2011年第 1期(1月)第29 卷
混凝土的耐久性是指混凝土在实际使用条件下
抵抗各种破坏因素的作用,长期保持强度和外观完整
性的能力。 正常使用条件下混凝土的耐久性主要取决
于混凝土的密实性。碳化作用、氯离子渗透等都与水泥
基体的渗透力成正比,若在混凝土中掺加适量的钢纤
维,则不会降低混凝土的密实性,因此不会增加侵蚀
物质的渗透,进而提高混凝土的耐久性。
1 钢纤维碱性保护
水泥颗粒在水化作用过程中,形成了许多游离石
灰(氢氧化钙),使混凝土的 pH≥12。 在该 pH 值环境
下,钢材
表
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面形成细微的氧化膜,可以防止钢材锈蚀。
当 pH 值降低到 8~9 时,这种保护环境消失,如果有
水和氧出现,钢材就会腐蚀。
水泥颗粒周围的材料,如骨料、钢纤维及传统的
钢筋,加到水泥浆中形成一个局部密实性较差的区域,
而水泥的水化作用会使这些材料的周围形成一个厚
度约为 50 μm、强度低于水泥基材料、由氢氧化钙组成
的过渡区(见图 1[1])。
如上所述,由于钢纤维周围存在大量氢氧化钙,使
钢纤维混凝土具有了良好的防腐蚀性能。 钢纤维直径
小,比表面积大,与传统钢筋混凝土中直径较大的钢
筋相比,氢氧化钙保护层的作用更为有效[2]。
2 碳化作用
混凝土的碳化作用是指空气中的二氧化碳使混
凝土逐渐变成弱碱性的一个自然过程。 游离石灰转变
成碳酸钙,混凝土的 pH值降低。
碳化作用从混凝土表面开始,只要有充足的二氧
化碳,碳化作用就会持续向混凝土内部发展。碳化作用
的渗透率由混凝土的渗透性决定,并随时间的延长而
减小,是一个自我减速过程。
当 pH 值为 8~9 时,钢纤维表面的钝化保护层被
破坏,水分的进入将引起钢纤维腐蚀。
事实上,由于钢纤维周围有大量的氢氧化钙,当碳
化作用到达钢纤维时,停止向前发展。 在长期作用下,
钢纤维可能会失去钝化保护层,但埋置较深的纤维仍
是安全的。试验证明,高品质混凝土中钢纤维埋置深度
大于 5 mm时,在长期作用下不会被腐蚀[3]。
钢纤维混凝土的耐久性
董 帅,王 荣,孙 斌
(上海贝卡尔特-二钢有限公司, 上海 200131)
摘 要:针对钢纤维混凝土的耐久性进行了试验研究,其主要内容是对钢纤维混凝土的碱性保护作用、碳化作用、氯离子
渗透进行试验,并与钢筋和镀锌钢纤维混凝土进行了对比分析。结果表明,与钢筋混凝土相比,钢纤维与镀锌钢纤维由于
直径较小,比表面积大,受碱性保护作用更强,且掺入钢纤维不会影响混凝土的渗透力,所以能明显改善混凝土的耐久性。
关键词:混凝土;钢纤维;耐久性;碱性保护;碳化作用;氯离子渗透
中图分类号: TU 528.572 文献标志码: B 文章编号:1009-7767(2011)01-0131-03
Durability of Steel-fiber Concrete
Dong Shuai,Wang Rong,Sun Bin
图 1 直径(D)对纤维表面影响及水灰比对抗压强度影响
(HV 为维氏显微硬度值)
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2011No.1(J an.)Vol.29
钢纤维腐蚀产生的腐蚀产物导致了纤维体积增
加,但不足以使混凝土保护层开裂。若使用 Dramix-CN
纤维(镀锌纤维)则可避免这种腐蚀。
3 氯离子渗透
当混凝土暴露在海水、海边空气或除冰盐环境下
时,氯离子会渗透进入混凝土。 如果有氧气存在,这些
游离的氯离子就会削弱钢筋表面的钝化保护层,从而
导致表面腐蚀和孔蚀。试验证明,具有明显粗糙表面的
钢纤维与冷拉钢丝制造的钢纤维相比更容易产生孔
蚀。钢纤维周围有丰富的氢氧化钙物质包裹时,会减小
