層布式混雜纖維混凝土滲透性及孔隙率試驗(yàn)研究

關(guān)鍵詞：層布式混雜纖維混凝土；滲透性；孔隙率；耐久性

0 前言

鋼纖維混凝土具有優(yōu)良的抗彎拉、耐磨性、抗疲勞、抗沖擊性能^[1]，將其應(yīng)用于公路路面工程中，可大大提高路面板的抗折強(qiáng)度，延長(zhǎng)路面使用壽命。但鋼纖維混凝土造價(jià)較高且攪拌困難，施工難度大，難以大量推廣使用。層布式鋼纖維混凝土力學(xué)性能與鋼纖維混凝土相近，但成本明顯降低。層布式鋼纖維即在混凝土路面的頂面和底面一定厚度采用鋼纖維混凝土，而中間層采用素混凝土的結(jié)構(gòu)形式。采用層布式鋼纖維混凝土后，中間部分素混凝土的韌性、抗裂性能及抗?jié)B性能較差，成了薄弱環(huán)節(jié)^[2]。依據(jù)前期研究成果，為充分發(fā)揮各種纖維的物理力學(xué)性能，通過(guò)不同的纖維之間的混雜，使各纖維之間產(chǎn)生正混雜效應(yīng)^[3]，課題組提出了適用于公路路面的層布式混雜纖維增強(qiáng)混凝土這種新的復(fù)合混凝土結(jié)構(gòu)材料。目前應(yīng)用最廣泛的是用鋼纖維和有機(jī)纖維混雜，常用的有機(jī)纖維有聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維。力學(xué)性能試驗(yàn)^[4～5]顯示，層布式混雜纖維混凝土在強(qiáng)度增強(qiáng)上，鋼纖維起主要作用，聚丙烯纖維起次增強(qiáng)作用。混雜纖維混凝土研究^[6～8]表明，應(yīng)用各種不同彈性模量的纖維來(lái)增強(qiáng)纖維混凝土的耐久性極具發(fā)展前景。到目前為止，對(duì)全混雜纖維的耐久性有少量研究，而新結(jié)構(gòu)形式層布式混雜纖維混凝土的耐久性研究還是空白?？紫堵蕦?duì)混凝土的強(qiáng)度有著決定性的影響，孔徑、孔形以及孔隙分布排列也對(duì)混凝土的強(qiáng)度有影響，并且對(duì)混凝土密實(shí)度有主要影響，而混凝土的密實(shí)度與該類結(jié)構(gòu)的耐久性直接相關(guān)。本文對(duì)層布式混雜纖維混凝土的滲透性及孔隙率進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并和素混凝土及層布式鋼纖維混凝土的耐久性進(jìn)行了比較分析。

1 試件制作和試驗(yàn)方法

1. 1 原材料

水泥：32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥

粗骨料：粒徑5mm～20mm連續(xù)級(jí)配細(xì)石

細(xì)骨料：中粗砂，細(xì)度模數(shù)為2.5

鋼纖維：剪切型鋼纖維，長(zhǎng)徑比約為58

聚丙烯纖維：Fibermesh纖維網(wǎng)

水：清潔的自來(lái)水

1. 2 混凝土的配合比及試件制作

混凝土配合比按抗折強(qiáng)度4.5MPa進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)計(jì)算及試配，采用的混凝土配合比為(kg/ m³)：

水泥∶石子∶砂子∶水=350∶1369∶644∶180

為探討鋼纖維和聚丙烯纖維在層布式纖維混凝土中各自的效用，本試驗(yàn)采用的混凝土的配合比不變，聚丙烯纖維采用體積率為0.12%(1.0kg/m³)，鋼纖維采用體積率為1.4%[鋼纖維在混雜層(厚2cm)的摻量為109.2kg/m³。

對(duì)層布式鋼纖維混凝土和層布式混雜纖維混凝土試件，制作時(shí)在模具的底部澆注1.5cm厚的混凝土，然后由人工均勻撒布一層鋼纖維，加入混凝土，振動(dòng)密實(shí)后在混凝土距模具頂部1.5cm， 再由人工撒布一層鋼纖維，振搗密實(shí)，收漿抹平。不摻鋼纖維的混凝土試件，直接往模具中加入混凝土，振搗密實(shí)，收漿抹平。

1. 3 抗?jié)B性能對(duì)比試驗(yàn)

