰的添加对钢纤维混凝土的综合性能存在一定的劣化作用,且粉煤灰用量大于10%～20%时,各项性能下降趋势更为明显。李肖[27]则将基准混凝土和粉煤灰混凝土进行冻融循环实验对比,基准混凝土的抗压强度会随着冻融循环次数的增加而降低,然而粉煤灰混凝土的抗压强度在冻融循环初期会有小幅度的升高,后期慢慢降低。程猛[28]在对粉煤灰纤维混杂混凝土的冻融循环实验中对这种现象进行了解释,混凝土内部的冻胀和渗透压力和冻融循环产生的疲劳是产生损伤的原因,而粉煤灰的掺入可以有效减缓了压力引起的应力集中,从而增加了混凝土抵抗冻融破坏的能力。

3 结语

混杂纤维粉煤灰混凝土的开发和应用不仅缓解了粉煤灰的污染问题,且随着混凝土技术的发展,混杂纤维粉煤灰混凝土的配比等基础研究已经越发成熟,混凝土的综合性能已经有着较大的提升,且在抗冻方面有着独特优势,开始应用于各个领域中。但是依然存在很多问题,粉煤灰对混凝土的劣化作用不可小视,是以后需要攻克的难点。