纤维喷射混凝土的耐久性试验研究.pdf

2 0 1 4 年 第 1期 (总 第 2 9 1期 ) Nu mb e r 1 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 2 9 1 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 预拌混凝土 READY M ED C0NCRETE 纤维喷射混凝土的耐久性试验研究 王志杰 ，王奇 ，孟祥磊 。胡磊 ( 西南交通大学 交通隧道教育部重点实验室 土木工程学院，四川 成都 6 1 0 0 3 1 ) 摘要： 依托于某隧道单层衬砌工程， 对普通喷射混凝土、 钢纤维喷射混凝土以及钢一 聚丙烯复合纤维喷射混凝土进行耐久性 试验研究 。 对试验结果进行 比较分析 ， 抗渗试验及碳化试验表明纤维喷射混凝土具有更好 的密实性 ， 抗硫酸盐侵蚀试验也可以间 接证明这一结论。 纤维的掺入不仅提高了喷射混凝土的抗渗性、 抗碳化性能及早期抗裂性能， 也改善了喷射混凝土的受压性能。 在硫酸盐的侵蚀下 ， 普通喷射混凝土的损伤速率快于纤维喷射混凝土。 与普通喷射混凝土相比， 纤维喷射混凝土具有更优的耐久 性， 更适合做单层衬砌的材料。 关键词： 纤维喷射混凝土；抗渗试验；碳化试验；早期抗裂试验；抗硫酸盐侵蚀试验；耐久性 中图分类号： T U 5 2 8 5 7 2 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 1 0 0 9 3 0 5 Re s e a r c h o n t h e d u r a b i l i t y o f f i b e r r e i n f or c e d s h o t c r e t e W A NGZ h ij i e ， W A NGQ i ， ME N GX i a n g l e i ， H UL e i ( MO E K e y L a b o r a t o r y o f T r a n s p o r t a t i o n T u n n e l E n g i n e e r i n g ， S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： R e l y i n g o n a mo n o l a y e r l i n i n g p r o j e c t o f a U m n e l ， e x p e r i me n t a l s t u d y o f d u r a b i l i t y w a s c o n d u c t e d o n t h r e e d i f f e r e n t s h o t c r e t e t o k n o w t h e fi b e r S c o n t r i b u t i o n t o t h e ma t r i x s h o r c r e t e T h e s e t h r e e a r e s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d s h o t c r e t e ， s t e e l p o l y p r o p y l e n e c o mp o s i t e r e in - f o r c e d s ho t c r e t e， a nd c o mmo n s h o t c r e t e Te s t r e s u l t s h a v e b e e n c o mpa r e d an d an a l y z e d Th e i mp e v i ou s t e s t a n d c a r bo n a t i o n t e x t s ho we d tha t fi b e r r e i n f o r c e d s h o t c r e t e h a d b e t t e r c o mp a e t i b i l i ty， t h e r e s i s t a n c e t e x t t o s u l p h a t e a tt a c k g a v e i n d i r e c t e v i d e n c e t o t h i s c o n c l u s i o n T h e fi b e r C an n o t o n l y i mp r o v e the c o n c r e t e S i mp e r me a b i l i ty， c arb o n a t i o n r e s i s t a n c e and e arl y c r a c