聚丙烯玄武巖混雜纖維混凝土氯鹽侵蝕耐久性試驗研究

宮 巍

(本溪市水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 本溪 117000)

混凝土作為水工建設(shè)領(lǐng)域用量最大的人工材料，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種大型水利工程建設(shè)。但是，混凝土抗拉強度低、韌性差、易開裂等缺陷也嚴(yán)重影響和制約了其在水工領(lǐng)域的進一步發(fā)展和應(yīng)用[1]。同時，混凝土的強度越高，其脆性也越大。為了解決這一問題，人們將抗拉強度高的各種纖維加入混凝土中，有效降低了混凝土結(jié)構(gòu)的開裂，增強了混凝土結(jié)構(gòu)的防水性能[2]。在目前廣泛應(yīng)用的纖維中，聚丙烯纖維屬于低彈模纖維，而玄武巖纖維則是一種高彈模纖維，將兩種纖維混摻進混凝土，可以充分發(fā)揮其互補和協(xié)同作用，在相當(dāng)程度上提升混凝土的各項性能[3]。因此，混雜纖維混凝土也成為水工防裂混凝土研究的重要方向，諸多學(xué)者在該領(lǐng)域進行了廣泛探索和實踐，并取得了豐富的研究成果。但是，該領(lǐng)域的研究當(dāng)前主要集中于混摻纖維對混凝土的抗折和劈拉強度的增強方面，而對其抗氯鹽侵蝕性能的影響研究不多。顯然，沿海和鹽漬區(qū)的水工混凝土結(jié)構(gòu)，會受到氯鹽侵蝕作用的嚴(yán)重影響，并造成其耐久性破壞，是當(dāng)?shù)厮せ炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計和建設(shè)中必須要考慮的問題[4]。基于此，本次研究利用室內(nèi)試驗的方式，探討氯鹽侵蝕作用對聚丙烯-玄武巖混雜纖維混凝土耐久性的影響。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料

試驗用水泥為本溪市紅星水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其初凝時間為299min，終凝時間為325min，28d抗壓和抗折強度分別為29.8MPa和8.3MPa[5]。試驗用細(xì)骨料為河砂，實驗前需要對其進行清洗和篩分，去除粒徑大于5mm的卵石和其他雜質(zhì)；試驗用粗骨料為機制石灰石碎石，粒徑為5～30mm，也需要在試驗前進行清洗和篩分，以去除雜質(zhì)；試驗用硅粉的燒失量為1.5%，水分含量為1.3%；試驗用減水劑為聚羥酸高效減水劑；試驗用玄武巖纖維長度為18mm、直徑為15μm，彈性模量為90～110GPa；試驗用聚丙烯纖維長度為12mm、直徑為31μm，彈性模量為3.5GPa；試驗用水為普通自來水。

1.2 試驗方案

結(jié)合相關(guān)研究成果，設(shè)計0.05%、0.15%和0.25%三種不同的玄武巖纖維的摻量水平以及0.10%、0.30%和0.50%三種不同的聚丙烯纖維摻量水平，以沒有摻加纖維的普通混凝土以及單摻纖維混凝土作為對照組，采用正交試驗方式設(shè)計出試驗方案[5](見表1)。

表1 試驗方案設(shè)計

1.3 試件的設(shè)計和制作

按照水工混凝土需求特點，此次研究設(shè)計的混雜纖維混凝土的強度等級為C30[6]?；炷恋陌韬筒捎?.42的固定水膠比，每立方米用水、水泥、河砂、碎石、硅粉和減水劑的質(zhì)量分別為138kg、326kg、832kg、1150kg、125kg和2.6kg。試件為棱長100mm的立方體。

按照預(yù)先確定的配合比稱量好各種材料，首先將水泥、河砂、硅粉加入攪拌機攪拌30s，然后將80%的水加入攪拌機攪拌90s，再將剩余的20%水以及減水劑和粗骨料加入攪拌機繼續(xù)攪拌90s停止攪拌，然后倒出混凝土待用。將模具內(nèi)部清理干凈并在內(nèi)壁上混勻涂刷一層脫模劑，將攪拌均勻的混凝土裝入模具后移至振動臺振動30s，搬到地面后用灰鏟輕輕敲擊模具外側(cè)，以排除混凝土內(nèi)部的空氣，將試件靜置24h后拆模，然后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下養(yǎng)護至28d齡期。

1.4 試驗方法

為了研究不同氯鹽濃度對聚乙烯-玄武巖混雜纖維混凝土耐久性的影響，結(jié)合我國海濱和鹽漬地區(qū)的實際情況，研究中設(shè)計采用5.0%和10%兩種不同濃度NaCl溶液用于試驗，同時將濃度為0的溶液，也就是清水作為對照[7]。試驗時首先取出試件，在自然條件下風(fēng)干1d，以消除試件中多余的水分，然后將試件放入不同濃度的NaCl溶液中浸泡120d，期間每隔30d更換一次溶液[8]。試驗過程中利用質(zhì)量損失率衡量試件遭受氯鹽侵蝕前后的質(zhì)量變化，其計算公式為

(1)

