纤维混凝土耐久性能研究综述.pdf
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1、纤维混凝土耐久性能研 究综述 唐巍等 1 2 3 纤维混凝土耐久性能研究综述 唐巍, 张广泰, 董海蛟,李梅,温 勇 ( 新疆大学建筑工程学院,乌鲁木齐 8 3 0 0 4 7 ) 摘要 纤维混凝土作为一种新型高性能混凝土建筑材料, 在建筑工程领域已经得到了广泛的应用。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, 分析并总结了冻融、 氯 离子侵蚀、 渗透以及碳化情况下, 纤维 对混凝土性能的提升, 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冻融性氯离子侵蚀 中图分类号 : T U5 2 8 0 4 文献标 识码 : A Re v i e w o n D
2、u r a b i l i t y o f Fi b e r Co nc r e t e T ANG We i ,Z HANG Gu a n g t a i ,D ONG Ha ij ia o ,L I Me i , WE N Yo n g ( C i v i l C o n s t r u c t io n Co l l e g e ,X i Ni a n g Un i v e r s i t y ,Ur u me h i 8 3 0 0 4 7 ) Ab s t r a c t As a k i n d o f h i g h - p e r f o r ma n c e b u i l
3、d i n g c o n c r e t e ma t e r i a l , f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( FRC) h a s b e e n wid e l y u s e d i n t h e d o ma i n o f e n g i n e e r i n g c o n s t r u c t i o n Th e r e s e a r c h p r o g r e s s o f d u r a b i l i t y o f f i b e r r e i n f o r c e d c o n c
4、r e t e a r e r e v i e we d,t h e p e r f o r ma n c e o f f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( F RC)h a s p r o mo t e d i n t h e c a s e o f f r e e z i n g - t h a wi n g,c h l o r i d e i o n e r o s i o n ,p e n e t r a t i o n a n d c a r b o n i z a t i o n,a n d t h e t r e n d
5、s o f r e s e a r c h i s p r o p o s e d Ke y wo r d s d u r a b i l i t y ,f i b e r c o n c r e t e ,r e s i s t a n c e t o f r e e z i n g a n d t h a wi n g,c h l o r i d e i o n e r o s i o n 0 引言 混凝土因其多功能性、 相对低廉 的成本 以及与钢材结合 制成各种承重构件等优点而成为 当今世界用量最大的建筑 材料, 被广泛用于桥梁、 大坝 、 高速公路 、 工业与民用建筑 等 结构 中,
