高性能流动混凝土耐久性研究

甘霖

摘要：文章通过采用不同掺量组合纤维（钢纤维、棕榈纤维和合成纤维）配制成高性能流动混凝土，研究其力学性能和耐久性，分析不同纤维在不同养护条件下（水固化和海水固化）对高性能混凝土试件的抗压强度、抗弯强度、静态弹性模量和渗透性的影响。试验结果表明：当采用1.5%～1.75%钢纤维、0.25%～0.5%棕榈纤维和合成纤维组合的混合纤维能明显提高混凝土的抗压强度、抗弯强度、弹性模量，达到最佳效果，且经过海水侵蚀的混凝土具有较好的抗渗性。

关键词：纤维；高性能流动混凝土；配合比；力学性能；耐久性

0引言

水泥混凝土的性能取决于生产过程中使用的原材料质量，但混凝土原材料生产对生态环境破坏巨大，因此研究配制具有高性能、高韧性、高和易性和高耐久性的混凝土是迫切需要［1-2］。将纤维掺入混凝土材料中可提高其弯曲韧性和抗裂性，可使混凝土多种性能得到改善。其中，钢纤维混凝土具有较好的力学强度和抗弯性，但钢纤维含量不易过多，否则由于钢纤维的存在，易使混凝土导电，引起一定的弊端［3］。優化混凝土性能可选择不同纤维材料组合掺入到混凝土中，以增强混凝土的不同性能。其中，第一种纤维提高混凝土开裂应力和极限强度；第二种纤维可改善混凝土的柔韧性和延展性，使开裂后的混凝土仍具有韧性和应变能力，可以阻止扩展的宏观裂纹并显著提高复合材料的韧性，减小裂缝宽度，也提高了纤维混凝土拉伸强度［4-5］。不同尺寸和类型的混合纤维增强混凝土的性能不仅优于钢纤维混凝土，而且也好于单一尺寸和类型的纤维混凝土［6］。

因此，本文研究高性能流动混凝土（HSFC）的基本特性，使不同掺量的混合纤维（3种不同类型的纤维，即钢纤维、棕榈纤维和合成纤维）掺入混凝土，通过对不同养护条件和养护龄期的纤维混凝土试件进行抗压强度、抗弯强度、弹性模量和渗透性等方面性能的测试分析，研究在海水养护条件下受海水侵蚀的纤维混凝土试件性能。

1 原材料分析和试验方法

1.1 原材料

（1）水泥及硅灰稳定剂。采用普通硅酸盐水泥（P·O42.5）及硅灰作为混凝土的稳定材料，水泥及硅灰的各项技术指标经试验检测符合规范要求，如表1所示。

（2）本文采用3种不同纤维增强混凝土耐久性，棕榈纤维、合成纤维、钢纤维的各项物理技术指标分别如表2～4所示，其检测结果符合规范要求。

1.2 配合比设计

本文采用水和稳定剂（水泥+硅灰）比为0.43，共配制了17种混凝土配合比设计方法，如表5所示。水泥、硅灰和沙子掺量保持不变。减水剂的用量为稳定剂（水泥+硅灰）材料重量的1.8%～2.2%，为了保持混凝土的工作性及均匀性，减水剂掺量为2.2%。以0.25%～2%纲纤维掺量配制成的混凝土为C1～C8；采用不同掺量钢纤维和棕榈纤维的混合纤维配制的混凝土为C9～C12；3种不同掺量的混合纤维（钢纤维、棕榈纤维和合成纤维）制备的混凝土为C13～C16。

1.3 试验方法

本文采用每种配合比制成3个100 mm×100 mm×100 mm的立方体混凝土试件在标准条件下养护90 d或在海水条件下养护90 d和180 d后，进行抗压强度测试；采用每种配合比制成3个半径为150 mm、高为150 mm的混凝土圆柱体试件进行劈裂抗拉强度测试；采用每种配合比制成3个半径为150 mm、高为300 mm的混凝土圆柱体试件进行静态弹性模量测试；采用每种配合比制成3个100 mm×100 mm×100 mm的立方体混凝土试件进行抗弯强度测试。