抗?jié)B性是指混凝土抵抗壓力水滲透的能力?；炷聊途眯缘母髌茐倪^(guò)程幾乎均與水有極為密切的關(guān)系，因此抗?jié)B性便成為評(píng)價(jià)混凝土耐久性的重要指標(biāo)。

目前，抗?jié)B試驗(yàn)通常參照GBJ82-85規(guī)定進(jìn)行，采用抗?jié)B標(biāo)號(hào)來(lái)評(píng)價(jià)混凝土的抗?jié)B能力，抗?jié)B標(biāo)號(hào)是以標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)試件滲水時(shí)的最大水壓力來(lái)計(jì)算獲得。S的計(jì)算公式為:

S=10H-1

式中，S—抗?jié)B標(biāo)號(hào)；H—6個(gè)試件中3個(gè)頂面滲水時(shí)的壓力。

本試驗(yàn)采用頂面直徑為175mm，底面直徑為185mm，高為150mm的圓臺(tái)試件。試件以6個(gè)為一組，養(yǎng)護(hù)齡期28d。試驗(yàn)水壓從0.1MPa開(kāi)始施加，每隔8h增加0.1MPa ，當(dāng)試件中有3個(gè)試件頂面滲水時(shí)即停止試驗(yàn)?？?jié)B試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

抗?jié)B試驗(yàn)顯示，層布式鋼纖維混凝土的抗?jié)B性能比素混凝土的低，而層布式混雜纖維混凝土的抗?jié)B性能比素混凝土高，比層布式鋼纖維混凝土的高很多。層布式鋼纖維混凝土的滲水高度比素混凝土的高31.7%，層布式混雜纖維混凝土的滲水高度比素混凝土的低21.3%，滲水高度比層布式鋼纖維混凝土的低40.3%。試件劈開(kāi)后的濕水面顯示，層布式鋼纖維混凝土在層布鋼纖維的部位濕潤(rùn)度更大，有一個(gè)試件在混凝土層布鋼纖維的下面有部分混凝土未濕水的情況下，鋼纖維混凝土部分已橫向貫通，說(shuō)明層布鋼纖維的部位是抗?jié)B的薄弱環(huán)節(jié)，而層布式混雜纖維混凝土抗?jié)B性很好，因此在層布式鋼纖維混凝土中加聚丙烯纖維對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性有提高作用。

1. 4 孔隙率測(cè)試試驗(yàn)

多孔固體材料的物理性能，特別是強(qiáng)度和耐久性，主要取決于材料的孔隙結(jié)構(gòu)，因此評(píng)估多孔材料的空隙結(jié)構(gòu)特征對(duì)于全面準(zhǔn)確地了解材料的物理性能具有相當(dāng)重要的意義。多年來(lái)，在評(píng)估水泥凈漿，砂漿或混凝土中孔隙大小分布的問(wèn)題上主要采用壓汞法。

試驗(yàn)樣品從抗?jié)B試驗(yàn)劈開(kāi)后的斷面上多個(gè)不同的位置取得。對(duì)層布式構(gòu)件在層布處取樣， 每種形式混凝土各取3組樣品，試驗(yàn)前放在烘箱內(nèi)保持溫度105℃～110℃烘至少24h?？紫堵试囼?yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

孔隙率試驗(yàn)顯示，素混凝土孔隙率最高，層布式鋼纖維混凝土次之，層布式混雜纖維混凝土最低。層布式鋼纖維混凝土的總孔隙率比素混凝土的總孔隙率低39.9%，層布式混雜纖維混凝土的孔隙率比素混凝土低43.9%，比層布式鋼纖維低6.6%。各種形式混凝土的孔徑范圍基本分布在6 ×10^-3μm～10μm之間， 而以0.03μm～0.2μm孔徑的孔隙占了大部分，大于0.2μm孔徑的孔隙很少，而孔徑在6×10^-3μm～0.03μm的孔隙界于以上兩種之間，同時(shí)素混凝土絕大多數(shù)孔徑的體積率均較兩種層布式纖維混凝土的大，而孔徑在0.03μm到0.2μm的孔隙的主體分布，層布式混雜纖維混凝土比層布式鋼纖維略低。說(shuō)明加入鋼纖維和聚丙烯纖維提高了混凝土內(nèi)部的密實(shí)度。

