自密实纤维轻骨料混凝土耐久性试验.pdf

中国科技信息 2024 年第 3 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024-70-两星推荐自密实纤维轻骨料混凝土的耐用程度与抗渗、抗冻、抗氯离子渗透等多项性能有关，本文按照水泥、粉煤灰、砂、轻骨料、水、外加剂（减水剂）质量比为 384.5：187.6：765.7：436.8：183.1：8.5 的配合比，制作了自密实轻骨料混凝土。根据混凝土的体积，分别掺入 0%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%的纤维，得到 5 种不同纤维掺量的自密实纤维轻骨料混凝土。在此基础上制作试件，分别进行了抗渗性能试验、抗冻融性能试验和氯离子渗透性能试验。结果表明，当纤维掺量在 0.10%时，混凝土耐久性最佳。自密实纤维轻骨料混凝土抗渗性能试验试验方法使用不同纤维掺量的自密实轻骨料混凝土，制作了 5 组直径为 180mm、高度为 160mm 的圆柱体试件。为了消除试验误差，每 1 组内包含 6 个相同的试件。在混凝土浇筑后养护 24h，然后拆模取出试件，使用钢丝刷清理试件两端的水泥皮，清理完毕后置于标准养护室内，养护周期为 28d。养护结束后将试件取出，在圆柱体试件的侧面使用毛刷均匀的涂覆一层熔化的密封材料，尽量避免出现密封材料流挂的情况。在涂覆材料的过程中，将试件套放入烘干箱中，在100下预热 5min。将试件套取出，把试件压入试件套中。找到混凝土抗渗仪下部的注水阀门，将阀门状态从关闭调整为打开，让水从阀门渗入试位坑中。注满水后关闭阀门，将试件放入抗渗仪内。开始试验后，设定水压为1.2MPa，从0加压至1.2MPa用时不得超过 5min，并且保证均匀加压。在水压稳定在1.2MPa 后，将此时刻作为试验记录的起始时间。密切观察稳压过程中试件端面的渗水情况，在观察到试件的断面渗出水珠后，试验结束并记录此时的时间，精确至 1min。如果时间在 6h 内未出现渗水现象，同样终止试验。上述试验结束后，把试件取出并垂直放置在压力机上，启动压力机将试件自上而下地沿着中心线剖成大小相等的两半，使用记号笔绘出水痕，即可得到试件的渗水轮廓。用钢尺沿着水痕等间距量测 10 个测点的渗水高度值，读数精确到 0.1mm。为消除误差，将 10 个测点渗水高度的算术平均值作为该试件最终的渗水高度，然后再求出 6 个试件渗水高度的平均值，即可得到某一纤维掺量下自密实纤维轻骨料混凝土的渗水高度。行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度自密实纤维轻骨料混凝土耐久性试验张旭波张旭波铁正检测科技有限公司张旭波（1990），山东济宁，硕士研究生，工程师，研究方向：试验检测。-71-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024中国科技信息 2024 年第 3 期两星推荐试验结果与分析5 种纤维掺量下自密实纤维轻骨料混凝土试件的渗水高度试验结果见表 1。表 1 不同纤维掺量下混凝土的渗水高度纤维掺量0%0.05%0.10%0.15%0.20%试件编号SF-0SF-0.05SF-0.10SF-0.15SF-0.20渗水高度17.4mm11.8mm11.8mm15.0mm17.1mm由表 1 数据可知，相比于普通的自密实轻骨料混凝土，掺入一定量的纤维后确实可以提升混凝土的抗渗性能。横向对比来看，纤维掺量的不同，自密实轻骨料混凝土的抗渗性能也有较为显著的差异。当纤维掺量为自密实轻骨料混凝土体积的 0.05%和 0.10%时，渗水高度均为 11.8mm，此时混凝土的抗渗性能最好，相比于未掺入纤维的混凝土，渗水高度降低了 5.6mm，下降了为 32.2%。但是随着纤维掺量的继续增加，混凝土的抗渗性能出现下降，因此实际应用中将纤维掺量控制在 0.05%0.10%之间，可以让抗渗性能达到使用要求。分析其原因，自密实轻骨料混凝土在硬化过程中由于水分蒸发会出现干缩裂缝。虽然裂缝较小，但是数量较多、分布较广，导致混凝土的整体抗渗性能下降。向自密实轻骨料混凝土中掺入一定量的纤维后，由于纤维具有较高的弹性模量，会增强混凝土的抗拉强度，有效抑制了干缩裂缝的形成，减少了混凝土微观结构上连通孔的数量，进而增强了混凝土宏观层面上的抗渗性能。