道路混凝土中基于改善耐堿玻璃纖維腐蝕的最佳配合比

本文通過混凝土抗折強(qiáng)度的變化，對(duì)耐堿玻璃纖維在水泥砂漿中的腐蝕機(jī)理進(jìn)行研究。通過耐堿加速試驗(yàn)探討分析不同配比的耐堿玻璃纖維，對(duì)玻璃纖維混凝土力學(xué)性能的影響，同時(shí)摻加活性混合材粉煤灰來抑制水泥水化漿體對(duì)耐堿玻璃纖維的腐蝕，利用耐久性和耐高溫對(duì)比試驗(yàn)，研究輔助膠凝材料對(duì)玻璃纖維混凝土耐久性的改善程度，確定玻璃纖維最佳慘量及優(yōu)選基材配合比，使得道路混凝土高性能化、綠色化。

試驗(yàn)

試驗(yàn)材料

水泥：太原智?；炷凉旧a(chǎn)的智海牌42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，品質(zhì)符合《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

耐堿玻璃纖維：北京市京華玻璃纖維制品工業(yè)公司生產(chǎn)的耐堿玻璃纖維。線網(wǎng)長(zhǎng)度12mm，密度2.70g/cm3,抗拉強(qiáng)度2480MPa，彈性模量80.0GPa，斷裂延伸率3.6%，ZrO2含量16.7%。

粉煤灰：山西電廠生產(chǎn)的二級(jí)粉煤灰，品質(zhì)符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB1596-2005）的規(guī)定。

減水劑：合肥沃特混凝土外加劑有限公司生產(chǎn)的XK-4-氨基系緩凝高效減水劑，減水率可達(dá)18%至26%。

試驗(yàn)方法

耐堿玻璃纖維最佳摻量實(shí)驗(yàn)：纖維摻量的多少不僅能影響到混凝土的抗拉、抗壓強(qiáng)度，而且對(duì)纖維混凝土的耐磨性、抗凍融性等都有很大影響。參考國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，從玻璃纖維0.8g/L～1.2g/L的摻量范圍內(nèi)選擇幾組不同摻量的配比，按其制成相應(yīng)的試件，對(duì)比分析不同纖維摻量對(duì)混凝土抗拉、抗壓強(qiáng)度的影響，確定耐堿玻璃纖維最佳摻量。

耐堿加速實(shí)驗(yàn)：耐堿玻璃纖維在提高混凝土抗拉強(qiáng)度及耐磨性能的同時(shí)，由于玻璃纖維的腐蝕，后期強(qiáng)度下降。因此，本文首先對(duì)耐堿玻璃纖維的腐蝕問題進(jìn)行研究，通過耐堿加速腐蝕試驗(yàn)，將耐堿玻璃纖維砂漿試件用80℃的熱水加速養(yǎng)護(hù)，根據(jù)溫度對(duì)水泥水化或漿體強(qiáng)度影響的Arrhenius方程來推測(cè)耐堿玻璃纖維在混凝土中的使用年限，然后通過宏觀力學(xué)性能的變化來明確耐堿玻璃纖維在水泥水化環(huán)境中的腐蝕情況。

式中，KT—養(yǎng)護(hù)溫度為T時(shí)的強(qiáng)度發(fā)展速率常數(shù)（d-1）A—常數(shù)（d-1）；Ea—活化能（J/mol）；R—?dú)怏w常數(shù)（8.314J/K·mol）；T—Kelin溫度（T）。

腐蝕抑制摻量最佳配比實(shí)驗(yàn)：在耐堿性混凝土中摻入活性混合材粉煤灰對(duì)于阻止玻璃纖維的腐蝕是很有效的。其中，粉煤灰中的活性SiO2與水泥漿體中的氫氧化鈣反應(yīng)生成高硅鈣比C-S-H凝膠，降低了周圍的堿度，而且還可以減少水化熱、降低滲透性和空隙率、減少干燥收縮。通過將不同配比的粉煤灰均勻摻入砂漿中，對(duì)比分析不同比例粉煤灰時(shí)水泥砂漿的抗彎強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，確定粉煤灰最佳摻和比。

結(jié)果分析

耐堿玻璃纖維最佳摻量的確定

從耐堿玻璃纖維摻量范圍選擇7個(gè)不同纖維用量并制成7組試件，即每組纖維用量不同，其他所有材料的配比不變。在相同條件下比較其3天、7天的抗壓強(qiáng)度（如圖1所示），然后作相互比較，從而確定纖維的最佳摻量。