6、近年来, 我 国每年有近 3 O 亿 m。 的混凝土用于基础 设施建设和国家重点工程建设 1 。但混凝土 自重大 、 体积不 稳定、 抗拉强度低 、 抗渗性和韧性差等缺点也限制了它的快 速发展。普通混凝 土随着抗 压强度的增大 , 脆性也 明显增 大 , 在受荷载作用时往往 出现无征兆 的崩碎性破坏, 极大地 影响了混凝土在实际工程中的应用。 混凝土结构除了要承受足够的荷载之外 , 还要不断遭受 自然环境作用下诸如表层磨损、 孔隙中盐结晶引起 的开裂以 及暴露于冰冻或火灾等极端温度环境下 的各种劣化因子 的 侵蚀作用, 导致混凝土结构的耐久性严重降低 。混凝土结构 的耐久性是指混凝土结构在服役
7、过程中的结构稳定性 , 其直 接影响混凝土结构 的服役寿命l_ 2 。从混凝土结构耐久性 损 伤机理来看, 可以将耐久性损伤分为化学作用和物理作用, 由化学作用产生的劣化现象有碳化、 钢筋锈蚀 、 碱一 集料反应 及化学侵蚀, 由物理作用产生 的劣化现象有冻融破坏、 磨损、 碰撞、 冲蚀等, 其中以冻融破坏、 氯盐侵蚀、 渗透和碳 化作 为混凝土结构耐久性降低的主要因素, 同时也决定 了混凝土 结构的使用寿命。 为更有效地改善外部及 内部环境对混凝土的侵蚀 作用 并延长混凝土结构的使用寿命 , 通常需要在混凝土 耐久性设 计和材料的选择阶段 充分考虑使用 足够的混凝土保 护层厚 度和高品质的混
8、凝土。混凝 土保护层厚度 的增加能够 带来 一 定的益处 , 因为这种做法能够有效阻碍侵蚀性介质 的侵入 并延长初始破坏产生的时间 4 。然而事实上 , 由于力学性能 和现实原因, 保护层厚度的增加是有限的。为达到混凝土的 理想力学性能与优异的耐久性 , 近年来有关混凝土耐久性能 的研究基本上集中于纤维和矿物掺合料的应用。 通过掺加纤维来改善建筑材料性能的想法甚至远早 于 水泥混凝土 的 问世 5 。纤维增 强混 凝 土 ( F i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e , F R C ) 简称纤维混凝土 , 通常是指以水泥净浆 、 砂浆 或混凝土
9、为基体 , 以非连续 的短纤维或连续 的长纤维作增强 材所组成的水泥基复合材料 。根据弹性模量可将纤维 分为 两大类 : 弹性模量小于水泥基体的纤维被称为柔性纤维, 如 聚丙烯纤维 、 尼龙纤维、 纤维素纤维; 弹性模量大于基体的纤 维被称为刚性纤维, 如钢纤维、 玻璃纤维 、 碳纤维等 6 。本文 对 国内外纤维混凝土的耐久性研究进行了系统的综述 , 并做 了进一步的展望 。 1 纤维混凝土的抗冻融性能 混凝土处于饱水状态和冻融循环交替作用是发生混凝 土冻融破坏的必要条件, 水在混凝土毛细孔 中结冰造成冻胀 *国家 自然科学基金( 5 1 2 6 8 0 5 5 ) 唐巍: 男, 1 9 8
10、 9年生, 硕士生, 研究方向为结构工程 温勇: 通讯作者, 男, 1 9 7 5 年生, 副教授, 研究方向为混凝土材料的耐久性 E - ma i l : we n y o n g _9 7 3 1 1 2 6 c o r n 1 2 4 材料导报 A: 综述篇 2 0 1 4年 6月( 上) 第 2 8卷 第 6期 开裂使混凝土的弹性模量、 力学性能严重下降, 出现裂缝 和 剥蚀。纤维对混凝 土各种性能的改善主要是通过纤维对基 体的限制、 阻碍裂缝产生而完成的, 目前对纤维增 强混凝 土 抗冻性能研究也是基于此原理 。纤维间距理论指出纤维 的 阻裂作用取决于纤维的平均 间距和单位立方米混凝