自密实纤维轻骨料混凝土抗冻融性能试验试验方法本试验参照普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准（GB/T50082-2009）中的“快冻法”进行抗冻融试验，选用设备为 TDR 型混凝土快速冻融试验机。具体方法如下：按照上文所述方法制作自密实纤维轻骨料混凝土试件并养护 28d。将试件从标准养护室取出后，置于清水中浸泡 72h，保证水面高于试件顶部 2cm。将试件取出后，使用干净纱布擦干表面水分，置于精密电子秤上称量试件的质量，记为 M1，同时测定试件的横向基频，记为 F1。观察此时试件的边缘处和表面有无缺裂情况，并做好记录。完成上述操作后，将试件转移到 TDR 型快速冻融试验机的胶皮筒中，加入清水并没过试件顶部至少 2cm。启动机器进行快速冷冻和融化，该功能是利用胶皮筒外部乙二醇防冻液的热传导功能实现的。设置冷冻温度为-15，融化温度为 10。每个冻融循环时间为 2h，经过 15 次冻融循环后，将试件的上下颠倒再次放入机器内，重复上述操作再进行 15 次冻融，保证试件受冷、受热均匀，提高试验结果的可靠性。试验结束后，记录试件的质量（M2）和横向基频（F1）。关键数据的计算本次试验中选取“质量损失”与“动弹性模量”两项指标评估自密实纤维轻骨料混凝土的抗冻融性能。具体计算方式如下：（1）质量损失率的计算公式如下：M=（M1-M2）/M1100%上式中，M 表示经过 30 次冻融循环后，试件的质量损失率，单位为%，精确至 0.01。试验中，相同纤维掺量下的自密实轻骨料混凝土试件有 3 个，如果计算结果出现负值，以 0 记。3 个试件中最大值、最小值与中间值的误差超过 10%时，剔除该数据，需要另选试件进行测定。（2）动弹性模量计算公式如下：K=F22/F12100%上式中，K 表示经过 30 次冻融循环后，试件的相对动弹性模量，单位为%，精确至 0.01。试验中，相同纤维掺量下的自密实轻骨料混凝土试件有 3 个，取 3 个试件计算结果的平均值。如果 3 个试件中，最大值、最小值与中间值的误差超过了 15%，则剔除该数据，需要另选试件进行测定。试验结果与分析5 种不同纤维掺量下的自密实轻骨料混凝土试件在未冻融处理（0 次）和冻融 30 次后的质量损失率与相对动弹性模量计算结果见表 2。表 2 不同冻融次数下各类混凝土的性能指标冻融次数试件编号质量（kg）质量损失率（%）横向基频率（Hz）相对动弹模（%）0SF-07.81701 785100SF-0.057.85901 783100SF-0.108.02601 787100SF-0.157.96101 781100SF-0.207.75501 78410030SF-07.7660.651 73093.91SF-0.057.8450.181 72994.03SF-0.108.0150.141 74395.12SF-0.157.9530.101 72894.11SF-0.207.7480.091 72893.82由表 2 数据可知，自密实纤维轻骨料混凝土试件在经过30 次冻融处理后，随着纤维掺量从 0%增加至 0.20%，相对动弹性模量呈现出先增加后减小的变化趋势。当纤维掺量为 0 时，试件的相对动弹模为 93.91%；将纤维掺量增加至0.10%后，试件的相对动弹模达到最大值，为 95.12%，此时混凝土的抗冻融性能最佳。继续增加纤维掺量，试件的相对动弹模开始下降，当掺量达到 0.20%时，相对动弹模为93.82%。在同样处理下，随着纤维掺量的增加，试件的质量损失率呈现出降低趋势，并且最后趋于平稳。在纤维掺量达到 0.15%后，继续增加纤维，试件的质量损失率没有明显变化。综上，向自密实轻骨料混凝土中掺入一定量的纤维，确实能够起到提升混凝土抗冻融性能的效果。但是纤维掺量不同，抗冻融能力也有差异，结合试验数据将纤维掺量控制在 0.10%0.15%之间较为合适。分析其原因，自密实轻骨料混凝土中含有若干毫米级甚至是纳米级的微孔，在毛细孔压力的影响下这些微孔内储满水。当温度降低到一定程度后，水变成冰同时体积膨胀，当微孔数量足够多时，相邻微孔膨胀产生的裂隙会连通，导致中国科技信息 2024 年第 3 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024-72-两星推荐混凝土发生开裂破坏。