钢纤维高性能混凝土的耐久性试验研究.pdf

2023年4月试验与研究江西建材钢纤维高性能混凝土的耐久性试验研究吴勇俊佛山市南海科明达混凝土有限公司，广东佛山528244摘要：文中对钢纤维高性能混凝土在冻融循环一硫酸盐侵蚀条件下的性能进行试验研究，结果表明：随着冻融循环次数的增加，质量损失率相应变大；钢纤维体积分数为0.8%时，在不同冻融循环次数下，相对动弹性模量均为最大值；随着钢纤维体积分数的逐渐增大，其抵抗耐冻融一硫酸盐侵蚀的能力越强。关键词：高性能混凝土；硫酸盐侵蚀；冻融循环中图分类号：TU528文献标识码：B文章编号：10 0 6-2 8 9 0（2 0 2 3）0 4-0 0 2 6-0 3Experimental Study on Durability of Steel FiberHighPerformanceConcreteWu YongjunFoshan Nanhai Kemingda Concrete Co.Ltd.,Foshan,Guangdong 528244Abstract:The performance of steel fiber reinforced high performance concrete under the condition of freeze-thaw cycling-sulfate attack wasinvestigated.The results show that the mass loss rate increases with the increase of freeze-thaw cycles.When the volume fraction of steelfiber is O.8%,the relative dynamic elastic modulus is the maximum under different freeze-thaw cycles.As the volume fraction of steel fiberincreases gradually,its resistance to freeze-thaw-sulfate attack becomes stronger.Key words:High performance concrete;Sulfate attack;Freeze-thaw cycle0引言近年来，高性能混凝土（HPC）凭其自身强度高、耐久性能优良等优势广泛应用于现代大跨度桥梁、高层建筑、水利工程等项目中。随着高性能混凝土在水利工程中的大量应用，其服役期间的安全性和耐久性尤为重要，因混凝土自身特有的性质，内部结构必然会出现微细裂缝 1-3。同时，因其长期处于恶劣的外界环境中，硫酸盐、氯离子等腐蚀介质通过微细裂缝渗透混凝土内部，对混凝土内部结构造成损害。因此，混凝土的耐久性能至关重要。1试验设计1.1试验材料（1）水泥：选取P042.5普通硅酸盐水泥，密度为3.0 8 g/cm，其化学组成见表1。（2）矿粉：选取矿粉比表面积为6 2 8 m/kg，密度2.93g/cm，其化学组成见表1。表1水泥和矿粉的化学组成%CaoSiO2A1,03Fe2O3SO3MgOK20其他LOI水泥58.4517.644.583.253.152.240.3810.31矿粉46.5835.548.150.780.212.540.315.891.64作者简介：吴勇俊（198 7-），男，广东四会人，本科，工程师，主要研究方向为高性能混凝土。（3）硅灰：本试验选取硅灰的相关参数见表2。表2硅灰相关参数比表需水氯离子烧失量SiO2含水率原材料面积量比含量1%含量/%1%/(mlg)1%1%硅灰221061.3596.90.70.003（4）细骨料：选取天然河砂为细骨料，表观密度为2.35 g/cm，堆积密度为1.46 g/cm。（5）粗骨料：选取碎石为粗骨料，表观密度为2.35 g/cm，堆积密度为1.49g/cm。（6）减水剂：选取聚羧酸高效粉体减水剂，减水率为30%。（7）水：选取实验室自来水。（8）钢纤维：选取波浪型钢纤维，其密度为7.8 g/cm，长度为2 5 mm，直径为0.8 6 mm，拉伸强度38 0 MPa。1.2配合比设计本试验配合比为水灰比0.2 4，砂率为0.45，矿粉掺量25wt%，硅灰掺量6 wt%。同时，在高性能混凝土的基础上制备钢纤维高性能混凝土，钢纤维以体积分数0.2 vt%、0.4v t%、0.6vt%和0.8 vt%掺人混凝土中，进而分析钢纤维对混凝土相关性能的影响，其配合比见表3。