11、土中的 纤维数量 , 依据此理论 , 纤维对混凝 土的抗冻作用会随纤 维 掺量的增加而提高。 邓宗才等l_ 7 采用快冻法对 比纤维素和聚丙烯纤维混凝 土的抗冻性能 , 结果表明, 纤维素纤 维的掺人显著改善了混 凝土 的抗冻性能, 并且其作用 明显优于聚丙烯纤维。A E R i c h a r d s o n等_ 8 通过对质量损失率、 抗压强度和相对速度脉 冲来衡量纤维加入混凝土的抗冻融耐久性能 , 实验结果表明 当水胶比较低时, 掺人聚丙烯纤维能够降低其 吸水率提高抗 冻融性能 。赵泽 阳等 9 通过快冻法得出随着 聚丙烯纤维掺 量的增加 , 混凝土在盐冻循环后 的质量损 失率有所 降低
12、 , 但 当纤维掺量过大时 , 质量损失率逐渐增大。适 当的聚丙烯纤 维掺入混凝土中, 使盐冻损伤后混凝土劈裂强度和抗折强度 以及动 弹模 量 降 低 速 率减 缓 , 混 凝 土抗 冻 融 能 力提 高 。 Z h a n g P e n g 等n 叼 通过 AS T M 实验方法测定试件 3 0 0 次冻融 循环后的相对动弹性模量 , 结果表明 , 在混凝 土中掺人聚丙 烯纤维( 掺量在 0 0 8 以下) , 与基准混凝土相 比较 , 其抗冻 融性能均有 明显改善 , 掺量过高反而会降低混凝土的抗冻融 性能 。O k a n K a r a h a n等l_ 1 l j 测定了 5 0次
13、冻融循环后 聚丙烯 纤维混凝土的抗压强度和质量损失率 , 结果表明聚丙烯纤维 ( 掺量在 0 0 5 以下) 的抗压强度只降低 了 4 , 比素混凝土 提高了 3 , 聚丙烯纤维掺量在 0 1 t0 2 时反而会降低 混凝土的抗冻融能力 , 掺入粉煤灰 ( 掺量 3 O 左右) 后的聚丙 烯纤维混凝土经历 5 O次冻融循环后质量损失率没有变化 , 能显著提高混凝土的抗冻性能。何军拥等口 也有相似 的结 论 , 玄武岩纤维的掺入虽可改善混凝土 的抗冻性, 但这种改 善效果并非随着纤维掺量的增大而一直提高。另外 , 掺入适 量的粉煤灰能提高混凝土的抗冻性能 , 但粉煤灰掺量过大反 而会对混凝 土
14、的抗冻 性能带 来一 定 的负面影 响。蔡 迎春 等n 依据快冻法实验表明掺入改性聚丙烯仿钢丝纤维有助 于延长混凝 土的冻融循环使用寿命 , 提升混凝 土的抗冻性 能, 而且混 杂纤维 的抗冻效 果好 于单掺 改性聚丙 烯纤维 。 Ni u Di t a o等 通过冻融循环实验得 出, 由于钢纤维较强 的 阻裂能力 , 钢纤维对混凝土强度与抗冻融性能的贡献较为突 出, 掺量 在 2 左 右 时混 凝 土各 项性 能 都达 到最 佳。Ma Ha i y a n 等 根据 A S T M C 6 6 6 实验方法测定 1 1 0 0 次冻融循 环后两种高强混凝土的相对动弹模量和质量损失率 , 结果
15、表 明钢纤维高强混凝土 的抗冻融能力较普通高强混凝土增强 了 3 3 , 他们认为前者是由静水压力、 渗透压力 、 膨胀压力三 者共同作用而导致的混凝土冻融破坏。陈爱玖等口 利用正 交实验得出再生混凝土中再生骨料掺量为 5 O 、 粉煤灰掺量 为 1 O 、 减水剂掺量为 0 5 , 选用铣削波纹型钢纤维时, 再 生混凝土可满足强度及 良好抗冻性能 。翁兴 中等口 通过冻 融实验表明, 聚酯纤维掺量为 0 9 k g m。 可以有效地提高混 凝土冻融后 的抗压、 劈裂和抗弯拉强度。引气剂的掺人会导 致混凝土强度下降 , 聚酯纤维可以改善混凝 土的原始缺 陷, 提高混凝土的抗拉强度, 弥补因引气