k r e s i s t a n c e ， b u t a l s o i mp r o v e s t h e c o n c r e t e S c o mpr e s s i o n pe r f o r ma n c e I n t h e s ul f a t e e r o s i o n， c o mmo n s h o t c r e t e d a ma g e d f a s t e r t h a n fibe r r e i n f o r c e d s h o t c r e t e Co mp a r e d wi t h c ommo n s h o t c r e t e， fibe r r e i n f o r c e d s h o t c r e t eh a sb e t t e rd u r a b i l i t y， andi smo r e s ui t a b l ef o rmo n o l a y e rl i ni n g Sma t e r i a 1 Ke y w o r d s ： fi b e r r e i n f o r c e d s h o t c r e t e ； r e s i s t a n c e t e x t t o wa t e r p e n e t r a t i o n； c a r b o n a t i o n t e x t ； e arl y c r a c k i n g t e x t ； r e s i s t an c e t e x t t o s u l p h a t e a t t a c k ； d ura b i l i ty O 引 言 钢纤维或复合纤维喷射混凝土具有优于普通喷射混 凝土的抗开裂、 抗冲击和耐疲劳等性能 l 】 ， 被越来越多地应 用于土木工程。 采用纤维喷射混凝土也具有明显的经济效 益。 随着喷射混凝土在各类工程中越来越广泛的应用 ， 除 考虑结构的安全性和适应性外 ， 还必须重点考虑喷射混凝 土的耐久性。 1 试验 用原材料及 配合比 本试验水 泥采用 拉法基 P O 4 2 5级 ； 细骨料 采用成 都 机制砂 ， 细度模 数 2 6 ， 石粉含量 1 3 4 ， 紧密堆 积密度 1 9 4 0 k g m 3 , 表观密度 2 7 6 0 k g m3 ； 粗骨料为成都 5 1 0 m m 碎石 ， 粒型一般， 级配合理 ， 紧密堆积密度 1 6 0 0 k g r n ， 表 观 密度 2 7 1 3 k g m ； 硅粉采 用 9 2 U硅粉 ； 粉煤灰 为 I 级 ， 细度 9 6 ； 钢纤维采用赣州大业钢纤维， 型号 0 5 2 5 ， 长度 收稿 日期：2 0 1 3 - 0 7 - 0 3 基金项 目：中央高校基本科研业务费专题项 目( S WJ T U1 1 Z T 3 3 ) ( 2 5 + 1 ) m m， 直径 ( 0 5 5 _+ 0 0 5 ) mm； 聚丙烯纤维采用佳 路得 网状纤维 ， 长度 2 0 mm； 减水剂为岩锋 T K - B L聚羧酸减水剂 ( 减水率 2 5 ) ； 速凝剂为岩锋 T K - W1 无碱液体速凝剂； 拌和 水采用 自 来水。 强度为 C 3 0 。 具体配合 比见表 1 所示。 2 纤维喷射混凝土的耐久性试验 2 1 试验 内容及试验依据 根据水文地质条件及工程需要进行耐久性的试验 ， 包括 抗渗试验、 碳化试验 、 早期抗裂试验以及抗硫酸盐侵蚀试验 。 试验方法以C E C S 1 3 ： 2 0 0 9 ( 纤维混凝土试验方法标准 和 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 ( 普通混凝土长期性能和耐久性能试 验方法标准 作为参考。 试件个数见表 2 。 2 2 试验结抗渗试验结果及其评价 采用普通喷射混凝土和复合纤维喷射混凝土进行对 比试验。 9 3 表 1 纤维喷射混凝土试验配合比 表 2 耐久性试验分组及试件个数 试验时由初始 0 1 MP a 开始加压 ， 加压持续 8 h ， 试验 压力递增 0 1 MP a ， 根据抗渗强度等级大于等于 P 1 2 ， 所有 试件加压到 1 4 MP a 观察试 验过程 中是否有透水情况 。 所 有试件均无渗水现象。 混凝土的抗渗等级计算式如式( 1 ) ： P = 1 0 H一 1 ( 1 ) 式中 ： P 混凝土抗渗等级 ； 月 6 个 式 f 牛 中有3 d - i 4 出现渗水时的水压力， MP a 。 根据每组 6 个试件试验的测试结果， 确定抗渗等级大 于 P 1 3 。 满足设计要求。 复合纤维喷射混凝土的渗水高度 为 1 2 m m， 普通喷射混凝土渗水高度为 1 5 m m。 