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1、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）摘要：本文针对钢纤维混凝土的耐久性进行了试验研究，主要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，能明显改善混凝土的耐久性。关键词：钢纤维；耐久性；碱性保护；碳化作用；氯离子渗透0概况 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
2、 用、氯离子渗透、硫酸盐侵蚀都与水泥基体的渗透力成正比。依照推荐方法掺入Dramix钢纤维，不会降低混凝土的密实性，因此不会增加侵蚀物质 的渗透。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pH212。 在该pH值环境下，钢材表面形成细微的氧化膜。该氧化膜具有钝化作用，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，加到水泥浆中形成了一个局部密 实性较差的区域。水泥的水化作用使这些材料的周围形成了一个过渡区。该区域主要由氢氧 化钙组成，厚度约为50 微米，强
3、度低于水泥基材料（图1）。706050403020100,420.480.300.340.38020406080100120:-（微米）W/C图 1 直径对纤维表面影响及水灰比对抗压强度影响（维氏显微硬度值）1如上所述，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 作用更有效9。2. 碳化作用混凝土的碳化作用是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，碳化作用将持续向混凝土内部 发展。
4、碳化作用的渗透率由混凝土的渗透性决定，并随时间减小，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，碳化作用达到钢纤维时，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。实验证明， 高品质混凝土中钢纤维埋置深度大于5mm时，在长期作用下不会腐蚀2】。钢纤维腐蚀产生的腐蚀产物导致了体积增加，不足以使混凝土保护层开裂。图2 所示 为靠近混凝土表面的Dramix-BN纤维（无镀层纤维）在户外暴露12年后由碳化作用引起 的腐蚀。使用镀锌保护层Dramix-CN纤维（镀
5、锌纤维）可避免这种腐蚀。WE g （无镀层钢纤维）DrmiCN（镀锌钢纤维）图2 Dramix纤维混凝土在工业环境中户外暴露12年后的表面状况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。实验证明，具有明显粗糙表面（图3a）的钢纤维与冷拉钢丝制造的钢纤维（图3b）相比更 容易产生孔蚀3。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。3a. 铣削钢纤维的孔蚀3b. Dramix-BN 的
6、表面腐蚀；图3与NF X41-002相同的盐雾环境下纤维混凝土早期裂缝达到04-05mm时的腐蚀试验图4 表明，钢纤维混凝土中的氯离子渗透远低于钢筋混凝土。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5。a 钢纤维b 钢筋图4混凝土中增加2%的CaCl2会引起电势减小，针对以下两种材料分别测量:在海浪飞溅区进行了5 年试验6，结果显示，埋置在钢纤维混凝土梁中的钢筋由于钢纤图6钢筋直径为10mm,保护层厚度为30mm的混凝土试件暴露在海岸后表面腐蚀进展百分比：a不掺钢纤维；b片
7、状钢纤维；c冷拉钢丝纤维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7,8。图 7 结果表明,当裂缝宽度小于 0.25mm 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。图 7 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a Dramix 钢纤维b 熔化萃取钢纤维4 结论 混凝土中的钢纤维比表面积大于钢筋,所以钢纤维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。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
8、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Dramix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 0.25mm 时钢纤维混凝土试件不会产生破坏。Reference:1 Wei S., Mandel J.A., Said S., “Study of the Interface Strength in Steel Fiber-Reinforced Cement-based Composites”, American Concrete Institude Jouna
9、l, July-August 1986, PP. 597-6052 Kern B., Schom H. “23 Jahre alter Stahofaserbeton“, Beton-und Stahibetonbau. V86, September 1991, PP. 205-208.3 Dubis F., Nouguier H. “ Durability of steel fibrous concrete used for the mandufacture of containers for nuclear waste storage”International Conference on
10、 Recent Development in Fibre Reinforece Cements and Concretes, Cardoff.19-20 Sete,ner, qp89, PP 573-581.4 Jnaotkal., Konlos K., Frtalova D., “Chloride corrosion of steel fibre reinforcement in cement montar”, The International Journal of Cement Composites and Lightweight Concrete, Vol 11, Nr 4, Nove
11、mber 1989, PP 221-228.5 Mangat P.S., Gurusamy K., Rilem Symposium on Developments in Fibre Reinforced Cement and Concrete. Sheffield, 1986,Vol 2, Paper 7.9.6 Kobayashi K., Hoshine T., Tsuji K., “Effect of steel fiber reinforced concrete on the corrosion behavior of reinforcing steel embedded in conc
12、rete members exposed to marine environments”(in Japanese) Proceedings, Japan Society of Civil Engineers( Tokyo) V 12, nr 414, pp. 195-203.7 Hannant D.R., Edgington J., “Durability of steel fifre concrete”, Proceeding, RILEM Symposium on Fibre reinforced cement and concrete, Vol 1.September 1975, pp.
13、159-169.8 Mangat P.S., Gurusamy K., “Permissible crack widths in steel fibre reinforced marine concrete”, Materials and Structures,119,1987(20)pp.338-347.9 Mangat P.S., Gurusamy K., Corosion resistance of steel fibres in concrete under marine exposure, Cement and Concrete research, vol.18,pp.44-54,1988.作者简介：董帅，男，29 岁，山东吕梁人。大连理工大学结构工程硕士学位。现就职于上 海贝卡尔特-二钢有限公司，任技术工程师。