如圖1所示，在一定范圍內(nèi)，隨著耐堿纖維的摻入量增大，抗壓強(qiáng)度增大，當(dāng)摻入量為1.0g/m3時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，之后再增加耐堿纖維量，其抗壓強(qiáng)度反而下降并趨于穩(wěn)定。原因分析：第一，混凝土摻入的玻璃纖維越多，難以保證拌和均勻，因此，玻璃纖維聚集成小團(tuán)，有害孔增多，混凝土強(qiáng)度下降；第二，混凝土試件受到?jīng)_擊時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)耐堿玻璃纖維與拉應(yīng)力平行形成“縫隙”時(shí)，隨著摻入量增大，“縫隙”也會(huì)越多，導(dǎo)致微裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)大，抗壓強(qiáng)度進(jìn)一步下降。因此，耐堿玻璃纖維的最佳摻量為1.0kg/m3。

表1 不同摻量的混凝土的抗壓強(qiáng)度

圖1 玻璃纖維的摻量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

耐堿玻璃纖維在水泥砂漿中的腐蝕機(jī)理

稱取砂1350g（粒徑介于0.16mm～5mm）、普通硅酸鹽42.5號(hào)水泥540g、耐堿玻璃纖維20g、水238ml、減水劑8g。空白件是除不加入耐堿纖維和減水劑以外其他條件都相同的對(duì)比試件，結(jié)果如表2所示。

如圖2所示，耐堿玻璃纖維試件加熱到第1天，抗折強(qiáng)度達(dá)到最大，然后逐漸降低，加熱到第3天強(qiáng)度達(dá)到最低值，然后強(qiáng)度轉(zhuǎn)而升高，一直到第十天仍然是上升趨勢(shì)；而對(duì)于空白件砂漿試件抗彎強(qiáng)度是逐漸上升的，但到后期有所下降。如圖3所示，凈抗彎荷載值在第一天達(dá)到最大，其后逐漸減小，到達(dá)第3天后基本保持不變，這說明耐堿玻璃纖維在1天后就開始被腐蝕，到達(dá)第3天腐蝕結(jié)束，后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)依賴于水泥漿體的進(jìn)一步水化，但即使耐堿玻璃纖維被腐蝕，試件的后期抗折強(qiáng)度仍然高于空白件。這是由于耐堿玻璃纖維與水泥相互作用后，玻璃纖維表面的鋯離子濃度較高，與氫氧根離子的發(fā)應(yīng)生成Zr(OH)4膠狀物并附著在玻璃纖維表面上形成緊密的保護(hù)膜層，減緩了堿對(duì)玻璃纖維的侵蝕。這意味著，抗堿玻璃纖維自身對(duì)水泥漿體的堿性環(huán)境能形成一定的免疫能力，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明將分散均勻的耐堿玻璃纖維應(yīng)用到道路混凝土中是可行的。

圖2 齡期與抗彎強(qiáng)度曲線

圖3 齡期與凈抗彎強(qiáng)度曲線

表2 水泥砂漿的抗彎強(qiáng)度

當(dāng)加熱到第8天后，空白試件的抗彎強(qiáng)度開始下降，因?yàn)闇囟仁撬嗨囊粋€(gè)重要因素，通過影響參加反應(yīng)材料的溶解度改變水化動(dòng)力學(xué)，導(dǎo)致水化產(chǎn)物的形態(tài)、成分發(fā)生變化。在70℃至100℃的養(yǎng)護(hù)溫度下，水泥漿體中的Aft遭到破壞，養(yǎng)護(hù)溫度的升高還將改變水化產(chǎn)物C-S-H的鈣硅比，當(dāng)水化溫度由25℃升高到95℃時(shí)，C3S水化產(chǎn)物的結(jié)合水量由35%下降到25%。高溫下結(jié)合水量的減少不僅是由于反應(yīng)速度下降，還包括水化產(chǎn)物C-S-H中的層間水減少，鈣礬石轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌a(chǎn)物，導(dǎo)致強(qiáng)度下降。一般來說，提高水化溫度可以加速水泥的水化，但隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增長(zhǎng)水化度和強(qiáng)度往往要降低。本文出現(xiàn)的后期抗折強(qiáng)度降低是由于高溫養(yǎng)護(hù)所致。

因此，將耐堿玻璃纖維摻入混凝土中而不添加任何摻和劑，雖然整體會(huì)提高混凝土的抗折強(qiáng)度，但是其后期強(qiáng)度會(huì)慢慢下降，低于平均值，很難有效發(fā)揮纖維的增韌作用，如何來有效解決纖維混凝土后期強(qiáng)度下降成為下一步試驗(yàn)的關(guān)鍵性問題。