2 3 碳 化试验结果及 其评 价 采用复合纤维喷射混凝土、 钢纤维喷射混凝土和普通 喷射混凝土三种类型试件进行对比试验。 碳化试验数据结 果见表 3 、 图 1 。 表 3 不同碳化龄期碳化深度比较 l 5 1 4 1 3 g1 2 1 1 o 9 8 7 6 5 t d 图 1 混凝土碳化龄期与碳化深度关系图 从表 3 及图1中可以看出， 相同龄期时， 普通喷射混 凝土的碳化深度大于复合纤维喷射混凝土的碳化深度。 1 6 d 后普通喷射混凝土的碳化深度亦大于钢纤维喷射混 凝土的碳化深度 。 因此 ， 在喷射混凝土中掺人纤维可以改善 其抗碳化性能， 减慢碳化速度 ， 减小碳化深度。 2 4 早期抗裂试验结果及其评价 采用平板法测定混凝土早期开裂性能。 试验见图 2 。 9 4 图 2 早期开裂性能试验 采用普通喷射混凝土、 钢纤维喷射混凝土和复合纤维喷 射混凝土进行对 比试验。 每种各制作三个早期抗裂试件 ， 连 续此风速 、 温度、 湿度条件 3 d 后测定试件裂缝宽度、 长度。 采用裂缝降低系数 C 来代表对比试验结果 ， 裂缝降低 系数 ： c ( 妇) ( 2 ) 式 中： A 素混凝土 的单位面积上 的总开裂 面积 的平 均值 ； A 断 加钢纤维和混合纤维混凝土的单位面积上 的总开裂面积的平均值 ， 对 比数据见表 4 。 表 4 不同纤维混凝土裂缝降低系数 通过对比裂缝降低系数可知， 裂缝降低系数越大， 出现 裂缝( 从裂缝长度、 宽度计算裂缝的总开裂面积判定) 的几 率越小， 阻裂效果越好。 说明钢纤维或复合纤维能有效降低 混凝土的早期开裂。 2 5 抗硫酸 盐侵蚀试验结果及其评价 本试验使用中国建筑科学研究院建研建材有限公司研 制的全 自 动混凝土硫酸盐干湿循环试验机( 型号 C A B R L S B ) 进行试验， 干湿循环各步骤及其温度、 时间等要求满足规范。 评价指标采用混凝土抗压强度耐蚀系数及质量变化率。 混凝土抗压强度耐蚀系数应按式( 3 ) 进行计算： K 1 0 0 ( 3 ) 式中 ： K 抗压强度耐蚀系数 ， ； 次干湿循环后受硫酸盐腐蚀的一组混凝土试 件的抗压强度测定值 ， MP a ， 精确至 0 1 MP a ； 与受硫酸盐腐蚀试件同龄期的标准养护的一 组对 比混凝土试件的抗压强度测定值 ， MP a ， 精确至 0 1 MP a 。 质量损失率应按式( 3 ) 进行计算 ： x 1 o 0 ( 3 ) m 0 式中： 艿 m 质量变化率 ， ， 正值为质量增长， 负值为质量 降低； m 次干湿循环后受硫酸盐腐蚀的混凝土试件 的质量 ， 精确至0 1 g ； m 。 干湿循环试验前该混凝土试件的质量， 精确 至 0 1 g 。 试件质量变化如表 5 、 6 及图 3 所示。 表 5 喷射素混凝土试件质量变化 表 6 喷射复合纤维混凝土试件质量变化 5 4 薹 槲 3 2 皑 1 0 1 5 3 0 45 60 7 5 90 于湿循环次数 ， 次 图 3 试件质量变化与干湿循环次数关系图 通过表 5 、 6及图 3 可知 ， 两种试件在 9 O 次循环结束 时均未出现质量下降， 这是因为混凝土的质量损失与外观 损失紧密相连。 在侵蚀的初期阶段， 混凝土内部的孑 L 隙被 生成 的钙矾石 和石 膏填充 ， 质量 增加。 混凝土后期的质量 损失主要是 由于其表面浆膜和骨料 的剥落闭 。 试件在 9 O 次 循环结束时仍外观保持相对完整 ， 未有开裂剥落现象。 因 而如数据所示， 试件质量一直保持缓慢增长趋势。 从表 5 及 表 6 可知 ， 复合纤维混凝土试件质量增长一直小 于素混凝 土试件。 截至 9 0次循环时， 复合纤维混凝土三个试件分别 增长了3 4 8 、 3 4 4 、 3 1 9 ， 素混凝土三个试件分别增长了 4 0 7 、 3 8 5 、 4 0 5 。 以上数据可以间接说明复合纤维喷射 混凝土试件 比普通喷射混凝土试件的孔隙率小 ， 更加密实。 表 7 喷射素混凝土试件抗压强度耐蚀系数 抗 值平均值m 嘲 MP 单值 a 平均值耐 数 3 25 O 2 97 3 8 6 61 6 1 5 4 57 51 3 6 09 3 0 61 8 5 4 1 5 52 45 51 8 3 56 5 54 6 0 4 5 1 4 48 41 6 90 4 27 4 64 3 36 4 8 5 5 89 5 3 5 48 4 43 6 3 3 8 35 - 3 3 3 5 3 6 1 35 8 3 3 2 3 5 9 3 3 7 3 8 6 41 4 3 6 1 3 72 4 4 r 3 86 3 6 8 1 0 O 0 3 4 2 1 41 8 3 5 0 1 6 8-3 3 6 1 1 48 3 3 8 2 1 2 6 7 3 7 7 l 1 5 6 注： 表示该数据与中间值之差超过中间值的 1 5 ， 故舍去 ， 下同。 