鹽凍耦合作用下?lián)嚼w維面板混凝土耐久性研究

雷 妍，王瑞駿，李 陽，陶 喆

(西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048)

1 研究背景

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)的不斷發(fā)展，我國在沿海、高寒等地區(qū)建設(shè)了許多混凝土工程，而混凝土受嚴(yán)寒氣候影響易發(fā)生凍脹破壞[1]。如公伯峽面板堆石壩在冬季氣溫很低時(shí)，水面以上面板混凝土溫度較低，水面以下混凝土溫度相對較高，使得分界面上溫度差異較大，導(dǎo)致面板混凝土開裂[2]。山西西龍池抽水蓄能電站的面板受氣溫影響，導(dǎo)致面板開裂，甚至造成泄漏[3]。由此可見，面板混凝土的凍融劣化性能研究具有重要意義[4-6]。

研究表明，環(huán)境中的鹽含量也會(huì)對面板混凝土凍融破壞產(chǎn)生影響。鹽溶液滲透進(jìn)面板混凝土后，會(huì)與水泥等材料發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)受損，影響混凝土的正常使用壽命[7]。劉永前等[8]比較了混凝土試件在3%和5%兩種不同濃度的NaCl溶液中凍融后的情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3%的氯鹽溶液對試件的鹽凍損傷破壞更嚴(yán)重。類似地，楊森[9]選用了5%、10%、15%濃度的NaCl溶液，進(jìn)行了不同氯鹽濃度下混凝土試件的鹽凍循環(huán)對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，5%濃度的NaCl溶液對試件的鹽凍侵蝕最嚴(yán)重。由此可見，不同鹽濃度對混凝土凍融循環(huán)的影響不同[10]。

在面板混凝土中摻入纖維，可以增加混凝土試件的延展性，減少微裂縫的產(chǎn)生，從而提高試件的耐久性[11-14]。白敏等[15]發(fā)現(xiàn)將鋼纖維摻入混凝土試件中可大大提高試件的抗拉和抗折強(qiáng)度，但對其抗壓強(qiáng)度改善較差。張延年等[16]也發(fā)現(xiàn)摻入鋼纖維到混凝土中，不僅能提高試件的抗壓和劈拉強(qiáng)度，而且能減輕試件的破壞程度，并且鋼纖維體積增大，則拉壓比也逐漸增大。纖維摻量對混凝土性能有明顯影響，Wang等[17]研究了聚丙烯纖維的含量對粉煤灰混凝土力學(xué)性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)摻入纖維的量越多，試件的抗壓和抗拉強(qiáng)度越高。然而王瑞珍等[18]發(fā)現(xiàn)，過量的纖維含量對混凝土的工作性能效果不明顯，纖維最佳摻量能更好地提高混凝土性能。楊益等[19]對摻鋼纖維和玄武巖纖維的混凝土進(jìn)行了抗凍性能研究，發(fā)現(xiàn)摻入體積率為1.5%鋼纖維和0.05%玄武巖纖維的混凝土抗凍性能最優(yōu)。不同纖維種類對混凝土性能的影響也是不同的，張克純[20]發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維對混凝土抗?jié)B、抗裂和抗壓性能增強(qiáng)的的作用高于玄武巖纖維。

從目前的研究成果來看，對于摻纖維面板混凝土的研究主要圍繞其力學(xué)性能方面，然而對鹽凍耦合作用下?lián)嚼w維面板混凝土耐久性研究方面的成果較少，相關(guān)的損傷機(jī)理研究也不夠深入。為此，本文采用不同纖維種類及其不同摻量的面板混凝土在不同氯鹽濃度下進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，并對凍融前后的試件進(jìn)行電鏡掃描分析，以期為面板混凝土抗鹽凍耐久性研究提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)原材料

本次試驗(yàn)采用42.5R強(qiáng)度等級的普通硅酸鹽水泥(P·O)，摻合料為Ⅱ級粉煤灰。細(xì)骨料為灞河中砂，細(xì)度模數(shù)為2.5，粗骨料為粒徑5～30 mm的碎石材料。纖維采用聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維和鋼纖維，聚丙烯和聚丙烯腈纖維的性能指標(biāo)見表1，鋼纖維的性能指標(biāo)見表2。減水劑為聚羧酸系高性能減水劑，引氣劑為三萜皂甙高性能引氣劑。

表1 試驗(yàn)用聚丙烯和聚丙烯腈纖維性能指標(biāo)

