纤维混凝土耐久性能研究综述

第40卷第1期 辽宁工业大学学报(自然科学版) Vol.40, No.1 2020年 2 月 Journal of Liaoning University of Technology(Natural Science Edition) Feb. 2020 DOI:10.15916/j.issn1674-3261.2020.01.008 纤维混凝土耐久性能研究综述 辛 明，王学志，佟 欢 （辽宁工业大学 土木建筑工程学院，辽宁 锦州 121001） 摘 要：从抗冻融性、抗硫酸盐侵蚀性能、抗碳化性以及抗渗性4个方面综述了近年来国内外关于纤维对混凝土耐久性影响的研究进展，分析并总结了纤维对抗冻融性、抗硫酸盐侵蚀性能、抗碳化性以及抗渗性的影响，并对需要进一步研究的相关问题提出了建议。 关键词：耐久性；纤维混凝土；抗碳化性；抗冻融性；抗硫酸盐侵蚀；抗渗性 中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1674-3261(2020)01-0035-05 Summary of Research on Durability of Fiber Concrete XIN Ming, WANG Xue-zhi, TONG Huan （School of Civil and Architectural Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China） Abstract: The research progress in the influence of fiber on the durability of concrete in recent years was reviewed from four aspects: freeze-thaw resistance, sulfate corrosion resistance, carbonation resistance and impermeability. The effects of freeze-thaw resistance, sulfate corrosion resistance, carbonation resistance and impermeability of fiber were analyzed and summarized. Some suggestions about problems to be further studied are put forward. Key words: durability; fiber concrete; carbonation resistance; freeze-thaw resistance; sulfate corrosion resistance; impermeability 混凝土是当代工程领域应用最广泛的原材料，优点是能够就地取材，资源储备量大，价格低廉，可塑性和耐火性好，并且由于温度线膨胀系数相近所以能与钢构件结合使用并且整体性好。因此在世界各地的桥梁、大坝、高速公路、隧道、港口、沿海工程、工业与民用建筑上得到广泛应用。但其韧性差、自重大、抗拉强度低等因素也制约了自身的进一步发展。因为以上这些缺点，纤维混凝土就应运而生了。纤维混凝土主要有水、水泥、细骨料、粗骨料和外加剂作为主要成分，以非连续短纤维或连续长纤维作为辅助材料。