表 8 喷射复合纤维混凝土试件抗压强度耐蚀系数 抗 值平均值 嘲 M P 单值 a 平均值耐 数 3 88 0 3 30 3 5 7 一 一 1 00 0 3 5 5 5 77 3 5- 3 1 5 5 3 1 58 5 3 4 9 3 6- 3 l 61 2 6 4 6 3 8 6 5 6 6 3 6 9 3 0 5 6 9 55 5 3 6 4 3 6 7 1 51 - 3 5 2 9 2 8 8 6 4 7 3 8 4 45 5 6 7 56 7 3 8 1 3 6 8 1 5 4 1 3 9 5 3 3 8 5 8 5 4 2 2 6 0 5 1 5 5 2 4 3 5 6 3 89 1 3 4 8 47 2 3 8 8 46 2 45 8 9 0 49 8 5 0 6 3 8 8 4 07 1 2 4 1 5 5 7 3 7 6 从表 7 、 8 可知， 0 、 1 5 、 4 5 、 6 0 、 9 0 次循环时， 复合纤维混 凝土试件抗压强度相对于相同侵蚀条件下的素混凝土试 件分别提高了6 3 、 2 0 6 、 6 0 、 8 3 、 1 6 0 。 3 0次循环 时， 素混凝土试件抗压强度相对于复合纤维混凝土试件提 高了 6 1 。 整体趋势为复合纤维混凝土抗侵蚀能力优于 素混凝土。 两种混凝土抗压强度均大于初始强度。 原因在 95 合纤维喷射混凝土破坏后表面仅有微小裂纹， 纤维的掺人 可以改善喷射混凝土的受压性能。 ( 6 ) 复合纤维喷射混凝土的损伤速率慢于普通喷射混 凝土， 抗硫酸盐腐蚀能力更强。 ( 7 ) 纤维喷射混凝土具有较好的密实性和抗裂性、 更优 的耐久性， 相比普通喷射混凝土更适合做单层衬砌的材料。 参考文献 ： 【 1 】胡倍雷， 等 钢纤维混凝土断裂能与断裂性试验研究 J 】 中南水 利发电， 1 9 9 4 ( 9 ) 2 巩鑫 混凝土抗硫酸盐侵蚀试验研究【 D 大连： 大连理工大学， 2 0 0 8 3 3 胡波 混凝土抗硫酸盐侵蚀快速评估方法研究【 D 】 重庆 ： 重庆交 通大学， 2 0 0 7 【 4 】 余红发 盐湖地区高性能混凝土的耐久性机理与使用寿命预测 方法【 D 南京： 东南大学 ， 2 0 0 4 【 5 】王志杰 喷射钢纤维混凝土及其在隧道和地下工程中的应用 J 公路 ， 2 0 0 4 ( 1 ) 上接第 8 9页 吕 吕 、 需 斌 蹙 目 吕 、 需 鬃 受 减水剂掺量， 图 8 减水剂掺对净浆流动度的影响 2 7 0 2 6 5 2 6 0 2 5 5 2 5 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 日 于 间 ， h 图 9 减水剂对净浆流动度经时变化的影响 所以AS S良好的分散能力和保坍陛能， 这可能是静电斥力 和空间位阻共同作用的结果。 3结论 ( 1 ) 根据“ 分子设计” 原则， 通过优化合成工艺， 增加减水 剂分子中的一 s O 基 团数量， 引入了- - C O O H， 有效地提高了减 水剂的分散能力 ， 优化了减水剂的性能， 降低了生产成本。 ( 2 ) 过红外光谱 图分析 ， AS S的分子中引人了羧基 ( 一 C O O H) 基团， 并增加了磺酸基团( 一 s ) 的含量 ， 合成产 物的分子结 构与设 计 的分子结构基本 一致 ； AS S在水泥 颗粒表面的吸附量及水泥颗粒的 电位的绝对值均比 AS 小， 但其具有比AS 更好的减水分散性能。 ( 3 ) 随着时间的延长， 两种高效减水剂的 电位绝对 6 郭艳华， 等 钢纤维混凝土碳化性能的研究 J 】 混凝土， 2 0 0 7 ( 2 ) 7 7 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 ， 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法 标准 S 】 8 C E C S 1 3 ： 2 0 0 9 ， 纤维混凝土试验方法标准f s 】 【 9 】刘新荣， 等 隧道钢纤维喷射混凝土单层衬砌试验研究 J 岩土 力学， 2 o 0 9 ( 8 ) 1 0 】 焦耐淇 喷射钢纤维混凝土耐久性试验研究【 D 】 西安： 西安建筑 科技大学， 2 0 1 2 1 1 】 杨本菊 混凝土抗硫酸盐侵蚀防腐剂的试验研究【 D 青岛： 青岛 理工大学， 2 0 1 1 【 1 2 王乐明， 徐坤钢纤维混凝土隧道衬砌力学行为模型试验研究【 J 】 中国勘察设计 ， 2 0 1 2 ( 9 ) 作者简介： 联系地址 ： 联系电话 ： 王志杰 ( 1 9 6 4 一 ) ， 男 ， 教授， 主要研究方向有隧道及地 下工程的理论与实践、 隧道信息化施工及质量控制技 术以及既有隧道病害鉴定与评估技术。 