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聚丙烯纤维轻骨料混凝土抗冻耐久性试验研究 * 霍俊芳 1 申向东 2 1 内蒙古工业大学, 呼和浩特 010051; 2 内蒙古农业大学, 呼和浩特 010018 摘 要 通过掺入聚丙烯纤维、 高效减水剂、 引气剂及矿物掺合料, 配制两种强度等级 LC30, LC35的浮 石轻骨料混凝土。对比盐溶液5Na2SO4和水中抗冻性试验发现, 盐溶液中冻融的轻骨料混凝土劣化程度 大于水中。轻骨料混凝土掺入纤维后, 其抵抗冻融损伤能力得到改善, 掺量越高, 对轻骨料性能的改善作用 越明显。SEM 观察发现, 随着盐溶液的侵蚀以及冻融循环次数的增加, 水化产物的结构由密实逐渐变得疏 松; 聚丙烯纤维与水泥石浆体的粘结力强, 能够抑制混凝土的冻融损伤。 关键词 浮石; 聚丙烯纤维; 轻骨料混凝土; 抗冻性; 微观结构 THE EXPERIMENT STUDY ON FROST RESISTANCE DURABILITY OF POLYPROPYLENE FIBER REINFORCED LIGHTWEIGHT AGGREGATE CONCRETE Huo Junfang1 Shen Xiangdong2 1Inner Mongolia University of Technology, Huhhot 010051, China; 2Inner Mongolia Agriculture University, Huhhot 010018, China Abstract Pumice lightweight aggregate concrete LWAC of LC30, LC35 is prepared with the of mixing polypropylene fiber, superplasticizer, air entraining agent and mineral admixtures. Comparing frost resistance durability of LWAC in salt solution 5 Na2SO4 and inwater, the degree of LWAC durability deterioration is freezing thawing in salt solution freezing thawing in water. The frost resistance of LWAC is improved by mixing polypropylene fiber. The large volume fraction has tendency of good frost resistance of LWAC. SEM shows that hydrate structure in interfacial transition zone ITZ becomes loose gradually with an increase in cycles of freezing thawing and corrosion. Polypropylene fiber has stronger cementing bond with paste and can restraint the damage to concrete by freezingthawing. Keywords pumice; polypropylene fiber; lightweight aggregate concrete; forst resistance durability; microstructure * 内蒙古自然科学基金资助项目 200711020715 ; 十一五国家科技 支撑计划课题 2006BAJ05B06- 06 第一作者 霍俊芳, 女, 1971 年9 月出生, 副教授, 博士。 E- mail princess-0 163. com 收稿日期 2007- 12- 15 在寒冷地区道路及桥梁工程中, 混凝土冻害虽 是影响耐久性的最主要的破坏形式, 但当使用除冰 盐时, 混凝土冻害将急剧放大, 同时还会引起混凝土 严重剥蚀和钢筋锈蚀。在北方寒冷盐碱地、 港口码 头和海洋混凝土工程中, 混凝土受冻现象也十分严 重, 其原因是因为盐类溶液对混凝土产生更剧烈冻 融破坏 [1- 4] 。