272023年4月试验与研究江西建材表3钢纤维高性能混凝土配合比设计编号钢纤维体积分数/%矿粉/(kgm3)硅灰/(kgm3)水泥/(kgm）减水剂/%砂率水/(kgm)HPC-0016452.5439.50.60.45157.4HPC-0.20.216452.5439.50.60.45157.4HPC-0.40.416452.5439.50.60.45157.4HPC-0.60.616452.5439.50.60.45157.4HPC-0.80.816452.5439.50.60.45157.41.3试验方案1.3.1冻融循环硫酸盐侵蚀试验方法冻融循环-硫酸盐侵蚀试验依据GB/T50082一2 0 0 9普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准，各试件在标准养护室【温度（2 0 2）、湿度95%养护2 4d后，将其浸泡在（2 0 2）的硫酸盐溶液中，浸泡时，硫酸盐溶液水位不得低于试件30 mm，静置4d后取出，放人冻融循环箱内，每次冻融循环时间为2.5 h，且温度在-18 5 之间。通过冻融循环-硫酸盐侵蚀试验，来获取混凝土在恶劣环境下的性能数据，进而评估混凝土的耐冻融、耐侵蚀的性能。1.3.2质量损失率、相对动弹性模量的试验方法试件在硫酸盐溶液中浸泡4d后，将试件取出并擦干表面水分，并对其质量进行称重，并记为初始质量，之后每冻融2 5次对试件质量进行一次称重，直至冻融循环结束，从而依据现行相关规范计算钢纤维高性能混凝土的质量损失率。此外，每冻融2 5 次，利用动弹仪对钢纤维高性能混凝土的相对动弹性模量进行测试。2复杂环境对钢纤维高性能混凝土性能影响研究2.1质量损失率变化趋势在不同冻融循环次数-硫酸盐侵蚀条件下，钢纤维高性能混凝土的试件被侵蚀表面各不相同，在冻融循环一硫酸盐侵蚀条件下，混凝土破坏现象是缓慢增加的，随着冻融循环次数的递增，混凝土表面的侵蚀程度越严重。试件经过10 0 次冻融循环后，试件表面出现局部脱落现象；经过2 0 0 次冻融循环后，试件出现大面积的脱落现象。在冻融循环一硫酸盐侵蚀条件下，钢纤维高性能混凝土的质量损失结果见表4，从表中可以看出，冻融循环一硫酸盐侵蚀前期，钢纤维高性能混凝土的质量基本无损失，主要因为其自身密实度较高、孔隙率较低等优势，并且硫酸盐侵蚀生成钙矾石填充至混凝土孔隙中，增加了混凝土的质量，从而保证混凝土质量无损失。但是，随着冻融次数的不断增加，硫酸根离子通过缝隙逐渐渗人混凝土内部，加剧了混凝土内部结构的破坏速度4。此外，钢纤维高性能混凝土与未掺钢纤维混凝土相比，钢纤维掺量的增加，质量损失率逐渐降低，主要是因为钢纤维的加入，可以有效的提高混凝土的韧性，增强混凝土表面的致密层，保证混凝土保持裂而不坏的现状，从而降低了混凝土质量损失率。表4不同冻融循环次数下混凝土质量kg钢纤维冻融循环次数/次/vt%02550 7510012515017520002.532.532.512.482.442.432.412.402.380.22.552.552.542.522.49 2.472.452.442.430.42.562.54 2.542.532.522.502.482.472.450.62.582.572.562.552.542.542.522.492.480.82.612.612.592.572.572.552.532.532.512.2相对动弹性模量变化趋势1.0000一0.2 vt%0.4vt%-0.6vt%0.995-0.8vt%0.9900.9850.980050100150200循环次数/次图1相对动弹性模量变化曲线在冻融一硫酸盐侵蚀条件下，钢纤维高性能混凝土相对动弹性模量变化趋势如图1所示。从图中可以看出，随着冻融循环次数的增加，相对动弹性模量在冻融循环10 0 次前先下降，之后呈现上升趋势，15 0 次后再呈现下降的变化趋势，2 0 0 次达到最低值，且其总体变化呈现下降趋势，主要是因为侵蚀前期，混凝土表面出现局部脱落现象，破坏了混凝土的保护层，从而加剧了混凝土劣化 5-6 1,且随着大量钙矾石的生成，混凝土内部应力逐渐增加，导致相对动弹性模量相应降低。此外，钢纤维体积分数0.8%时，不同冻融循环次数的相对动弹性模量均最高。2.3基本力学性能变化规律2.3.1抗压强度在冻融-硫酸盐侵蚀环境下，钢纤维高性能混凝土的抗压强度值如表5 所示，从表中可以得到，随着冻融循环次数的不断增加，遭受硫酸盐侵蚀的混凝土抗压强度呈下降趋势。