王世鹏
重庆交通大学 交通运输学院 重庆 400074
摘要：钢纤维混凝土作为一种新型高性能混凝土材料，在建筑工程领域已经得到了广泛的应用。本文主要对钢纤维混凝土的耐久性能进行了论述，其主要内容是对钢纤维混凝土的碳化作用、氯离子侵蚀和硫酸盐侵蚀进行了总结分析，并对需要进一步研究的相关问题提出了建议。
关键词：混凝土；钢纤维；碳化；氯离子侵蚀；硫酸盐侵蚀
钢纤维混凝土是由钢纤维与水泥基体组成的新型复合材料。钢纤维是一种短纤维，在混凝土基体中乱向分布，起到阻碍内部裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的发生和发展的作用。钢纤维混凝土抵抗环境介质作用并长期保持其良好的使用性能和外观完整性，从而维持混凝土结构的安全、正常使用的能力称为钢纤维混凝土的耐久性。钢纤维混凝土的耐久性直接影响到混凝土结构的使用寿命，是工程界普遍关注的问题之一。目前对于钢纤维混凝土耐久性的研究，大多从混凝土碳化、氯离子侵蚀和硫酸盐侵蚀等三个方面考虑。下面做具体分析。
1 碳化作用
混凝土的碳化是混凝土所受到的一种化学腐蚀。空气中CO2气渗透到混凝土内，与其碱性物质起化学反应后生成碳酸盐和水，使混凝土碱度降低的过程称为混凝土碳化，其基本化学反应式为Ca（OH）2+CO2=CaCO3+H2O。混凝土碳化后，混凝土内部的孔隙特征和化学成分发生了一定程度的变化，Ca（OH）2与CO2在有水的情况下反应生成CaCO3，CaCO3填充与混凝土内部的微裂纹和毛细孔等空隙中。混凝土碳化从表面开始，随着时间的发展，持续不断的向混凝土内部发展。碳化作用与混凝土内部孔隙液体的组成和水化产物的形态等因素密切相关，碳化作用同时间的增长成反比，是一个减速过程。
钢纤维改善混凝土的抗碳化能力，一般认为是由于混凝土中加入钢纤维以后，钢纤维分布在水泥砂浆中，彼此相连形成网络，抑制骨料下沉，阻碍混凝土拌合物离析，降低混凝土的泌水，从而减少了混凝土中的孔隙通道；同时，大量分布在砂浆中的钢纤维会使砂浆中的毛细孔变小，毛细管细化甚至堵塞，另外，钢纤维的加入减少或阻止了混凝土中裂缝的形成、生长及扩展，并阻断裂纹的连通，也就是说，在钢纤维混凝土中，钢纤维削弱了CO2的扩散途径，抑制了CO2的扩散，故钢纤维混凝土的抗碳化能力高于素混凝土。但是，碳化试验是在相对湿度为（70+5）%的环境下发生的，CO2侵入钢纤维混凝土遇水会发生化学反应，生成碳酸，对钢纤维有一定的腐蚀性，因此钢纤维的腐蚀也是一个亟待解决的问题。
2氯离子侵蚀
氯离子是影响钢纤维混凝土耐久性的重要因素之一，它是一种较强的阳极活化剂，随着时间的增加，当氯离子渗透积累至混凝土中钢筋周围一定浓度时，就会使钢筋表面的钝化膜破坏，从而造成电化学腐蚀。氯离子主要通过“渗入”和“掺入”两种途径侵蚀混凝土。“渗入”主要是指水中的氯离子以混凝土的微观和宏观缺陷为途径，经过复杂的化学变化进入混凝土中，这种氯离子的侵蚀方式对混凝土的破坏较为多见。“掺入”主要是指在混凝土拌合过程中来自于水泥、外加剂和砂子等材料中的氯离子，然而由于原材料中的氯离子含量受到严格控制，这种侵蚀方式所造成的破坏较小。
在我国沿海地区和西北内陆盐渍土地带，混凝土长期暴露在海水、海风或盐渍土环境中，氯离子会渗透进入混凝土中，引起混凝土内部的钢筋去钝化从而导致混凝土的钢筋锈蚀。当在混凝土中掺入冷拉钢丝制造的钢纤维时，钢纤维的弹性模量大于混凝土基体的弹性模量，增加了硬化初期混凝土的强度和韧度，使混凝土内部的微裂纹减少，有效抑制了连通孔的产生，改善了混凝土的内部结构。另一方面，钢纤维使混凝土的失水面积变小，水分迁移困难，降低了毛细管试水收缩形成的毛细管张力，从而提高抗氯离子侵蚀能力。有关学者通过对比在海洋性环境下钢纤维混凝土和钢筋混凝土中的氯离子渗透情况发现，氯离子在钢筋混凝土中的渗透性远高于钢纤维混凝土。
从图中可以看出，与钢筋混凝土构件相比，钢纤维混凝土电压变化幅度较小，腐蚀现象不明显，而钢筋混凝土表面出现了较严重的腐蚀现象。
3 硫酸盐侵蚀
混凝土的硫酸盐侵蚀是影响混凝土耐久性的重要因素之一，它也是影响因素最复杂、危害性最大的一种侵蚀。近年来，在我国的公路、桥梁、水电等工程中均大量发现混凝土结构物受硫酸盐侵蚀破坏的问题混凝土硫酸盐侵蚀破坏机理是一个复杂的物理化学过程，本质上是外界侵蚀物质中的SO42-随着时间的发展深入混凝土的空隙内部，同混凝土的某些成分发生化学反应，产生体积膨胀，导致混凝土开裂，并最终引起混凝土结构的破坏。
混凝土的侵蚀过程是一个复杂的物理化学反应过程，在掺入钢纤维后在混凝土基体周围会发生水化反应生成膨胀性产物钙矾石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）。在混凝土硬化过程中，由于水泥浆体中的水化硅酸盐钙（C-S-H）是一种结晶不完整的蜂窝型或错综复杂的网状结构，一方面会填塞混凝土自身结构中的毛细空隙和C-S-H凝胶中的蜂窝空隙，另一方面又会与C-S-H凝胶交织在一起，形成三维空间网状结构，起到了填充、堵塞及切断毛细孔和其他孔隙作用，使混凝土试件在侵蚀早期变得更加密实，降低了混凝土试件的透水性，增加混凝土强度。相关实验研究表明，在硫酸盐侵蚀条件下的混凝土中加入一定掺量的钢纤维，钢纤维在混凝土中呈现多维乱向分布，通过传递基体界面粘结力，使钢纤维受力，有效的限制了混凝土试件的膨胀，大大改善了混凝土试件的抗硫酸盐侵蚀能力。
4 结语
钢纤维对混凝土的碳化作用、抗氯离子侵蚀和抗硫酸盐侵蚀都有不同程度上的改善，虽然国内外学者已通过不同的方法和角度对其进行了探讨，但钢纤维改善混凝土耐久性能的研究仍然是一个不小的挑战。另外，目前对钢纤维混凝土耐久性的研究目前主要集中在单因素的影响下，对于碳化、氯离子侵蚀与酸盐侵蚀共同作用下的研究还比较匮乏，应该完善复杂环境下钢纤维对混凝土耐久性能的影响。
论文作者:王世鹏
论文发表刊物:《基层建设》2015年5期供稿
论文发表时间:2015/10/8
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