道路混凝土中基于改善耐碱玻璃纤维腐蚀的最佳配合比

本文通过混凝土抗折强度的变化，对耐碱玻璃纤维在水泥砂浆中的腐蚀机理进行研究。通过耐碱加速试验探讨分析不同配比的耐碱玻璃纤维，对玻璃纤维混凝土力学性能的影响，同时掺加活性混合材粉煤灰来抑制水泥水化浆体对耐碱玻璃纤维的腐蚀，利用耐久性和耐高温对比试验，研究辅助胶凝材料对玻璃纤维混凝土耐久性的改善程度，确定玻璃纤维最佳惨量及优选基材配合比，使得道路混凝土高性能化、绿色化。

试验

试验材料

水泥：太原智海混凝土公司生产的智海牌42.5级普通硅酸盐水泥，品质符合《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）标准的规定。

耐碱玻璃纤维：北京市京华玻璃纤维制品工业公司生产的耐碱玻璃纤维。线网长度12mm，密度2.70g/cm3,抗拉强度2480MPa，弹性模量80.0GPa，断裂延伸率3.6%，ZrO2含量16.7%。

粉煤灰：山西电厂生产的二级粉煤灰，品质符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB1596-2005）的规定。

减水剂：合肥沃特混凝土外加剂有限公司生产的XK-4-氨基系缓凝高效减水剂，减水率可达18%至26%。

试验方法

耐碱玻璃纤维最佳掺量实验：纤维掺量的多少不仅能影响到混凝土的抗拉、抗压强度，而且对纤维混凝土的耐磨性、抗冻融性等都有很大影响。参考国内外文献，从玻璃纤维0.8g/L～1.2g/L的掺量范围内选择几组不同掺量的配比，按其制成相应的试件，对比分析不同纤维掺量对混凝土抗拉、抗压强度的影响，确定耐碱玻璃纤维最佳掺量。

耐碱加速实验：耐碱玻璃纤维在提高混凝土抗拉强度及耐磨性能的同时，由于玻璃纤维的腐蚀，后期强度下降。因此，本文首先对耐碱玻璃纤维的腐蚀问题进行研究，通过耐碱加速腐蚀试验，将耐碱玻璃纤维砂浆试件用80℃的热水加速养护，根据温度对水泥水化或浆体强度影响的Arrhenius方程来推测耐碱玻璃纤维在混凝土中的使用年限，然后通过宏观力学性能的变化来明确耐碱玻璃纤维在水泥水化环境中的腐蚀情况。

式中，KT—养护温度为T时的强度发展速率常数（d-1）A—常数（d-1）；Ea—活化能（J/mol）；R—气体常数（8.314J/K·mol）；T—Kelin温度（T）。

腐蚀抑制掺量最佳配比实验：在耐碱性混凝土中掺入活性混合材粉煤灰对于阻止玻璃纤维的腐蚀是很有效的。其中，粉煤灰中的活性SiO2与水泥浆体中的氢氧化钙反应生成高硅钙比C-S-H凝胶，降低了周围的碱度，而且还可以减少水化热、降低渗透性和空隙率、减少干燥收缩。通过将不同配比的粉煤灰均匀掺入砂浆中，对比分析不同比例粉煤灰时水泥砂浆的抗弯强度发展规律，确定粉煤灰最佳掺和比。

结果分析

耐碱玻璃纤维最佳掺量的确定

从耐碱玻璃纤维掺量范围选择7个不同纤维用量并制成7组试件，即每组纤维用量不同，其他所有材料的配比不变。在相同条件下比较其3天、7天的抗压强度（如图1所示），然后作相互比较，从而确定纤维的最佳掺量。

如图1所示，在一定范围内，随着耐碱纤维的掺入量增大，抗压强度增大，当掺入量为1.0g/m3时，抗压强度达到最大值，之后再增加耐碱纤维量，其抗压强度反而下降并趋于稳定。原因分析：第一，混凝土掺入的玻璃纤维越多，难以保证拌和均匀，因此，玻璃纤维聚集成小团，有害孔增多，混凝土强度下降；第二，混凝土试件受到冲击时，其内部会产生拉应力，当耐碱玻璃纤维与拉应力平行形成“缝隙”时，随着掺入量增大，“缝隙”也会越多，导致微裂缝的进一步扩大，抗压强度进一步下降。因此，耐碱玻璃纤维的最佳掺量为1.0kg/m3。

表1 不同掺量的混凝土的抗压强度

图1 玻璃纤维的掺量与抗压强度关系曲线

耐碱玻璃纤维在水泥砂浆中的腐蚀机理

称取砂1350g（粒径介于0.16mm～5mm）、普通硅酸盐42.5号水泥540g、耐碱玻璃纤维20g、水238ml、减水剂8g。空白件是除不加入耐碱纤维和减水剂以外其他条件都相同的对比试件，结果如表2所示。

如图2所示，耐碱玻璃纤维试件加热到第1天，抗折强度达到最大，然后逐渐降低，加热到第3天强度达到最低值，然后强度转而升高，一直到第十天仍然是上升趋势；而对于空白件砂浆试件抗弯强度是逐渐上升的，但到后期有所下降。如图3所示，净抗弯荷载值在第一天达到最大，其后逐渐减小，到达第3天后基本保持不变，这说明耐碱玻璃纤维在1天后就开始被腐蚀，到达第3天腐蚀结束，后期强度的增长依赖于水泥浆体的进一步水化，但即使耐碱玻璃纤维被腐蚀，试件的后期抗折强度仍然高于空白件。这是由于耐碱玻璃纤维与水泥相互作用后，玻璃纤维表面的锆离子浓度较高，与氢氧根离子的发应生成Zr(OH)4胶状物并附着在玻璃纤维表面上形成紧密的保护膜层，减缓了碱对玻璃纤维的侵蚀。这意味着，抗碱玻璃纤维自身对水泥浆体的碱性环境能形成一定的免疫能力，这一实验结果说明将分散均匀的耐碱玻璃纤维应用到道路混凝土中是可行的。