纤维按照材料可分为：金属纤维，由金属加工制作而成，包括钢纤维等；无机纤维，主要指天然或人工制造的矿物纤维；有机纤维，一般指人工合成纤维，包括聚丙烯纤维、聚乙烯纤维等；植物纤维，指由植物的根茎加工而成的纤维，包括椰子纤维、亚麻纤维、龙舌兰等。纤维能起到抑制混凝土内部裂纹的产生与发展的作用，从而提高抗裂和抗渗性能，同时抗弯和抗拉性能也会进一步得到提升。由此可见，纤维混凝土对于传统混凝土的缺点有一定的弥补作用，提高了传统混凝土的各项性能，因此在建筑工程领域的应用一定会越来越广泛。而纤维混凝土的耐久性问题也将成为一个研究的热点问题。本文主要分析了纤维混凝土抗碳化性能、抗冻融性能、抗硫酸盐侵蚀和抗渗性4个因素的研究现状，并进一步分析其下一步发展趋势。 收稿日期：2019-04-22 基金项目：国家自然科学基金项目(51479168)；辽宁省自然科学基金项目(2015020214) 作者简介：辛 明(1994-)，男，辽宁锦州人，硕士生。 王学志(1976-)，男，辽宁锦州人，教授，博士。 优先出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/21.1567.T.20191227.1020.012.html 36 辽宁工业大学学报(自然科学版) 第40卷 1 纤维混凝土的抗碳（酸）化性能 研究现状 碳化的腐蚀原理是混凝土外界环境中的二氧化碳侵入到基体内部与骨料中的碱性物质发生一系列复杂的物理化学变化，会腐蚀混凝土内部钢筋，改变基体内部pH，直接影响混凝土的强度和耐久性。而掺入适量的纤维之后可以有效地减少基体内部的孔隙率，提高混凝土的密实度，进而可以减缓二氧化碳的侵入和腐蚀。 杨静[1]认为混凝土碳化主要产生碳酸和碳酸钙，具体见式(1)和式(2)。 H2OCO2H2CO3 (1) H2CO3Ca(OH)2CaCO32H2O (2) 新拌的混凝土内部呈碱性pH为12左右，碳化的过程会不断地消耗混凝土内部的碱性物质，使混凝土的酸碱度降低到pH 8.5左右[2]。当混凝土中酸碱度降低之后，混凝土中保护钢筋的那层致密的钝化膜就会遭到破坏，当钢筋遇到酸性物质时就会发生锈蚀，导致结构破坏。 程云虹等[3]研究表明，混凝土在标准条件下养护28 d后，纤维混凝土碳化腐蚀深度比普通混凝土小；并且聚丙烯纤维对提高混凝土抗碳化性能的效果(碳化深度减少33%)比钢纤维和耐碱玻璃纤维要好。元成方等[4]通过高温碳化试验研究表明，聚丙烯纤维混凝土的抗碳化性能与纤维掺量之间并不是线性关系，当纤维掺量在0.6 kg/m3时，混凝土的抗碳化性能最高；不掺纤维和掺入量为1.2 kg/m3时，混凝土抗碳化效果不相上下。王志杰等[5]对纤维喷射混凝土进行快速碳化试验，结果表明，一定量的纤维可以提高混凝土的密实度和抗碳化性能，降低碳化的速度，减小碳化深度；并且与单掺钢纤维相比混掺钢-聚丙烯纤维的抗碳化效果更佳。王艳等[6]通过试验表明，掺入适量钢纤维能提高混凝土抗碳化性能，并且掺入量为1.5%时效果最佳。王占海等[7]通过碳化试验研究得到与王艳相同的结论。张顼等[8]通过钢-聚丙烯混杂纤维混凝土碳化试验研究得出，当钢掺量为1.5%，聚丙烯纤维掺量为0.06%时，各个碳化龄期下，抗碳化性能最佳。程米春[9]通过试验研究表明，当钢-聚丙烯纤维1∶1混掺时，总掺入量为2%时，混凝土的抗碳化性能最好。张春生等[10]通过快速碳化试验表明，当钢纤维掺量为2%时，混凝土抗碳化能力提高幅度最大。 综合分析以上试验研究结果可以看出，一般都是研究聚丙烯纤维、钢纤维或者二者混掺对纤维混 凝土碳化性能的影响。