16、剂掺入而导致的混凝土 强度下降。白闫平等 。 也有相似的结果: 在混凝土 中掺加聚 丙烯纤维和引气剂对混凝土的抗冻性能的改善均有好处 , 但 是二者的量要处于一个合理的范围, 当超过这个合理范围时 可能会起到相反作用 。 纤维掺量过大会导致混凝土抗冻融能力下降, 笔者认 为 其主要原因是由于过多纤维的存在会阻塞毛细管 , 导致混凝 土吸水率下降, 由于混凝土在冻融循环过程 中需要大量结晶 水 , 过多纤维的掺人无疑会 降低 吸水率 , 削弱抗冻融性 能。 其次 , 现今国内外在混凝土冻融损伤机理及工程冻害分析方 面的研究 以普通混凝 土为主 , 纤维对混凝土具有增强、 阻裂 以及增强韧性等特点
17、 , 但其冻融损伤性能如何 , 需要进 一步 探讨 。 2 纤维混凝土 的抗氯离子侵蚀 性研究 氯离子是各种侵蚀介质中侵蚀性最强的离子之一 , 侵入 混凝土的方式主要有 3 种 , 即扩散作用 、 毛细管作用和渗透 作用。氯离子侵入引起混凝土中的钢筋锈蚀 , 继而 导致混凝 土膨胀开裂而破坏结构 , 因此 , 氯离子侵蚀是引起钢筋锈蚀 的“ 元凶” , 而钢筋锈蚀又是影响混凝土耐久性的第一因素 。 一 般来说 , 氯离子的浓度可以认为是一个线性 的扩散过 程 , 掺入纤维能有效改善混凝土内部的孔结构 , 提高氯离子 表观扩散系数 。加入纤维后 , 数 以千万计的纤维均匀分布于 混凝土中从而起着
18、阻裂的作用。由于纤维的阻裂作用 , 亦可 显著减少裂缝 的数量、 长度和宽度 , 从而降低生成贯通裂缝 的可能性, 使混凝土骨料与水泥砂浆 的界 面更加严密 , 从而 使抗氯离子渗透性得到加强 。 Mo r t e z a HB e i g i 等口 通过 AS TM C1 2 0 2 1 2 ( R C P T) 实验方法得出, 在混凝土 中分别加 入钢纤维 、 聚丙烯纤维和 玻璃纤维的同时 , 掺人少量纳米二 氧化硅代替水泥 , 能够使 氯离子扩散系数分别降低 为原来 的 4 0 、 2 8 和 2 O 。王 磊等 。 。 通过实验发现混凝土中掺聚丙烯纤维有利 于提高 昆 凝土的抗氯离子侵
19、入能力, 氯离子渗透 电量 随纤维掺量的增 加而降低 。张君 等l_ 2 1 对混凝土梁施加弯 曲荷载 , 然后 采用 Na C 1 溶液连续浸泡或干湿循环方法对混凝土梁进行氯离子 侵蚀 , 通过测定混凝土裂缝处的氯 离子含量 , 研究 比较了开 裂状态下聚丙烯纤维与钢纤维混凝土的抗氯离子侵蚀性能 , 结果发现干湿循环后的氯离子侵蚀均较连续 Na C1 浸泡后的 更为严重 , 而且多 因素作用下 比单 因素氯离子侵蚀更 为严 重 , 在相同条件下, 聚丙烯纤维的性能更优于钢纤维, 两者都 要强于基准混凝土, 可见纤维还是起 到了很大 的抗裂作用。 李晗等 的研究结果表 明: 随钢纤维掺量增加
20、, 各龄期抗氯 离子渗透性能呈增大趋势 , 随纳米二氧化硅掺量增加, 各龄 期强度整体呈上升趋 势且抗氯离子渗透性 能逐渐提 高。何 军拥等 纠 研究发现掺入玄武岩纤维后 , 混凝土 6 h总通电量 较普通混凝土降低 了4 4 2 C , 氯离子在纤维混凝土 中的渗透 性变得极低。同时掺入粉煤灰后 , 玄武岩纤维混凝 土的抗氯 离子渗透能力显著增强 。A AR a me z a n i a n p o u r 等 通过 纤维混凝土耐久性能研 究综述 唐巍等 1 2 5 A S T M c _ 1 2 0 2 ( R C P T )实验方法得出, 在混凝土内部碱性环 境下聚丙烯纤维的加入能够有效