表2 試驗(yàn)用鋼纖維性能指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)根據(jù)混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范以及已建工程的實(shí)際參數(shù)確定實(shí)驗(yàn)配合比，具體配合比見表3。本試驗(yàn)控制3種纖維為變量，其中聚丙烯和聚丙烯腈纖維的摻量分別為0.5、1.0和1.5 kg/m3，鋼纖維的摻量分別為30、50和70 kg/m3。

表3 摻纖維面板混凝土試驗(yàn)配合比

2.3 試驗(yàn)主要設(shè)備和方法

本試驗(yàn)所用設(shè)備主要有TDR-28V型混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)、WAW-1000型萬能試驗(yàn)機(jī)和VEGA3-TESCAN型掃描電鏡試驗(yàn)儀等。

本試驗(yàn)依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)和《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GB/T 50081—2019)進(jìn)行。試驗(yàn)方法與步驟如下：

(1)將摻纖維的面板混凝土試件置于混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24 d，然后轉(zhuǎn)移至(20±3)℃的清水中浸泡4 d，共28 d養(yǎng)護(hù)齡期。

(2)當(dāng)試件達(dá)到設(shè)定齡期時(shí)，先用抹布清潔試件表面，隨后測量試件初始質(zhì)量和抗壓強(qiáng)度，并進(jìn)行凍融前電鏡掃描分析。

(3)開展鹽凍循環(huán)試驗(yàn)，將2.0%、3.5%和5.0%濃度的NaCl溶液分別倒入試件盒中浸沒試件，使得溶液液面高于試件頂部20 mm；將試件盒放入凍融試驗(yàn)機(jī)里，將試件中心溫度按規(guī)范設(shè)定為-18～5 ℃、凍融液溫度設(shè)定為-25～20 ℃。

(4)每4 h為一次凍融循環(huán)，每隔25次鹽凍循環(huán)試驗(yàn)周期將試件取出，擦拭試件表面，測量鹽凍損傷后試件的質(zhì)量損失率和抗壓強(qiáng)度，并進(jìn)行凍融后電鏡掃描分析。

本試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件測定質(zhì)量損失率，每組配合比制作9個(gè)棱柱體試件，按公式(1)計(jì)算質(zhì)量損失率[21]，取3個(gè)相同試件試驗(yàn)結(jié)果的平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值。

(1)

式中：Wn為n次凍融后試件的質(zhì)量損失率，%；G0為凍融前試件的質(zhì)量，kg；Gn為n次凍融后試件的質(zhì)量，kg。

本試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件測定抗壓強(qiáng)度，每組配合比共制作81個(gè)立方體試件，并按公式(2)計(jì)算抗壓強(qiáng)度[14]。

(2)

式中：fcu為試件的抗壓強(qiáng)度，MPa；P為試件破壞荷載，N；A為試件的承壓面積，mm2。

本試驗(yàn)采用VEGA3-TESCAN型掃描電鏡試驗(yàn)儀對摻纖維面板混凝土進(jìn)行微觀分析。取凍融前后被壓碎試件的樣品，用噴金機(jī)在樣品表面噴金以提高成像質(zhì)量，隨后放入載物盤，并用導(dǎo)電銀漿連通載物盤與樣品，等待銀漿干燥后放到掃描電鏡中觀察。

3 結(jié)果與分析

3.1 質(zhì)量損失率分析

圖1為摻纖維面板混凝土在3種氯鹽濃度(2.0%、3.5%、5.0%)環(huán)境下質(zhì)量損失率隨鹽凍循環(huán)次數(shù)的變化曲線。

由圖1可看出，隨著鹽凍循環(huán)次數(shù)的增加，摻纖維面板混凝土質(zhì)量損失率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。在0～25次鹽凍循環(huán)過程中，摻纖維面板混凝土質(zhì)量損失率減小，即混凝土質(zhì)量增加。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是混凝土試件受到鹽凍侵蝕后，內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，使得試件滲透性增強(qiáng)，部分凍融液進(jìn)入混凝土內(nèi)部，導(dǎo)致試件質(zhì)量增加。在25～100次鹽凍循環(huán)時(shí)，摻聚丙烯腈纖維混凝土試件的質(zhì)量損失率比摻聚丙烯纖維增長的慢，這可能是因?yàn)榫郾╇胬w維對試件的抗凍效果較聚丙烯纖維好。隨著鹽凍循環(huán)次數(shù)增加，摻纖維面板混凝土受到氯鹽和凍融侵蝕的共同作用，試件表皮剝落，并在侵蝕后期對試件質(zhì)量影響較大，從而導(dǎo)致其質(zhì)量損失率增加。