所以, 寒冷地区混凝土必须能经受得 住盐溶液的冻融作用。为此, 本文通过试验, 对比研 究聚丙烯纤维轻骨料混凝土的抗冻性。 1 主要原材料及其性质 粗骨料 内蒙古锡林郭勒盟浮石轻骨料, 其化学 组成见表 1。 细骨料 天然河砂, 性能指标见文献[ 5] 。 水泥PO 425 普通硅酸盐水泥。 粉煤灰 呼和浩特市化肥厂级粉煤灰。 聚丙烯纤维 采用束状单丝, 其性能见文献[ 5] 。 外加剂 UNF- 5 型高效减水剂; RSD- 5型引气 剂。 硫酸盐 天津市化学制剂三厂的无水硫酸钠。 水 普通自来水。 2 试验方案 考虑硫酸钠介质是由于参考了内蒙巴盟地区的 土体情况, 且该地区较深处地下水中也有盐分含量。 实地调查时, 当地个别工程在制作混凝土时偶尔也 用地下水来施工, 故试验中用浓度为 5 的 Na2SO4 作为冻融的介质环境。本文参照大量硫酸盐侵蚀试 验的文献 [ 6, 7] , 试件 28d 龄期时将浸水饱和的试件置 86 Industrial Construction Vol39, No 3, 2009工业建筑 2009 年第 39 卷第 3期 于硫酸钠溶液中, 按照GBJ 82 85普通混凝土长期 性能和耐久性能试验方法中抗冻性能试验的 慢冻 法进行, 目的是比较轻骨料混凝土在盐溶液中与在 水中冻融作用的不同。对 LC35 轻骨料混凝土而言, 冻融循环次数分别为 25, 50, 75 次; 对 LC30 轻骨料 混凝土, 冻融次数分别为 50, 100 次。研究中均采用 尺寸为 100 mm 100 mm 100 mm 试件。冻融循环 后, 取出试件测试混凝土的抗压强度和质量损失。 表 1 浮石化学全分析结果 Table 1 Chemical complete analysis of pumice SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgOTiO2SO3K2ONa2O烧失量 48 88140012908706102 200151582981 82 3 试验结果 LC30轻骨料混凝土在水中和 5硫酸钠溶液的 50, 100 次冻融循环试验结果见表 2。LC35 轻骨料 混凝土在水中和 5 硫酸钠溶液的 25, 50, 75 次冻融 循环试验结果分别见表 3。 从表中看出, 聚丙烯纤维掺入轻骨料混凝土对 质量损失改善作用并不明显。原因在于混凝土质量 损失主要是试件表面浆体剥落所致, 表面剥落一般 使表面浆体层解体, 质地酥软, 细小的砂粒或浆体颗 粒脱离试件表面, 在混凝土中乱向分布的纤维, 对这 种颗粒起不到有效的约束作用。 对于LC30 强度等级, 轻骨料混凝土在水中冻融 50,100 次后强度损失率分别为 583, 1062 ; 掺 入纤维后, 轻骨料混凝土在水中冻融 50次后强度损 失较掺入前降低 182 326; 100 次水冻后强 度损失较掺入前降低 108 259; 轻骨料混凝 土在盐溶液中的强度损失比在水中约提高 20 左 右。对于LC35 强度等级, 轻骨料混凝土在水中冻融 25, 50, 75 次时, 强度损失分别为 069, 380, 858 ; 在水中冻融 25次后强度损失较掺入纤维前 降低 203 391 ; 50 次后强度损失较掺入前降 低 142 303; 75 次水冻后强度损失较掺入纤 维前降低 281 380; 轻骨料混凝土的强度损 失在盐溶液中比在水中提高 30左右。 表 2 LC30轻骨料混凝土冻融循环试验结果 Table 2 Test results of LC30 LWAC after freezing and thawing 编号 聚丙烯纤维 kgm- 3 水盐 50 次100 次50 次100 次 W f W fW f Wf K10007583033106201071704613 14 PF110600647702894700862703711 65 PF120900539302782800749503410 39 PF13120054050257870074670339 70 表 3 LC35轻骨料混凝土冻融循环试验结果 Table 3 Experimental data of LC35 LWAC after freezing and thawing 编号 聚丙烯纤维 