混凝土渗透测试程序：（1）标本取芯，半径为40 mm、高60 mm的混凝土圆柱体试件；（2）将试样在烘箱中干燥72 h，以确保测试干燥试件；（3）在圆柱体曲面上涂上硅橡胶化合物，并置于干燥器中24 h；（4）将试样置于渗透器中，施加气压；15 min后试样达到稳定状态；（5）使用气泡计测量气体流动时间［7］。混凝土渗透率计算关系式如下：

2 结果与讨论

2.1 不同纤维对混凝土工作性能的影响

由表5可分析出不同纤维掺量对混凝土流动性能的影响效果，由于钢纤维的加入降低了高性能流动混凝土的流动性，因此需要在纤维混凝土中加入更多的减水剂才能满足混凝土和易性的需求。混凝土中，采用棕榈纤维、合成纤维、混合纤维代替钢纤维都会导致更好的流动性。因此，棕榈纤维和合成纤维对混凝土流动性或工作性的影响远小于钢纤维混凝土。

2.2 抗压强度分析

由表6可知，当钢纤维掺量为0～1%时，随着钢纤维掺量的增加，其抗压强度也随之增加，由于混凝土中孔隙率降低，同时也增加了混凝土力学的粘结强度；钢纤维掺量从0增加到1%时，高性能流动混凝土抗压强度增加了10%。但当钢纤维掺量为1%～2%时，随着掺量继续增加，混凝土抗压强度却随之降低。因此在纤维混凝土中钢纤维掺量为1%时，单一纤维混凝土的抗压强度较好。

由混合纤维材料试验结果可知，当棕榈纤维掺量为0.25%～0.5%及钢纤维掺量为1.5%～1.75%时，其高性能流动混凝土抗压强度值最大，这是由于不同尺寸和类型的混合纤维会提供不同约束条件。而且，由于混合纤维的加入，提高了混凝土力学粘结强度，纤维在一定程度上能够延迟微裂纹的形成及发展。当采用掺量＞0.5%棕榈纤维或棕榈纤维和合成纤维时，可明显发现不同掺量混凝土抗压强度会明显降低，棕榈纤维或棕榈纤维本身的刚度较低及混凝土试件在受压过程中易使砂浆基质位置，进而降低了高性能流动混凝土整体抗压强度。

高性能流动混凝土经过海水固化后，其混合纤维混凝土的抗压强度降低了5%～9%。而在采用钢纤维和棕榈纤维或钢纤维、棕榈纤维和合成纤维组合形成混合纤维的混凝土后，其抗压强度降低较小，表明不同类型纤维组合加入到混凝土中改善了高性能流动混凝土空隙率，使混凝土在海水的侵蚀作用下依旧保持较高的抗压强度。

2.3 抗弯强度分析

高性能流动混凝土的抗弯强度試验结果如表7所示，随着钢纤维掺量的增加，钢纤维混凝土的抗弯强度也随之增加。当钢纤维掺量为1.5%时，其抗弯强度增长约36%，钢纤维改善了高性能流动混凝土的韧性基体、致密性和均匀性。当钢纤维掺量＞1.5%时，其抗弯强度略有降低。

1.75%钢纤维与0.25%棕榈纤维组成的混合纤维（C9）及1.5%钢纤维+0.25%棕榈纤+0.25%合成纤维（C16）的合成纤维明显提高了纤维混凝土抗弯强度，相比于不含纤维混凝土，含纤维混凝土抗弯强度最高可增加40%，钢纤维具有较强的刚度且可改善混凝土首次开裂强度，而棕榈纤维和合成纤维相对柔韧，从而提高了开裂后混凝土的韧性。

经过海水侵蚀的纤维混凝土，其抗弯强度降低约4%～7.5%。这是由于混凝土试件表面钢纤维遭到腐蚀进而降低了混凝土的抗弯强度，致使混凝土表面产生脱落；由于钢纤维的开裂和脆弱性增加，引起钢纤维混凝土的表面劣化严重降低了混凝土的弯曲应力。因此，不同类型的混合纤维提高了混凝土的抵抗力。