其中大多数是研究钢纤维对碳化的影响，但是碳化时混凝土内部会产生碳酸，对钢纤维会有一定的腐蚀作用，腐蚀作用究竟多大则需要进一步研究探讨。 2 纤维混凝土的抗冻性能研究现状 混凝土的冻融破坏有两个前提条件：(1)混凝土要处于饱水状态；(2)冻融循环作用。Powers[11]认为混凝土中水结冰体积会增大约9%，当混凝土孔隙中的水含量大于91.7%时，未结冰的过冷水由于压力要被迫向外迁移，而孔隙水结冰时是由外而内的，因此迁移的过程会对周围的骨料产生压力，这个就是静水压力假说。当这个压力大于骨料之间拉力的时候就会发生冻融破坏。带来的后果就是出现裂缝、弹模降低、力学性能下降。 纤维对混凝土抗冻性能的提高主要是因为，第一，纤维的抗拉性能比较好，纤维在混凝土中呈三维网状乱向分布，能够替混凝凝土分担一部分拉应力，从而有效地防止裂缝的产生。第二，掺入适量纤维，能够增加混凝土的密实度，减少孔隙，改善空隙结构，增大了水的渗透阻力。第三，掺入纤维，减少混凝土的析水（表面）、离析（骨料）现象。第四，掺入纤维增加混凝土的含气量，能够减小混凝土内部的静水压力[12]。 黄功学等[13]通过试验方式研究50、100、150 d冻融循环下聚丙烯纤维混凝土的力学性能，结果表明，当纤维掺入量为0.9%时，试件的抗压强度、劈拉强度、抗折强度损失最少。进而说明了该掺量对混凝土抗冻性能提升最高。邓宗才等[14]在C50高强混凝土中掺入纤维素纤维和聚丙烯纤维采用快速冻融方法测得，纤维素纤维的抗冻性比聚丙烯的抗冻性好。之后又做了进一步试验研究得出考虑综合因素，纤维素纤维参量为0.9%时，对抗冻性提高的效果最好等结论[15]。乔匡义[16]采用慢冻法对比研究了PVA纤维混凝土与普通混凝土抗冻性能，结果表明，掺入PVA的混凝土质量损失、强度损失均小于普通混凝土，故掺入PVA纤维能提高混凝土的抗冻性能。程云虹等[17]对耐碱玻璃纤维、钢纤维和聚丙烯纤维混凝土进行快速冻融试验，结果表明，耐碱玻璃纤维和聚丙烯纤维对混凝土抗冻性能提高明显，并且聚丙烯纤维略优于耐碱玻璃纤维。牛荻涛等[18]对钢纤维混凝土进行快速冻融，实验结果表明，冻融后的质量损失率和相对动弹模量损失率均显著低于普通混凝土，故抗冻性能显著提高，并且掺量为1.5%时，效果最佳。孙家瑛[19]通过实验得出，第1期 辛明等：纤维混凝土耐久性能研究综述 37 聚丙烯纤维和植物纤维对混凝土抗冻性均有提高，并且植物纤维要优于聚丙烯纤维，掺量0.9%要优于掺量0.6%。何军拥等[20]的实验表明，掺入玄武岩纤维可以提高混凝土的抗冻性，但这种改变不是呈线性比例随着掺量的增加而一直提高的，在一定的比例范围内才能得到以上结论。朱晨飞等[21]研究了钢-聚丙烯混杂纤维对混凝土抗冻性的影响，当钢参量为1.5%，聚丙烯参量0.05%时对混凝土抗冻性提高幅度最大。赵兵兵等[22]对100 mm标准混凝土试块用慢冻法试验，得到结论，玄武岩纤维和聚丙烯纤维混掺对混凝土抗冻性提高要优于单掺一种纤维。并且当冻融循环50次时1∶1混掺，掺量为0.3%时；冻融循环100次时，2∶1(玄武岩∶聚丙烯)混掺，掺量为0.3%时；冻融循环150次时，2∶1(玄武岩∶聚丙烯)混掺，掺量为0.6%时，强度损失率最小。何锐等[23]研究聚乙烯纤维(PE)和聚丙烯塑钢纤维(HPP)对混凝土抗冻性能的影响，结果表明，当掺量为0.8%(HPP)+1.2%(PE)时，经过300次冻融循环后，其表面破损程度最低，并且依然具有较好的延展性。