式中Km——質(zhì)量損失率；

m0——初始質(zhì)量，g；

m120——浸泡試驗結(jié)束后的試件質(zhì)量，g。

試件的強度變化通過強度腐蝕系數(shù)表達。首先利用萬能試驗機測量試件在NaCl溶液和清水中浸泡后的抗壓和劈拉強度，并利用下式計算其強度腐蝕系數(shù)：

(2)

式中Kf——強度腐蝕系數(shù)；

f0——清水浸泡后的試件強度，MPa；

f120——NaCl溶液浸泡后的試件強度，MPa。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量變化試驗結(jié)果與分析

按試驗設(shè)計，分別測試了不同配合比聚丙烯-玄武巖混雜混凝土在5.0%和10%兩種不同濃度NaCl溶液侵蝕作用下的質(zhì)量變化情況，具體的試驗結(jié)果見表2。由試驗結(jié)果可知，10% NaCl溶液下的混凝土質(zhì)量損失率明顯偏大，說明混凝土的質(zhì)量損失更為嚴(yán)重。整體來說，兩種不同NaCl溶液濃度下的各試驗方案混凝土的質(zhì)量損失率變化特征比較相似。具體來看，普通混凝土的質(zhì)量損失率最大，而混雜纖維混凝土的質(zhì)量損失率最低。同時，單摻聚丙烯纖維混凝土的質(zhì)量損失率相對較小，且隨著聚丙烯纖維摻量的增加，質(zhì)量損失率一直呈減小趨勢，而單摻玄武巖纖維并不能顯著減小混凝土的質(zhì)量損失，甚至還會超過普通混凝土的質(zhì)量損失率。從混雜纖維試驗結(jié)果的對比來看，方案13對控制混凝土質(zhì)量損失的效果最佳。

表2 質(zhì)量損失系數(shù)試驗結(jié)果

2.2 抗壓強度試驗結(jié)果與分析

試驗中分別測試了不同配合比聚丙烯-玄武巖混雜混凝土在5.0%和10%兩種不同濃度NaCl溶液侵蝕作用下的抗壓強度，并計算獲取抗壓強度腐蝕系數(shù)(見表3)。由計算結(jié)果可知，10%濃度NaCl溶液下的混凝土抗壓強度損失更大，原因是高濃度的NaCl溶液浸泡會在混凝土內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)中生成更多的結(jié)晶鹽和反應(yīng)物，從而產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，加速混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)裂縫的形成和發(fā)展。從不同方案的試驗結(jié)果對比來看，兩種不同濃度NaCl溶液下的變化規(guī)律較為一致，普通混凝土的抗壓強度損失最大，其次是單摻纖維混凝土，混雜纖維混凝土的抗壓強度損失最小。由此可見，纖維混摻有助于提高混凝土的抗氯鹽侵蝕性能。從混雜纖維混凝土的各試驗方案結(jié)果對比來看，方案13對降低凝土抗壓強度損失的效果最佳。

表3 抗壓強度腐蝕系數(shù)試驗結(jié)果

2.3 劈拉強度試驗結(jié)果與分析

試驗中分別測試了不同配合比聚丙烯-玄武巖混雜混凝土在5.0%和10%兩種不同濃度NaCl溶液侵蝕作用下的劈拉強度，并計算獲取劈拉強度腐蝕系數(shù)(見表4)。由計算結(jié)果可知，同樣條件下混凝土的劈拉強度損失要大于抗壓強度損失，且10%濃度NaCl溶液下混凝土的劈拉強度損失更大，原因與抗壓強度損失類似，這里不再重復(fù)。從不同方案的試驗結(jié)果對比來看，劈拉強度的變化也呈現(xiàn)出與抗壓強度類似的規(guī)律，也就是普通混凝土的抗壓強度損失最大，其次是單摻纖維混凝土，混雜纖維混凝土的抗壓強度損失最小。由此可見，纖維混摻有助于提高混凝土的抗氯鹽侵蝕性能。從混雜纖維混凝土的各試驗方案結(jié)果對比來看，方案13對降低凝土抗壓強度損失的效果最佳。

表4 劈拉強度腐蝕系數(shù)試驗結(jié)果

3 結(jié) 論

此次通過室內(nèi)試驗方式，探討了玄武巖-聚丙烯纖維混凝土的抗氯鹽侵蝕性能，可以為相關(guān)工程設(shè)計和建設(shè)提供一定的理論支持和借鑒。試驗研究獲得的主要結(jié)論如下：普通混凝土的質(zhì)量損失率最大，而混雜纖維混凝土的質(zhì)量損失率最低。單摻聚丙烯纖維有助于控制混凝土的質(zhì)量損失率，而單摻玄武巖纖維對控制混凝土質(zhì)量損失的作用不明顯。

從抗壓強度和劈拉強度的試驗結(jié)果來看，普通混凝土的強度損失最大，其次是單摻纖維混凝土，混雜纖維混凝土的強度損失最小。由此可見，纖維混摻有助于提高混凝土的抗氯鹽侵蝕性能；從混雜混凝土的試驗結(jié)果對比來看，玄武巖纖維摻量0.15%、聚丙烯纖維摻量0.5%的混雜纖維混凝土抗氯鹽侵蝕性能最佳，建議在工程設(shè)計和施工中采用。