圖1 不同氯鹽濃度下?lián)嚼w維面板混凝土質(zhì)量損失率隨鹽凍循環(huán)次數(shù)的變化曲線

氯鹽濃度對鹽凍耦合作用影響較大，在相同鹽凍循環(huán)次數(shù)下，氯鹽濃度為2.0%的摻纖維面板混凝土試件的質(zhì)量損失率最低，氯鹽濃度為3.5%的試件質(zhì)量損失率最高，受到的鹽凍侵蝕最嚴(yán)重。而氯鹽濃度為5.0%時(shí)的侵蝕作用比濃度為3.5%時(shí)的侵蝕作用小，這是因?yàn)楫?dāng)氯鹽濃度較大時(shí)，鹽溶液冰點(diǎn)降低，從而減少了結(jié)冰量，對混凝土抗凍有利。

圖2為各纖維種類不同摻量面板混凝土在3.5%氯鹽濃度下質(zhì)量損失率隨鹽凍循環(huán)次數(shù)的變化曲線。

圖2 各纖維種類不同摻量面板混凝土在3.5%氯鹽濃度下質(zhì)量損失率隨鹽凍循環(huán)次數(shù)的變化曲線

由圖2(a)、圖2(b)可知，在同樣的鹽凍循環(huán)次數(shù)下，隨著聚丙烯和聚丙烯腈兩種纖維摻入量的增加，面板混凝土試件的質(zhì)量損失率先減小后增大。這是因?yàn)檫@兩種纖維可減緩混凝土中微裂縫的擴(kuò)展，并且對砂漿具有黏結(jié)作用，減少了試件的表皮剝落，使得質(zhì)量損失率減小。另外，而當(dāng)這兩種纖維含量增加到1.5 kg/m3時(shí)，過量的纖維黏結(jié)在一起，形成團(tuán)聚現(xiàn)象，造成結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷。同時(shí)致使黏結(jié)應(yīng)力分布不均勻，結(jié)構(gòu)內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展，加快了試件的侵蝕程度，使得摻量為1.5 kg/m3的聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維面板混凝土的質(zhì)量損失率高于摻量為1.0 kg/m3的質(zhì)量損失率。

由圖2(c)可看出，鋼纖維摻量越大，則質(zhì)量損失率增大越緩慢，這是因?yàn)殇摾w維同樣具有黏結(jié)性，能吸引砂漿聚集，限制了微裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，并且鋼纖維并未出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，或團(tuán)聚現(xiàn)象不占主導(dǎo)作用，有利于摻纖維面板混凝土的抗鹽凍侵蝕。

3.2 抗壓強(qiáng)度分析

圖3為不同氯鹽濃度下?lián)嚼w維面板混凝土的抗壓強(qiáng)度隨鹽凍循環(huán)次數(shù)的變化曲線；圖4為各纖維種類不同摻量面板混凝土在3.5%氯鹽濃度下抗壓強(qiáng)度隨鹽凍循環(huán)次數(shù)的變化曲線。

圖3 不同氯鹽濃度下?lián)嚼w維面板混凝土的抗壓強(qiáng)度隨鹽凍循環(huán)次數(shù)的變化曲線

圖4 各纖維種類不同摻量面板混凝土在3.5%氯鹽濃度下抗壓強(qiáng)度隨鹽凍循環(huán)次數(shù)的變化曲線

由圖3可知，隨著鹽凍循環(huán)次數(shù)的增長，各組的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，只是下降速率和下降幅度有所不同?？箟簭?qiáng)度之所以逐漸降低，是因?yàn)辂}凍次數(shù)越多，試件受到的侵蝕越嚴(yán)重，試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞也越嚴(yán)重?？傮w來看，浸泡在3.5%氯鹽濃度中的試件抗壓強(qiáng)度下降最快，O、A2、B2、C2這4組試件的抗壓強(qiáng)度分別降低了32.25%、25.05%、23.05%、15.70%。氯鹽濃度為2%時(shí)的試件抗壓強(qiáng)度降低最少，受到的侵蝕程度最輕。