向自密实轻骨料混凝土中掺入纤维后，能够封堵、破坏混凝土的微孔结构，减少了微孔的数量，相应地减少了混凝土内部的可冻水，达到提升混凝土抗冻融性能的效果。自密实纤维轻骨料混凝土氯离子渗透性能试验试验方法本试验采用饱盐直流电导率法（NEL 法），首先测出在高浓度真空饱盐条件下试件的导电率，其次利用 Nernst-Einstein 方程求出氯离子扩散系数，并用该指标评价混凝土氯离子的渗透性能。具体方法如下：制作直径为 100mm、高度为 50mm 的圆柱体试件。向全自动真空饱水机中加入真空饱盐，将试件放入机器中并保证液面没过试件顶部至少2cm。使用夹具固定试件后，启动全自动真空饱水机测量试件的导电率，测试过程大约 10min。测试结果以表格形式保存，导出表格数据后作进一步处理。本试验中所用的 NEL-VJH 型混凝全自动真空饱水机技术参数如下：测试范围10-11 10-15m2/s，电压精度不超过 0.1V，电流精度不超过 1mA，最大测量时间为 15min，工作电压 220AC、10VDC。数据处理对于试验所得数据作如下处理：每个试件测定 3 次，得到 3 组对应数据，在数据相差不超过 5%的情况下求 3 组数据的平均值；如果数据相差超过 5%则需要重新测定。以平均值作为混凝土试件的氯离子扩散系数值（），对照“氯离子渗透性评价标准”即可得出渗透性能。按照由高到低将混凝土渗透性划分为 7 个等级：I 级：1 0001 010-14m2/s，渗透性很高；级：5001 010-14m2/s 1 0001 010-14m2/s，渗透性高；级：10010-14m2/s 50010-14m2/s，渗透性中；级：5010-14m2/s 10010-14m2/s，渗透性低；级：1010-14m2/s 5010-14m2/s，渗透性很低；级：510-14m2/s1010-14m2/s，渗透性极低；级：510-14m2/s，可以忽略。试验结果与分析不同纤维掺量下自密实轻骨料混凝土试件的氯离子渗透数据统计结果见表 3。表 3 不同纤维掺量下混凝土的氯离子渗透情况纤维掺量0%0.05%0.10%0.15%0.20%试件编号SF-0SF-0.05SF-0.10SF-0.15SF-0.20氯离子扩散系数（10-14m2/s）787395101117氯离子渗透性低低低中中由表 3 数据可知，随着纤维掺量从 0.05%增加至0.20%，自密实轻骨料混凝土试件的氯离子扩散系数呈现出升高趋势，相应的混凝土试件的氯离子渗透性从“低”变为“中”，说明增加纤维掺量会使混凝土的抗氯离子渗透性能降低。横向对比来看，当纤维掺量为 0.05%时，氯离子扩散系数为 7310-14m2/s，略低于未掺入纤维时的氯离子扩散系数。从实际应用角度来看，只要氯离子渗透性为“低”，基本上都能满足建筑质量要求。因此只要纤维掺量不超过0.15%，即可保证自密实轻骨料混凝土的氯离子抗渗性能满足建筑质量要求。分析其原因，混凝土的水灰比、试件的保水措施和制作工艺等，都会对其氯离子渗透性能产生影响。其中，混凝土内部的孔隙率以及微孔分布是决定氯离子扩散性能的关键因素。在掺入纤维后，混凝土中的一部分水泥浆体包裹在纤维表面，使得骨料、纤维之间可以自由流动的水泥浆体变少。有些骨料和纤维之间没有被水泥浆体填充，形成了空隙。有些空隙还会相互连通，为氯离子的扩散提供了有利条件。混凝土中纤维的掺量越多，这些空隙也会相应地增加，使得自密实轻骨料混凝土的氯离子扩散系数升高，降低了抗氯离子渗透性能。结语抗渗性表示混凝土抵抗水和其他侵蚀性介质的浸入能力，提高抗渗性是延长自密实纤维轻骨料混凝土耐久性的关键；抗冻融性表示混凝土在多次冻融后而不破坏的能力，尤其是在我国北方地区，提高混凝土抗冻融能力至关重要；氯离子渗透是造成混凝土内钢筋锈蚀的主要因素，增强抗氯离子渗透能力可以防止混凝土结构破坏，延长其使用寿命。改变纤维掺量，会对自密实轻骨料混凝土的上述特性产生明显的影响。因此，在建筑工程中应用自密实纤维轻骨料混凝土时，必须结合工程所在地区的环境，以及建筑使用年限、施工要求等信息，开展相应的试验确定耐久性是否达标。研究表明，当纤维掺量在 0.10%时，可以保证自密实轻骨料混凝土的耐久性达到最优，在满足建筑工程建设要求的基础上，兼顾经济效益和社会效益。