kgm- 3 25 次50 次75 次 W f Wf W f 水盐水盐水盐水盐水盐水盐 K200- 022- 052069- 0700 050 073805580080088 581034 PF2106- 016- 049055- 0600 040 053264610070076 17926 PF2209- 016- 053047- 0630 040 042653680060065 48788 PF2312- 018- 058042- 0600 040 043044240070075 32751 4 结果分析 质量损失主要是混凝土表面剥落所致, 从表中 可看出, 除 25 次冻融质量增加外, 其余均出现盐冻 环境质量损失大于水冻环境; 随冻融次数增加, 质量 损失增长; 水胶比减小, 混凝土抗剥落性能增强。 25次冻融循环试验中, 无论是在水中还是在盐 溶液中冻融后试件的质量均稍有增加。原因是浸泡 时间较短, 一些破坏性反应物数量较少, 形成的数量 或产生的破坏应力还不足以超过混凝土本身的抗拉 强度; 由于长期浸泡在溶液中, 一方面水分的不断渗 87 聚丙烯纤维轻骨料混凝土抗冻耐久性试验研究 霍俊芳, 等 入促进了水泥的水化反应, 另一方面, 腐蚀溶液与水 泥水化产物发生化学反应生成了另外一些晶体物 质。这两方面原因导致混凝土的质量有所增加。 轻骨料混凝土的抗冻融试验的强度测试结果可 以发现 25 次盐冻环境下的强度均有所提高, 而 50, 75, 100 次盐冻环境中轻骨料混凝土的强度损失均 大于水中。纤维的加入对轻骨料混凝土的抗冻性均 有不同程度的改善作用。其中随冻融次数的增加, 纤维的改善作用愈加明显。 水胶比减小, 轻骨料混凝土强度损失下降。较 低的水胶比不仅使轻骨料混凝土具有较高的强度, 更重要的是使胶结材料水化后剩余的游离水相对减 少, 这些水分蒸发后使混凝土的有效孔隙率 对混凝 土冻融循环造成破坏的有效孔隙 大大减小, 使混凝 土的密实性增加。所以本试验中轻骨料混凝土试件 LC30在冻融循环后强度损失较LC35快。 5 显微结构分析 轻骨料混凝土冻融前 SEM 照片见图 1。对试样 界面过渡区的水化产物进行 SEM 观察, 发现在各试 样界面过渡区均存在有片状结构 图 2 的 Ca OH2 和簇状结构 图 1a 的钙矾石晶体 AFt 的富集, 界 面区也存在云絮状的 C- S- H 凝胶 图 3 , 随水化 进行, C- S- H 大量填于原充水空间, 结构密实; 水 化产物中含有大量的针状 AFt 晶体, AFt 晶体互相 搭接, 钙矾石膨胀效果得到发挥。 28d 龄期的水化形貌, 从图 1b 可见, 粉煤灰颗 粒均匀的分布在水泥凝胶体之中, 粉煤灰表面已经 有比较明显的反应痕迹, 颗粒表面变得粗糙。粉煤 灰表面的反应物, 组成上主要以 C- S- H 凝胶为 主, 水泥石的结构愈加致密, 水泥石紧密的包裹在浮 石周围, 起到保护支撑浮石的作用。 盐溶液中SO 2- 4的存在, 与水泥水化产物生成大 量AFt、 钙硅石等大分子晶体。这些大分子晶体相 互搭接, 填满原来由水所占据的空间, 固体离子逐渐 靠近, 使得混凝土内部变得密实, 强度有所提高。但 随着时间的延长, 混凝土内部剩余空间变少, 不断生 成的AFt、 Ca OH2等相 图 4, 图 5 没有生长的空 间, 只能在原空间反复叠加生长, 当达到一定程度 时, 就会在混凝土内部产生体积膨胀, 使得水泥石与 集料分离。硫酸钠的介入及AFt 相的生长是同程度 的, 相对来说这时AFt 相生长空间受到限制, 产生一 定的内部扩张, 使水泥石与集料有所分离, 在经过 50, 75, 100 次冻融循环后, 同水冻强度相比, 盐冻强 度有所下降。 