图2 龄期与抗弯强度曲线

图3 龄期与净抗弯强度曲线

表2 水泥砂浆的抗弯强度

当加热到第8天后，空白试件的抗弯强度开始下降，因为温度是水泥水化的一个重要因素，通过影响参加反应材料的溶解度改变水化动力学，导致水化产物的形态、成分发生变化。在70℃至100℃的养护温度下，水泥浆体中的Aft遭到破坏，养护温度的升高还将改变水化产物C-S-H的钙硅比，当水化温度由25℃升高到95℃时，C3S水化产物的结合水量由35%下降到25%。高温下结合水量的减少不仅是由于反应速度下降，还包括水化产物C-S-H中的层间水减少，钙矾石转变为其他产物，导致强度下降。一般来说，提高水化温度可以加速水泥的水化，但随着养护时间增长水化度和强度往往要降低。本文出现的后期抗折强度降低是由于高温养护所致。

因此，将耐碱玻璃纤维掺入混凝土中而不添加任何掺和剂，虽然整体会提高混凝土的抗折强度，但是其后期强度会慢慢下降，低于平均值，很难有效发挥纤维的增韧作用，如何来有效解决纤维混凝土后期强度下降成为下一步试验的关键性问题。

掺加不同比例粉煤灰时水泥砂浆的抗弯强度发展规律

称取砂1350g（粒径介于0.16mm至5mm）、水240ml、普通硅酸盐32.5号水泥540g、耐碱玻璃纤维20g、水238ml、高效减水剂8g。空白件是除不加入耐碱纤维和减水剂以外其他条件都相同的对比试件，实验结果如表3所示。

从图4可以看出，在加速养护的条件下，掺加30%粉煤灰玻璃纤维试件的抗弯强度在前3天内出现了下降，并在第3天达到最小值，其后强度开始上升，到达第11天后上升到最大。同样，从图5可以看出耐碱玻璃纤维在前3天内腐蚀最为严重，其后慢慢减轻并基本保持不变。

如图6所示，在掺加40%粉煤灰的条件下，随着水泥和粉煤灰的反应，水泥浆中的碱性减弱，并且纤维与水泥石的界面形成的保护层使耐碱纤维增韧作用进一步发挥，试件的抗折强度持续上升，直到第11天抗折强度仍然没有下降。如图7所示，纤维在前3天内腐蚀最为严重，但因为煤粉灰发挥的作用后期腐蚀缓慢。

对比分析掺加30%、40%粉煤灰的砂浆净抗弯强度来看，有一个共同的规律，即加速腐蚀和缓慢腐蚀的时间节点相同，这是因为加速腐蚀的初期，水泥迅速水化反应，产生了大量的氢氧化物覆盖在玻璃纤维表层，形成一个相对密闭的高碱度液区域，腐蚀玻璃纤维。随着养护时间的增长，粉煤灰与氢氧化物反生反应，降低了玻璃纤维周围的碱度。另一方面，随着水泥及粉煤灰的反应形成凝胶，慢慢沉积在耐碱玻璃纤维表面，碱溶液与玻璃纤维的接触逐渐减少，从而使得玻璃纤维的腐蚀大大的降低。

掺加粉煤灰的试件抗折强度明显比未掺加粉煤灰的试件抗折强度高，粉煤灰说明可有效抑制水泥水化浆体对耐碱玻璃纤维的腐蚀。另外，通过上述数据对比分析可知，粉煤灰掺量为30%时比粉煤灰掺量为40%的净抗折强度低。所以，在道路混凝土中掺加粉煤灰量为40%时最能发挥其活性作用，改善水泥水化浆体对纤维的腐蚀，使得抗折强度达到最优值。

图4 掺30%粉煤灰的龄期与抗弯强度关系曲线

图5 龄期与净抗弯强度关系曲线

图6 掺40%粉煤灰的龄期与抗弯强度关系曲线

图7 龄期与净抗弯强度关系曲线

表3 不同掺量粉煤灰砂浆试件的抗弯强度

结语

在混凝土中加入耐碱玻璃纤维之后，显著地提高了混凝土的抗折能力，并且耐碱玻璃纤维的掺量为1.0kg/m3，混凝土抗折耐磨性能最好。

掺加粉煤灰后，纤维混凝土的初期强度有所下降，但后期强度慢慢增加。而且，掺加混合材的纤维混凝土较掺加前相比强度增长率均有很大提高，同时其抗弯强度增长率都要高于抗压强度增长率，满足道路混凝土耐久性的要求。

掺加粉煤灰能有效抑制水泥浆体对耐碱玻璃纤维的腐蚀。当粉煤灰的掺加量达到40%时，掺加耐碱玻璃纤维混凝土的耐久性能较高。

对于大掺量粉煤灰玻璃纤维混凝土的耐久性的研究由于时间关系不能深入分析，以后应进一步作实验来检测其长期强度和耐久性。然而，在本试验的观测范围内可以看出，本试验配比下耐碱玻璃纤维混凝土应用于道路工程是可行的，前景十分广阔。