HPC-0试块在冻融循环5 0 次、10 0 次、15 0 次和2 0 0 次后，其抗压强度较0 次冻融循环的抗压强度分别降低了3.8 5%、7.16%、12.2 8%和18.8 0%；钢纤维体积分数为0.2 vt%、0.4v t%、0.6 v t%和0.8 vt%的混凝土经2 0 0 次冻融循环后，其相较于0 次冻融循环的抗压强度分别降低了17.7 4%、16.8 9%、14.37%和13.6 8%。因此，在冻融硫酸盐侵蚀环境中，随着冻融循环次数的不断增加，钢纤维高性能混凝土的抗压强度随着钢纤维掺量的增加，其抵抗侵蚀能力逐渐增强。28上接第2 5 页）2023年4月江西建材试验与研究表5复杂环境下的抗压强度MPa冻融循环钢纤维体积分数/%次数/次00.20.40.60.8078.279.582.383.585.55077.578.381.582.483.910072.673.576.878.579.215068.669.572.574.676.220063.565.468.471.573.82.3.2抗折强度在冻融-硫酸盐侵蚀环境下，钢纤维高性能混凝土的抗折强度值如表6 所示，从中可以得到，钢纤维高性能混凝土的抗折强度随着钢纤维掺量的增大而逐渐增加。钢纤维掺量为00.8vt%，经过10 0 次、2 0 0 次冻融循环后，抗折强度分别提高了9.7 8%、12.6 4%和17.7 2%，随着钢纤维掺量增加，混凝土对耐冻融硫酸盐侵蚀能力逐渐增加。此外，随着冻融循环次数的增加，不同钢纤维掺量混凝土的抗折强度随之下降，主要因为冻融环境下，内部水结冰，发生膨胀现象，体积变化较大，进而破坏了混凝土的内部致密结构，对混凝土的抗折强度造成了较大影响。表6复杂环境下的抗折强度MPa冻融循环钢纤维体积分数次数/次00.20.40.60.809.29.49.59.710.11008.78.99.29.49.82007.98.28.58.99.3微结构，导致较高的早期强度 5-8 。甘蔗渣灰混凝土早期抗压强度发展的原因可能是高甘蔗渣灰细度，填补了水泥和骨料之间的空隙，后期由于甘蔗渣灰的火山灰特性，形成了另外的硅酸钙水合物（C-S-H），改善了浆料和骨料之间的界面粘合力 9。3结论（1）甘蔗渣灰掺量在30%以下时，随着甘蔗渣灰掺量的增加，混凝土拌和物的流动性逐渐降低，但降低的幅度不大。（2）甘蔗渣灰掺量在30%以下时，混凝土的强度随着甘蔗渣灰掺量的增加呈现出先增加后降低的趋势，甘蔗渣灰最佳掺量为10%，此时混凝土强度比基准混凝土强度增加10.1%。（3）通过预处理过后的甘蔗渣灰，提高了蔗渣灰的火山灰活性，能够使混凝土拌和物的流动性增大，抗压强度增强，可以作为辅助胶凝材料替代部分水泥掺人混凝土中使用。参考文献1沈华艳，谢东，甘蔗渣生物质资源在复合材料领域的研究进展J】.现代化工，2 0 19，39（7）：5 2-5 5.2Bilba K,Ars e ne M.Silane treatment of bagasse fibre forreinforcement of cementitious composites J.Composites Part A:Applied Science and Manufacturing，2 0 0 8,39（9):148 8 -1495.3结论（1）在冻融循环硫酸盐侵蚀环境下，钢纤维高性能混凝土的质量损失率，随着侵蚀次数的增加而逐渐变大，并且在不同的冻融一硫酸盐侵蚀循环的次数下,HPC-0.8的相对动弹性模量均最高。（2）在冻融循环硫酸盐侵蚀环境，钢纤维高性能混凝土的抗压强度、抗折强，随着循环次数的增加呈现出下降的趋势，但相同冻融循环一硫酸盐侵蚀次数下，随着钢纤维掺量的增多，混凝土的耐冻融一硫酸盐侵蚀性能逐渐增强。参考文献【1】黄婷.复掺硅灰和片麻岩石粉对水工混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响J水利技术监督，2 0 2 3（2）：2 6-2 9.2分余雪峰，董玉文，王钢，等。复杂环境下粉煤灰混凝土抗硫酸盐侵蚀耐久性J.混凝土，2 0 2 0（6）：5 8-6 0，6 9.3刘广斌，常山.粉煤灰掺量对纤维混凝土抗硫酸盐侵蚀能力的影响J.粉煤灰综合利用，2 0 2 2，38（4）：6 4-6 8，97.4袁晓奇.冻融循环与硫酸盐侵蚀损伤水工混凝土机理研究【J：黑龙江水利科技，2 0 2 2，5 0（6）：10-13，31.5段国伟，林双艮.混凝土抗硫酸盐腐蚀剂制备与性能研究J.粉煤灰综合利用，2 0 2 3，37（1）：8 4-8 9.【6 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