汪飞等[24]研究改性聚丙烯对混凝土抗冻性能的影响，实验表明，当掺量为0.3%(改性聚丙烯)+0.7%(钢纤维)混凝土抗冻性能要显著优于掺量比为1∶1(总量1%)的试件。杨益等[25]利用冻融循环研究钢-玄武岩纤维对混凝土抗冻性能的影响，实验数据表明，当体积掺率为1.5%(钢纤维)+0.05%(玄武岩纤维)时，混凝土的抗冻性能最优，等级水平可达F250；并且玄武岩纤维对抑制试件表面剥落起到很好的作用。肖琦等[26]从质量损失率，动弹性模量，抗压强度和抗折强度4个角度出发，研究不同的纤维掺率对抗冻性能的影响，结果表明，掺入纤维有效地减少了混凝土的质量损失，并且掺入2 kg/m3时效果最好。混杂纤维参量在一定范围内对混凝土的抗冻性有所提高，但是超过一定范围，会有负面影响。 基于对上述研究成果的综合分析，本文认为掺入适量纤维可以提高混凝土的密实度，减小孔隙率，提高抗渗性能。纤维提高抗冻性的原理，一方面减少水的渗透量，另一方面可以吸收一部分未冻水，减小混凝土内部的静水压力，从而提高抗冻性。当纤维掺量过多，容易出现打团现象，纤维分布不均匀，导致孔隙率增大，内部结构多空疏松，反而对混凝土的抗冻性能起到负面影响。 3 纤维混凝土抗硫酸盐腐蚀性能 硫酸盐对混凝土的侵蚀作用十分复杂，大体上 一般分为2类，一类是物理作用，混凝土处于硫酸盐的环境中，内部会渗入硫酸钠溶液，这时硫酸钠会与水结合生成错误！未找到引用源。SO4·H2O，体积大约是原来的4.5倍。会对混凝土产生膨胀应力，当应力值大于混凝土的抗拉强度时，会使混凝土结构开裂[27]。另一类是化学作用，根据生成物不同又可分为： (1)E盐破坏，当混凝土水化后，内部环境呈碱性，这时侵入混凝土内部的硫酸根离子会和氢氧化钙等发生反应生成钙矾石，钙矾石与水结合后，体积会增大至少1.5倍，使混凝土膨胀逐渐产生裂缝[28]。由于裂缝的增加，侵入的硫酸盐会更多，进而形成恶性循环。 (2)G盐破坏，当硫酸盐浓度过高时，不仅会产生钙矾石，同时也会有石膏产生，石膏的体积大约是氢氧化钙的1.24倍[28]，也会是混凝土膨胀产生裂缝。 (3)碳硫硅钙石侵蚀破坏，即硅酸钙、碳酸根、硫酸根在低温、大湿度、pH较低情况下发生反应，生成的碳硫硅钙石。该物质不会产生体积膨胀，但是会直接腐蚀水化硅酸钙，使混凝土之间的粘结力丧失，导致破坏[29]。 王学志等[30]对单掺混掺玄武岩-聚丙烯纤维混凝土进行长期硫酸盐浸泡实验，当浸泡龄期为7 d时，1∶1混掺玄武岩-聚丙烯纤维，总掺量为0.6%时，抗腐蚀性能最优，单掺0.3%玄武岩纤维对抗腐蚀性能几乎没有影响。14 d龄期时，1∶1混掺玄武岩-聚丙烯纤维，总掺量为0.3%、0.6%时，抗腐蚀性能最优。28 d龄期，1∶2混掺玄武岩-聚丙烯纤维，总掺量为0.3%；单掺玄武岩掺量0.9%时，抗腐蚀性最好。并且混掺纤维各个方面考虑都要优于单掺纤维的性能。朱安标[31]通过硫酸盐浸泡实验，结果表明，7 d龄期时，1∶2混掺钢-聚丙烯纤维，总掺量为0.25%时，抗腐蚀性能最优。14 d龄期时，1∶2混掺钢-聚丙烯纤维，总掺量为0.75%时，抗腐蚀性能最优。陈红莉[32]对聚酯纤维混凝土进行硫酸盐干湿循环实验，结果表明，在12次干湿循环内，聚酯纤维混凝土的抗压劈裂强度均高于普通混凝土。李艺等[33]对玄武岩-聚丙烯混掺的纤维混凝土进行硫酸盐干湿循环实验，结果表明，硫酸盐侵蚀后纤维混凝土的劈裂抗拉强度、抗压强度均优于普通混凝土。并且在相同侵蚀龄期下，纤维混凝土的硫酸根离子浓度要低于普通混凝离子浓度。