聚丙烯纤维轻骨料混凝土作为一种复合材料, 一方面聚丙烯纤维在水泥胶块中穿越, 桥连了轻骨 料混凝土胶块 图 6 , 使胶块之间紧密连接, 在聚丙 烯纤维与基体之间粘结力的作用下, 推迟了裂缝应 力集中区向基体内部伸展的速度; 另一方面, 聚丙烯 纤维的表面有众多相互平行的刻痕 图 7 , 并且附 a 界面区簇状钙钒石; b 粗糙粉煤灰颗粒 图1 轻骨料混凝土冻融前SEM 照片 Fig. 1 SEM photograph of LWAC sample before freezingthawing 图 2 CaOH2晶体 水冻75 次 Fig. 2 The crystal of CaOH2after 75 cycles of freezing in water 图 3 C- S- H 凝胶 水冻 100 次 Fig. 3 C- S- H gel after 100 cycles of freezing in water 图 4 水化产物填充孔洞 盐冻 75 次 Fig. 4 The pores filled by hydrate after 75 cycles of freezing in salt solution 着了大量的水化产物, 这也有效提高了纤维与混凝 土的粘结力, 大量分布的微细纤维具有显著的阻裂 效应, 增加了混凝土冻融损伤过程中的能量消耗, 能 控制轻骨料混凝土早期塑性开裂现象, 阻止和分散 裂纹的扩展及幅度的增加, 抑制冻胀压力引起的裂 88 工业建筑 2009 年第 39 卷第 3期 图5 界面区水化产物 盐冻50 次 Fig. 5 ITZ hydrate after 50 cycles of freezing in salt solution 图6 聚丙烯纤维的桥连作用 水冻50 次 Fig. 6 Polypropylene fiber bridging action after 50 cycles of freezing in water 图7 界面区的聚丙烯纤维 水冻50 次 Fig. 7 Fiber in ITZ after 50 cycles of freezing in water 纹, 使得基体内部几乎不劣化。 6 结 论 1 轻骨料混凝土随冻融次数的增加, 劣化加剧; 硫酸钠- 冻融的复合损伤明显大于单一冻融损伤。 2 聚丙烯纤维的阻裂、 桥接、 增韧作用, 使混凝 土抵抗冻融损伤尤其是硫酸钠- 冻融复合损伤的能 力增强, 冻融循环过程中, 轻骨料混凝土的强度下降 变慢, 抗冻融耐久性提高。 3 未经硫酸钠溶液侵蚀和冻融侵蚀之前, 水泥 砂浆是一个水化产物相互胶结、 相互堆积的密实体。 随着介质溶液的侵蚀以及随着冻融循环次数的增 加, 水化产物的结构发生变化, 其密实度逐渐降低, 水化产物的凝胶团也开始由粗大而逐渐变成分散、 细小, 最后逐渐丧失胶凝作用, 试件裂纹不断增多, 试件强度也就随之降低。 4 表面凹凸不平的纤维通过与硬化水泥浆体界 面形成较强的机械啮合作用, 可提高纤维与硬化水 泥浆体界面的粘结强度, 能抑制混凝土的冻胀开裂, 使轻骨料混凝土的耐久性能得以提高。 参考文献 [1] 魏广和, 张玉生, 慕儒. 氯化钠溶液对混凝土抗冻性的影响 [ J] . 工业建筑, 2001, 3110 50- 53. 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[ 7] 赵霄龙. 寒冷地区高性能混凝土耐久性及其评价方法研究 [ D] . 哈尔滨 哈尔滨工业大学, 2001. 上接第 14页 然具有强大的生命力, 许多外国建筑师在其建筑创 作中纷纷在中国传统建筑中寻找建筑创作灵感, 国 外建筑师在华参与设计的工程均融入中国元素, 而 我们自己的建筑师却没有很好地深入研究自己的优 秀建筑文化, 一味地模仿别人并不完全适合自己国 情的建筑形式。如同我国汽车工业所走过的发展道 路一样, 由于缺乏自主创新, 至今没有真正形成自己 的汽车文化和自己的强势品牌。中国现代建筑的发 展只有立足于本国资源、 环境、 经济、 社会、 文化的实 际, 本着人与自然和谐、 建筑与环境和谐的原则, 在 继承我国优秀传统建筑文化并植根于本土文化之 上, 注重借鉴和吸收世界先进的建筑技术和建筑文 化并加以整合, 坚持走自主创新之路, 才是中国现代 建筑和建筑文化发展的正确方向。 世纪之交, 中国建筑发展也是挑战与希望同 在。在改革、 探索中, 我们要以宽广的胸怀, 放眼世 界, 认真总结古今中外的建树与教训, 作为前进的基 础, 利用后发优势, 才能真正立于世界建筑之林。 [ 3] 参考文献 [ 1] 吴良镛. 匠人营国[M] . 北京 清华大学出版社, 2006. [ 2] 吴良镛. 发展模式转型与城乡建设科学的再思考[ J] . 中国科学 院院报, 20086 . [3] 吴良镛. 世纪之交的凝思 建筑学的未来[M] . 北京 清华大学 出版社, 1999. 89 聚丙烯纤维轻骨料混凝土抗冻耐久性试验研究 霍俊芳, 等