摻加不同比例粉煤灰時(shí)水泥砂漿的抗彎強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律

稱取砂1350g（粒徑介于0.16mm至5mm）、水240ml、普通硅酸鹽32.5號(hào)水泥540g、耐堿玻璃纖維20g、水238ml、高效減水劑8g?？瞻准浅患尤肽蛪A纖維和減水劑以外其他條件都相同的對(duì)比試件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

從圖4可以看出，在加速養(yǎng)護(hù)的條件下，摻加30%粉煤灰玻璃纖維試件的抗彎強(qiáng)度在前3天內(nèi)出現(xiàn)了下降，并在第3天達(dá)到最小值，其后強(qiáng)度開始上升，到達(dá)第11天后上升到最大。同樣，從圖5可以看出耐堿玻璃纖維在前3天內(nèi)腐蝕最為嚴(yán)重，其后慢慢減輕并基本保持不變。

如圖6所示，在摻加40%粉煤灰的條件下，隨著水泥和粉煤灰的反應(yīng)，水泥漿中的堿性減弱，并且纖維與水泥石的界面形成的保護(hù)層使耐堿纖維增韌作用進(jìn)一步發(fā)揮，試件的抗折強(qiáng)度持續(xù)上升，直到第11天抗折強(qiáng)度仍然沒有下降。如圖7所示，纖維在前3天內(nèi)腐蝕最為嚴(yán)重，但因?yàn)槊悍刍野l(fā)揮的作用后期腐蝕緩慢。

對(duì)比分析摻加30%、40%粉煤灰的砂漿凈抗彎強(qiáng)度來看，有一個(gè)共同的規(guī)律，即加速腐蝕和緩慢腐蝕的時(shí)間節(jié)點(diǎn)相同，這是因?yàn)榧铀俑g的初期，水泥迅速水化反應(yīng)，產(chǎn)生了大量的氫氧化物覆蓋在玻璃纖維表層，形成一個(gè)相對(duì)密閉的高堿度液區(qū)域，腐蝕玻璃纖維。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，粉煤灰與氫氧化物反生反應(yīng)，降低了玻璃纖維周圍的堿度。另一方面，隨著水泥及粉煤灰的反應(yīng)形成凝膠，慢慢沉積在耐堿玻璃纖維表面，堿溶液與玻璃纖維的接觸逐漸減少，從而使得玻璃纖維的腐蝕大大的降低。

摻加粉煤灰的試件抗折強(qiáng)度明顯比未摻加粉煤灰的試件抗折強(qiáng)度高，粉煤灰說明可有效抑制水泥水化漿體對(duì)耐堿玻璃纖維的腐蝕。另外，通過上述數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，粉煤灰摻量為30%時(shí)比粉煤灰摻量為40%的凈抗折強(qiáng)度低。所以，在道路混凝土中摻加粉煤灰量為40%時(shí)最能發(fā)揮其活性作用，改善水泥水化漿體對(duì)纖維的腐蝕，使得抗折強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)值。

圖4 摻30%粉煤灰的齡期與抗彎強(qiáng)度關(guān)系曲線

圖5 齡期與凈抗彎強(qiáng)度關(guān)系曲線

圖6 摻40%粉煤灰的齡期與抗彎強(qiáng)度關(guān)系曲線

圖7 齡期與凈抗彎強(qiáng)度關(guān)系曲線

表3 不同摻量粉煤灰砂漿試件的抗彎強(qiáng)度

結(jié)語

在混凝土中加入耐堿玻璃纖維之后，顯著地提高了混凝土的抗折能力，并且耐堿玻璃纖維的摻量為1.0kg/m3，混凝土抗折耐磨性能最好。

摻加粉煤灰后，纖維混凝土的初期強(qiáng)度有所下降，但后期強(qiáng)度慢慢增加。而且，摻加混合材的纖維混凝土較摻加前相比強(qiáng)度增長(zhǎng)率均有很大提高，同時(shí)其抗彎強(qiáng)度增長(zhǎng)率都要高于抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率，滿足道路混凝土耐久性的要求。

摻加粉煤灰能有效抑制水泥漿體對(duì)耐堿玻璃纖維的腐蝕。當(dāng)粉煤灰的摻加量達(dá)到40%時(shí)，摻加耐堿玻璃纖維混凝土的耐久性能較高。

對(duì)于大摻量粉煤灰玻璃纖維混凝土的耐久性的研究由于時(shí)間關(guān)系不能深入分析，以后應(yīng)進(jìn)一步作實(shí)驗(yàn)來檢測(cè)其長(zhǎng)期強(qiáng)度和耐久性。然而，在本試驗(yàn)的觀測(cè)范圍內(nèi)可以看出，本試驗(yàn)配比下耐堿玻璃纖維混凝土應(yīng)用于道路工程是可行的，前景十分廣闊。