1. 5 試驗(yàn)結(jié)果分析

由以上試驗(yàn)可見(jiàn)，層布式混雜纖維混凝土的抗?jié)B性能遠(yuǎn)高于層布式鋼纖維混凝土和素混凝土。究其原因，可作如下分析:液體(氣體)在混凝土中的擴(kuò)散途徑主要有以下幾種:①水泥漿體; ②骨料通道;③漿體與骨料、纖維界面處的通道。混凝土的滲透性主要取決于第②與第③途徑。一般來(lái)說(shuō)混凝土結(jié)構(gòu)越致密，阻礙液體向其內(nèi)部流動(dòng)的能力越強(qiáng)，越能有效防止物質(zhì)向內(nèi)擴(kuò)散，則抗?jié)B能力越高、耐久性越好?；祀s纖維有效地抑制了混凝土早期收縮微裂縫和離析裂紋的發(fā)生和發(fā)展，減少了混凝土內(nèi)部裂縫的連通;此外大量細(xì)小纖維的均勻分布形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對(duì)骨料起了骨架承托作用，首先抑制了毛細(xì)管的發(fā)展，減少了混凝土的表面析水和骨料下沉離析，使得混凝土內(nèi)部孔隙減少、減小，有害孔數(shù)量減少，孔連通性能降低，防止混凝土快速失水產(chǎn)生裂縫， 延緩了塑性收縮裂縫出現(xiàn)的時(shí)間;同時(shí)，在混凝土開(kāi)裂后，纖維的抗拉作用阻止了裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，使裂縫變成多而窄的多發(fā)形態(tài)?；炷量?jié)B性能由此得以大大提高。同時(shí)鋼纖維的摻入對(duì)混凝土裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展也起到約束作用，這將延緩混凝土的破壞，增強(qiáng)混凝土韌性，延長(zhǎng)混凝土使用壽命，從而間接提高密實(shí)性，并增強(qiáng)混凝土的體積穩(wěn)定性。但層布式鋼纖維采用撒布后， 雖經(jīng)過(guò)振搗，但撒布處纖維密集，纖維與混凝土的粘結(jié)處可能界面增多，因而影響了混凝土的抗?jié)B性，雖然鋼纖維約束了混凝土的開(kāi)裂，但界面處卻增多了縫隙，因而鋼纖維間混凝土的孔隙率雖然不高，但整體抗?jié)B性能卻較差。層布式混雜纖維混凝土優(yōu)良的抗?jié)B性顯示，采用該形式對(duì)混凝土的耐久性有很大意義。

2 結(jié)論

(1) 層布式混雜纖維混凝土的抗?jié)B性最好， 其次是素混凝土，層布式鋼纖維混凝土較差。

(2) 層布式混雜纖維混凝土的孔隙率較層布式剛纖維混凝土和素混凝土都低。而且小直徑孔所占比例較多，孔隙分布也最均勻。

(3) 與層布式鋼纖維混凝土相比，層布式混雜纖維混凝土的力學(xué)增強(qiáng)作用是有限的，但其在耐久性上的正混雜增強(qiáng)效果顯著。

參考文獻(xiàn)

[ 1] 趙國(guó)藩， 彭少民， 黃承逵. 鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu). 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999

[ 2] 盧哲安， 羅國(guó)榮， 陳應(yīng)波， 等. 上下層布鋼纖維混凝土抗折強(qiáng)度及增強(qiáng)機(jī)理研究. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2001 ，23(1)

[ 3] 聞?shì)督?/SPAN>. 復(fù)合材料原理. 武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1998

[ 4] 袁海慶，陳景濤，等. 層布式鋼纖維-聚丙烯腈纖維混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2003 ，25(4)

[ 5] 趙曉彬， 陳到俊， 蘭麗梅. 杜拉纖維混凝土的試驗(yàn)研究及應(yīng)用.石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào). 2002，15(6)

[ 6] 華淵， 曾藝. 纖維混雜效應(yīng)的試驗(yàn)研究. 混凝土與水泥制品. 1998(4)

[ 7] 孫偉，錢紅萍，陳惠蘇. 纖維混雜及其與膨脹劑復(fù)合對(duì)水泥基材料的物理性能的影響. 硅酸鹽學(xué)報(bào)，2000，28(2)

[ 8] 索默H. 高性能混凝土的耐久性. 馮乃謙，丁建彤，譯. 北京:科學(xué)出版社，1998