何锐等[34]通过对纤维混凝土进行硫酸盐长期浸泡和干湿循环两种实验得到结论，干湿循环对混凝土的腐蚀程38 辽宁工业大学学报(自然科学版) 第40卷 度要比长期浸泡腐蚀程度大。并且当掺入聚乙烯0.8%+聚丙烯1.2%时，龄期在450 d时，质量损失率、抗压强度损失率均最小。 综合前面的研究成果，可以发现硫酸盐对混凝土的侵蚀非常严重，并且反应复杂，需要引起人们的重视。而且目前的研究主要停留在材料层面，以后应该重点研究构件和结构的硫酸盐侵蚀。 4 纤维混凝土抗渗性能 混凝土抗渗性是指基体抵抗有害气体和液体侵入的能力。因为混凝土侵蚀主要受这两个因素的影响，故抗渗性对于研究混凝土耐久性起着至关重要的作用。 程云虹等[35]采用渗水高度法测定纤维混凝土的抗渗性能，实验结果表明，在钢纤维、耐碱玻璃纤维和聚丙烯纤维中，聚丙烯纤维对混凝土抗渗性增强效果最好，耐碱玻璃纤维次之。吴刚等[36]发现聚丙烯纤维掺量越多混凝土抗渗性能越好，并且长度为19 mm时最优。而向阳开[37]试验表明，聚丙烯纤维掺量为0.9 kg/m3时，混凝土的抗渗性能最好。闫忠明[38]研究碳纤维对混凝土抗渗性能影响，得出结论对标普通混凝土抗渗性，当纤维长度为10 mm时提高21%，掺量为0.6%时提高32%。徐晓雷等[39]通过抗渗试验和渗水高度试验得到结果为，当聚丙烯纤维掺量为0.15%时，抗渗性能约为普通混凝土的2倍。Kakooei等[40]通过四电极法研究抗渗性，得出结论，总体上随着纤维掺量的增加抗渗效果就越好。钱红萍[41]采用RCM法测得掺入纤维素纤维或者混掺（纤维素纤维加PVA纤维）后氯离子扩散系数和渗水高度相对于普通混凝土均有所降低。邓宗才等[42]用渗水高度法测得，在同等掺量下纤维素纤维抗渗性能优于聚丙烯纤维，并且当掺量为 0.9 kg/m3时，对混凝土抗渗性能提升效果最佳。赵兵兵等[43]采用渗水高度法研究玄武岩-聚丙烯纤维，单掺混掺对混凝土抗渗性能影响，得出结论，当掺率为0.9%及以下时，对混凝土抗渗性能均有不同程度提高，且玄武岩-聚丙烯比例2∶1掺率0.3%时，抗渗性能提高幅度最大，即最优掺率为0.3%。但是当掺率为1.2%时出现了负增长。夏辉[44]采用渗水高度法研究纤维素纤维对混凝土的抗渗性能的影响，得出当掺率为1.5 kg/m3时，效果最好，相对于普通混凝土渗透系数降低了43.81%。赵树青等[45]对碳纤维混凝土进行抗渗试验，结果表明，当碳纤维掺率0.5%时效果最好，但掺量0.2%与0.5%效果相差不远，故考虑其他因素(成本)综合来看选择掺量0.2% 为最优方案。闻洋等[46]用渗水高度法研究不同长度掺量的聚乙烯醇对混凝土抗渗性的影响，得出结论，纤维长度为8 mm时抗渗效果最好，且掺量为1.4 kg/m3渗透高度为普通混凝土的40%。 5 结语 本文分析了单一腐蚀环境对纤维混凝土耐久性的影响，大量实验表明，纤维混凝土在耐久性的各个方面(抗碳化、抗冻融、抗硫酸盐腐蚀、抗渗性)都要优于普通混凝土。但也应该看到，目前的研究过多地探讨了单一因素的影响，材料的耐久性研究已经取得了很大的进展。但是在实际工程中很少遇到单一因素的作用，而且在工程中混凝土都是以构件的形式工作的。因此以后的研究工作应把重点放在多因素耦合作用(冻融-硫酸盐共同作用、冻融-碳化共同作用等)和构件结构的耐久性上面，这样更贴近工程实际，试验也更有价值。 参考文献： [1] 杨静. 混凝土的碳化机理及其影响因素[J]. 混凝土, 1995(6): 23-28. 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