氯离子渗透引起的腐蚀作用。 通过电势测量表明[4],钢
材表面存在腐蚀单元时,会引起电压降低。
钢纤维混凝土中的氯离子渗透远低于钢筋混凝
土(见图 2)。
从图中可以看出,钢筋混凝土构件表面腐蚀现象
严重,电压大大降低,而钢纤维混凝土电压变化很小,
基本没有产生腐蚀。 在模拟海洋环境中进行加速试
验,也证实了二者性能的不同。
图 3 为在海水中经过 300 次循环试验后,氯化物
渗透量相对于水泥的质量百分比,它表明氯化物含量
大大超出了临界限 0.4 %。
在海浪飞溅区进行了 5年试验,结果显示,埋置在
钢纤维混凝土梁中的钢筋由于钢纤维的存在而受到
保护。 图 4表明,冷拉钢丝纤维可获得最好的效果。
将处于开裂状态的钢纤维混凝土,分别在饱和氯
离子环境下和氯化物游离环境下进行了完整试验 [5,6]
(见图 5)。图 5结果表明,当裂缝宽度小于 0.25 mm时,
在海水中进行 650 次循环交替暴露后,试件的弯曲强
度没有损失。
4 结论
混凝土中的钢纤维比表面积大于钢筋,所以钢纤
维周围的氢氧化钙保护膜的钝化作用大于钢筋,同时
抵抗碳化作用的能力也大大提高。
b) 钢筋混凝土
图 2 不同混凝土中增加 2 %的 CaCl2时电压变化曲线
a) 钢纤维混凝土
图 3 质量百分比
a.不掺钢纤维;b.片状钢纤维;c.冷拉钢丝纤维
图 4 钢筋直径为 10 mm,保护层厚度为 30 mm 的混凝土试件
暴露在海岸后表面腐蚀进展百分比
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(上接第 116页)
始吸附时,Pb2+首先占据最佳位置进行吸附,此时表面
吸附力取最大值,随着吸附的进行,天然膨润土表面
的 Pb2+越来越多,表面覆盖度和微孔的填充程度都增
加,吸附剂分子越来越难吸附 Pb2+,故吸附作用力和吸
附势也随着下降。
3 结语
1)天然膨润土对 Pb2+的吸附是吸热过程,升温有
助于反应的进行。
2)不同温度下天然膨润土对 Pb2+的吸附等温式与
Freundlich 等温式方程符合更好。
3)在 298~328 K时天然膨润土对 Pb2+的吸附为自
发进行的反应过程,且反应是增熵过程,吸附后体系
会变得更加混乱。
4)由于吸附自由能变 ΔG 为负值,所以天然膨润
土对 Pb2+的吸附是自发进行的。
5)在同一初始浓度下,吸附势随着温度的升高而
升高。而在同一温度下,随着初始浓度的增加,吸附势
减少。
参考文献:
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收稿日期: 2010-11-17
作者简介: 易柱(1983-),男,湖南长沙人,助理工程师,学士,主要研
究方向为水利水电工程。
在海洋性环境下,氯离子侵入到混凝土中钢筋的
周围并产生化学反应,从而导致钢筋的腐蚀,而钢纤
维混凝土中氯离子渗透远低于钢筋混凝土,基本不会
产生腐蚀,极大地提高了混凝土的耐久性。
如果腐蚀对混凝土表面的美观产生不利影响,应
优先使用镀锌钢纤维,其耐久性更加优良。
与钢筋相比,钢丝纤维能减少混凝土的裂缝,限制
侵蚀物质的渗透,而且当裂缝宽度小于 0.25 mm 时钢
纤维混凝土试件不会产生破坏。
参考文献:
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收稿日期: 2010-11-12
作者简介: 董帅(1983-),男,山西吕梁人,工程师,硕士,主要从事技
术支持工作。
a)Dramix钢纤维 b)熔化萃取钢纤维
图 5 早期开裂的纤维混凝土在海水中进行 650 次循环后平均
裂缝宽度对应的弯曲强度
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