21、改善混凝土 内部结构 , 使混 凝土内部氯离子显著下降。周静海等口 采用 自然扩散法对 掺人不 同纤维体积和不 同纤维长度 的废弃纤维再 生混凝土 的抗渗性能进行实验研究, 结果表明, 当纤维长度为 1 9 mm, 体积分数为 0 1 6 时 , 废弃纤维再生混凝土的氯离子 的表观 扩散系数最小为 2 3 4 2 4 5 , 抗渗性能最好。王鹏等口 5 的研究 表明基体为 C 3 0 和 C 4 0 的 P V A纤维混凝土抗氯离子渗透能 力随着纤维掺量的增加均表现为先增强 , 后削弱, 当掺量大 于 1 后 , 抗氯离子渗透性差于素混凝土。闫长旺等_ 2 也有 相似的结论 : P V A纤维
22、掺入水泥基复合材料 中能减小微裂 缝的产生, 对提高 P V A水泥基复合材料抗氯离子渗透性能 起到积极作用, 但并不是纤维掺量越大越好, P V A存在一个 最佳掺量( O 5 ) , 超过这个临界值, 会产生负效应。王晨飞 等_ 2 采用 自然浸泡方法研究氯离子在聚丙烯纤维混凝土 中 的迁移性能 , 结果表明, 试件的氯离子含量随纤维掺量 的增 加而增多, 氯离子的扩散系数随着时间的延长衰减且速度逐 渐变缓 。这是因为纤维的掺入改变了混凝 土内部 的孔结构 和孔隙率, 氯离子的扩散系数随纤维掺量的增大而增大 , 随 着浸泡时间的延长 而减小 。Ma h y u d d i n R a m
23、l i 等口 胡 也有相 似的结论, 实验结果表明混凝土渗透性是氯离子渗透的主导 因素 , 并且掺人过多的纤维反而会使混凝土中氯离子含量增 加。 上述得 出的最佳掺量不同和一定量纤维会导致混凝土 抗氯离子渗透能力增加的结论可能是 由于各个地区的纤维 质量不 同, 并且随混凝土品种、 组成的不同, 实验结果的相关 性不 同; 还有可能是所采用的实验方法不同造成的。RC P T 法( 电通量法) 与 R C M 法是现今较为常用的测量混凝土氯离 子渗透性的实验方法。其 中, R C P T法虽然 简便快捷 , 但实 验结果精度较差 , 因为混凝土电阻率不仅与孔结构相关 , 还 与孔溶液中的离子强度
24、相关 , 而离子强度与孔结构无关 。因 而实验反应 的是 总体离子 的运 动结果, 而不只是氯离子 运 动。R C M 法能定量地评价混凝土抵抗 氯离子扩散 的能力 , 但此方法采用的溶液不统一, 尤其是 N a C I 阴极溶液浓度最 高达 1 O , 相对于电通量法 N a C I 浓度提高不少 , 且使用 的 溶液量很大, 不仅会增加实验成本, 而且实验完后的溶液会 污染环境 ; 此外, 采用人工读取氯离子渗透深度 , 不如 电通量 法中测量电流那么准确, 容易产生人为读数误差。 3 纤维混凝土的抗渗性能 在实际工程中, 合成纤维是通过增强混凝土 的抗裂能力 来提高混凝土工程的抗渗性能。
25、在混凝土 内掺入合成纤维 , 能够降低混凝土表面的析水现象, 并抑制混凝土表面在塑性 期内迅速失水而导致的 自身较大体积收缩 , 从而阻止塑性期 混凝土表面出现裂缝, 提高纤维混凝土的抗渗性能 。 何军拥等口 。 研究对 比玄武岩与聚丙烯纤维不同掺量时 对混凝土渗透性的影响 , 得出掺加玄武岩能够明显提高渗透 性能且幅度大于掺聚丙烯时的情况。诸多研究表明, 在混凝 土中掺入乱向短切玄武岩纤维后 , 混凝土的强度及抗裂性能 均得到明显改善 , 进而抗渗性 能得到提高 2 蜘。另外 , 如再 掺人粉煤灰 , 纤维混凝土的强度和抗渗能力均可得到一定程 度的提高。Ma h mo u d Ni l i
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