由圖4可知，雖然隨著鹽凍循環(huán)次數(shù)增加，各組試件的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，但是摻入纖維的面板混凝土試件比普通面板混凝土的抗壓強(qiáng)度要高。在200次鹽凍循環(huán)時(shí)，A1、B1、C1組試件的抗壓強(qiáng)度比普通面板混凝土試件分別提高了9.45%、12.36%和33.45%。這是因?yàn)槔w維能增強(qiáng)砂漿與骨料的黏結(jié)性，并且纖維具有一定的延展性，能減少微裂紋的產(chǎn)生，使得試件抗壓強(qiáng)度更高。另外，隨著聚丙烯和聚丙烯腈纖維摻量的增加，面板混凝土抗壓強(qiáng)度先增大后降低，在這兩種纖維含量為1.0 kg/m3時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大。原因是這兩種纖維摻入到一定量時(shí)，會(huì)形成團(tuán)聚效應(yīng)，導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，降低了試件的抗壓強(qiáng)度。而隨著鋼纖維摻量的增加，試件的抗壓強(qiáng)度不斷增大，當(dāng)其摻量為70 kg/m3時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大。這是因?yàn)殇摾w維同樣具有黏結(jié)作用，并且不產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，或團(tuán)聚現(xiàn)象不明顯，使其改善作用占主導(dǎo)地位，有利于摻纖維面板混凝土的抗鹽凍侵蝕。

3.3 電鏡掃描分析

圖5為摻鋼纖維面板混凝土試件在0、50、100、200次鹽凍循環(huán)后的電鏡掃描圖。

圖5 摻鋼纖維面板混凝土試件在不同鹽凍循環(huán)次數(shù)后的電鏡掃描圖

由圖5(a)可知，鹽凍循環(huán)前摻鋼纖維面板混凝土試件表面較平整，僅有部分微裂紋，這主要是由于混凝土凝結(jié)時(shí)內(nèi)外溫差、干濕程度不同而導(dǎo)致的溫度變形與干縮變形。圖5(b)與圖5(a)相比，試件水化程度進(jìn)加深，絮狀、針狀的水化產(chǎn)物(C-S-H)增多，表面更加粗糙，微裂紋擴(kuò)展為裂縫，且數(shù)量增加。此時(shí)為侵蝕初期，凍融侵蝕占主導(dǎo)地位，而鋼纖維在混凝土基體中起到橋接作用，使得試件的整體侵蝕程度較輕。從圖5(c)可看出，試件表面裂縫長度擴(kuò)展，寬度也增大。這主要是因?yàn)槁塞}和凍融作用進(jìn)一步侵蝕混凝土試件內(nèi)部，造成更嚴(yán)重的破壞。從圖5(d)來看，試件表皮砂漿脫落，結(jié)構(gòu)疏松，裂縫寬度進(jìn)一步增大，形成貫穿性裂縫，影響了混凝土結(jié)構(gòu)的完整性。這主要是因?yàn)榱芽p數(shù)量增多，氯離子更加迅速地進(jìn)入到試件內(nèi)部，在凍融侵蝕和氯鹽侵蝕共同作用下，加速了試件的損傷破壞。整體來看，鹽凍過程中裂縫數(shù)量及寬度變化規(guī)律與宏觀性能(質(zhì)量損失率與抗壓強(qiáng)度)變化規(guī)律基本一致。

4 結(jié) 論

通過鹽凍耦合作用下?lián)嚼w維面板混凝土耐久性的試驗(yàn)研究，得出以下主要結(jié)論：

(1)隨著鹽凍循環(huán)次數(shù)的增加，摻纖維面板混凝土試件的質(zhì)量損失率先減小后增大，其抗壓強(qiáng)度則持續(xù)下降。

(2)氯鹽濃度對鹽凍耦合作用影響較大，氯鹽濃度為3.5%時(shí)試件的質(zhì)量損失率最大，抗壓強(qiáng)度也降低最快，鹽凍破壞最為嚴(yán)重，其次是5%濃度，而2.0%氯鹽濃度的鹽凍損傷最小。

(3)當(dāng)聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維摻量增加時(shí)，面板混凝土試件的質(zhì)量損失率先減小后增大，抗壓強(qiáng)度先增大后降低。當(dāng)鋼纖維摻量增加時(shí)，試件的質(zhì)量損失率隨之減小，抗壓強(qiáng)度隨之增大。

(4)電鏡掃描試驗(yàn)結(jié)果表明，在鹽凍過程中混凝土基體裂縫寬度及數(shù)量隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增大，摻入纖維對混凝土起到了一定的橋接作用。微觀試驗(yàn)結(jié)果變化規(guī)律與質(zhì)量損失率及抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律基本一致。

聚丙烯、聚丙烯腈及鋼纖維作為增強(qiáng)抗凍材料在混凝土實(shí)際應(yīng)用中具有明顯的環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效益，今后可以進(jìn)一步開展混摻鋼纖維與織物纖維面板混凝土抗鹽凍及其他耐久性劣化機(jī)理研究。