2.4 静态弹性模量分析

如表8所示为高性能流动混凝土静态弹性模量计算结果，采用2%的钢纤维导致静态弹性模量的增加。分析C0与C8的弹性模量测试结果，静态模量弹性由42.1 GPa增加到54.8 GPa，钢纤维的刚度较好，这导致高性能流动混凝土的弹性模量更高。在掺量为0.25%～0.5%的棕榈纤维以及棕榈纤维和合成纤维与钢纤维形成的混合纤维中，C9和C16的静态弹性模量值最高，弹性模量的增加是由于混凝土减少颗粒基质的脱落，即骨料的弹性模量与硬化水泥浆体的弹性模量之差变得足够小，从而导致混凝土更高的粘合强度，使混凝土具有较高的弹性模量。

经过180 d海水侵蚀作用下纤维混凝土的弹性模量下降了3%～7%，钢纤维、棕榈纤维和合成纤维组合的混合纤维静态弹性模量降低最少，说明含有不同类型纤维的混凝土具有控制试件内部开裂的能力。因为棕榈纤维和合成纤维的存在减少了钢纤维表面的腐蚀，所以这些纤维对海水中侵蚀的混凝土试件具有更强的耐久性。

2.5 抗渗性分析由表9可知，经过海水侵蚀的掺量为2%钢纤维混凝土渗透性相比于标准水养护的正常养护试样的渗透性，其渗透率由7.36×10-18 m2降至4.21×10-18 m2。混合纤维的测试结果还表明，这种夹杂物可显着降低渗透性。含纤维混凝土渗透率都有所下降，不同类型组合掺量的混合纤维混凝土渗透率最低。

3 结语

本文通过配合比设计、力学特性及耐久性试验研究不同纤维掺量的高性能流动混凝土基本性能，得出主要结论如下：

（1）当钢纤维掺量为1%时，高性能流动混凝土的抗压强度提高了30%；采用-0.5%～0.2%的棕榈纤维和1.5%钢纤维组成的混合纤维混凝土抗压强度明显得到提高。经过180 d海水侵蚀钢纤维混凝土与1.5%钢纤维、0.25%棕榈纤维和0.25%合成纤维的混合纤维混凝土抗压强度降低9%。

（2）当钢纤维掺量为1.5%时，高性能流动混凝土的抗弯强度提高约36%；采用1.5%钢纤维、0.25%棕榈纤维或0.25%合成纤维组成的混合纤维的180 d海水侵蚀抗弯强度降低最少。

（3）掺量为1.5%钢纤维、0.25%棕榈纤维和合成纤维的混合纤维混凝土静态弹性模量值最高，且经过180 d海水侵蚀，弹性模量仅降低3%。

（4）掺量为2%钢纤维混凝土渗透率由7.36×10-18 m2降至4.21×10-18 m2。海水暴露180 d后渗透率增加的百分比表明，混合纤维混凝土提供的渗透率最低；含纤维混凝土渗透率都有所下降，不同类型组合掺量的混合混凝土渗透率最低。

参考文献：

［1］董方园，郑山锁，宋明辰，等.高性能混凝土研究进展Ⅰ：原材料和配合比设计方法［J］.材料导报，2018，32（1）：159-166.

［2］刘建敏.高性能混凝土在高速公路施工中的应用研究［J］.公路交通科技，2016，12（2）：（157）-160.

［3］孙 勇.钢纤维对超高性能混凝土施工及力学性能的影响研究［J］.公路工程，2021，46（1）：195-199.

［4］李 智.混杂纤维混凝土动态压缩性能研究［D］.武汉：武汉理工大学，2011.

［5］徐 超.纤维混杂效应对混凝土复合材料的力学及耐久性能的影响［J］.2021，52（1）：1 202-1 207.

［6］杨 简，陈宝春，吴香国.新拌超高性能纤维增强混凝土流动性能对其抗压强度的影响［J］.复合材料学报，2021，38（11）：3 827-3 837.

［7］张国荣，韩依璇，Frédéric Skoczylas，等.混凝土气体渗透性测试技术研究［J］.硅酸盐通报，2015，34（S1）：116-122.

作者简介：甘 霖（1991—），工程师，主要从事道路检测方面的研究工作。