四川省成都市二环路北一段 1 1 1 号 西南交通大学眷 诚斋 1 1 6 0 2 室( 6 1 0 0 3 1 ) 】 5 98 21 61 4 0 7 值降低， 但是 A S S的 - 电位随时间的变化降低速度较小， 具有较好的 电位稳定性， 这也解释了掺入 A S S 水泥净 浆的流动度经时损失小的原 因。 该研究对合理使用 氨基系 高效减水剂提供 了依据 。 参考文献 ： 【 1 】蔡希高 高性能混凝土外加剂主导官能团理论【 J _ 化学建材 ， 1 9 9 9 ( 5 ) ： 2 6 2 9 2 孙天文 水泥一 水一 分散剂系统界面研究【 D 1 _ 武汉： 武汉工业大学 北京研究生部 ， 1 9 8 7 ： 5 4 6 5 【 3 J UC HI K AWA HHANE HA RA S ， S AWA KI D T h e r o l e o f s t e r i c r e p u l s i v e f o r c e i n t h e di s p e r s i o n o f c e me n t pa r t i c l e s i n f r e s h p a s t e s p r e p a r e d w i t h o r g a n i c a d m i x t u r e s J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e ar c h 1 9 9 7 ， 2 7 ( 1 ) ： 3 7 5 0 4 Z H A N G T， e t a1A d s o r p t i v e b e h a v i o r o f s u r f a c t a n t o n s u rf a c e o f p o r tl a n d c e m e n l ： J J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 1 ( 7 ) ： 1 0 0 9 1 01 5 5 5孙凤霞 仪器分析【 M 】 北京： 化学工业出版社， 2 0 0 4 ： 4 5 7 3 6 陈培榕， 邓勃 现代仪器分析试验与技术 MI 北京： 清华大学出、 、 版 社 ， 1 9 9 9： 1 0 3 - 1 1 8 7 】 徐子芳， 王贞平， 徐国财A S R氨基磺酸盐高效减水剂的合成及 性能分析【 J 】 _ 化工进展， 2 o o 5 ( 1 O ) ： 1 1 8 1 1 1 8 6 【 8 】8姜国庆 日本高性能 A E减水剂的研究进程及应用现状 J 】 _ 化学 建材， 2 0 0 0 ( 2 ) ： 4 2 4 4 【 9 Z HN AG J F， UHI D A E， S UZ U KI K， e t a 1 Ad h e s i v e i n t e r a c t i o n i n w a t e r b e t w e e n s u rf a c e s w i t v a r i o u s z e t a p o t e n t i a l s 叨J o u r n a l o f C o l l o i d a n d I n t e rf a c e S c i e n c e ， 1 9 9 6 ( 1 ) ： 3 7 1 3 7 3 1 0 H O D N E H， S A A S E N A T h e e f f e c t o f t h e c e m e n t z e t a p o t e n t i a l a n d s l u r r y e o n d u c t i v i y o n t h e c o n s i s t e n c y o f o i l - w e l l c e m e n t s l u m e s J C e m e n t and C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 0 ， 3 0 ( 1 1 ) ： 1 7 6 7 1 7 7 2 【 1 1 陈建奎 混凝土外加剂的原理与应用【 M 匕 京： 中国计划出版 社 ， 1 9 9 7： 2 3 3 4 1 2 】 冯乃谦 氨基磺酸系高效减水剂的研制及其混凝土的特性fJ _混 凝土与水泥制品， 2 0 0 2 ( 2 ) ： 5 - 8 【 1 3 】 蒋新元， 邱学青， 欧阳新平， 等 氨基磺酸系高效减水剂表面与 分散性能研究 J 】 混凝土， 2 0 0 4 ( 4 ) ： 4 2 4 4 作者简介 ： 联 系地址： 联系电话 ： 王红霞( 1 9 7 9 一 ) ， 女， 讲师， 工程师。 呼和浩特市锡林 南路永光巷 2 8 号 内蒙古自治区建 设工程质量检测中I g ( O l O 0 2 0 ) 1 59 4 7 01 93 6 3 97