噴射纖維混凝土在硫酸鹽腐蝕環(huán)境下的劣化規(guī)律

梁樹鋒

(中鐵十八局集團(tuán) 建筑安裝工程有限公司，天津 300308)

0 引言

當(dāng)前，混凝土材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計方法正處在由單性能設(shè)計向多性能設(shè)計的過渡階段。關(guān)于侵蝕環(huán)境條件下混凝土結(jié)構(gòu)耐久壽命問題已成為國內(nèi)外工程技術(shù)人員關(guān)注的熱點［1-5］。

目前，隨著濕噴技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用和推廣，以及單層噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)形式越來越受到地下結(jié)構(gòu)研究人員的青睞，噴射纖維混凝土在隧道錨噴支護(hù)中的應(yīng)用越來越廣泛，國內(nèi)外的隧道工程大量采用噴射纖維混凝土作為隧道的永久襯砌。大量的研究資料表明，在噴射纖維混凝土的應(yīng)用中，主要以鋼纖維為主。但由于鋼纖維存在用量大、成本高、易腐蝕等缺點，嚴(yán)重影響了鋼纖維混凝土的推廣和進(jìn)一步應(yīng)用。鑒于此大量學(xué)者開始研究可以替代鋼纖維的聚丙烯粗纖維，聚丙烯粗纖維具有易分散、造價低、耐腐蝕的優(yōu)點，且其力學(xué)性質(zhì)與鋼纖維相差無幾［6-8］。

鄧宗才等［9］進(jìn)行了粗合成纖維混凝土抗彎韌性、疲勞特性、沖擊動載特性試驗研究;王伯昕等［10］研究了粗合成纖維混凝土抗裂與抗沖擊性能;趙軍等［11］展開了高溫后聚丙烯纖維高強混凝土力學(xué)性能。而對用于單層襯砌的噴射聚丙烯粗纖維混凝土的耐腐蝕性能研究甚少。

本文相關(guān)研究旨在探明聚丙烯粗纖維混凝土耐腐蝕性能和劣化規(guī)律，為聚丙烯粗纖維在實際隧道錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供一些理論和技術(shù)支撐。

1 聚丙烯粗纖維混凝土配合比設(shè)計

水泥采用P．O42．5，密度3 060 kg/m3、細(xì)度1．46;粗骨料采用粒徑為5～12 mm碎石(緊密堆積密度1 625 kg/m3，表觀密度2 719 kg/m3;細(xì)骨料采用機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)2．75、緊密堆積密度1 980 kg/m3、表觀密度2 680 kg/m3;硅粉采用優(yōu)協(xié)92U硅粉，SiO2含量92%，含水率2%，比表面積20 000 m2/kg;聚丙烯粗纖維采用深圳維克粗纖維，型號WK-8，長度30 mm，直徑0．73 mm，平均抗拉強度456 MPa，數(shù)量55 990根/kg。試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，混凝土試件養(yǎng)生方式為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生。

據(jù)文獻(xiàn)［12］～文獻(xiàn)［13］的研究，綜合考慮配合比的經(jīng)濟(jì)性、簡易性、適用性，設(shè)計聚丙烯粗纖維混凝土和基準(zhǔn)混凝土的配合比，根據(jù)經(jīng)驗水膠比選定為0．48，根據(jù)密度填充試驗得砂率為50%，聚丙烯粗纖維和外加劑作為外摻材料不計入混凝土配合比中，基準(zhǔn)混凝土表觀密度為2 350 kg/m3，單方基準(zhǔn)混凝土材料用量為:水泥390 kg、硅灰40 kg、砂子854 kg、石子860 kg、拌合水206 kg。單方噴射混凝土外加劑和粗纖維摻量見表1。

表1 單方噴射混凝土外加劑和纖維摻量

2 纖維摻量對混凝土性能的影響

2．1 纖維摻量對混凝土抗壓強度的影響

試驗中為了確保噴射纖維混凝土的質(zhì)量，同時為保證纖維在混凝土中均勻分布，充分發(fā)揮其骨架作用，決定采用水泥裹砂法攪拌混凝土并適當(dāng)?shù)难娱L攪拌時間以確保纖維在混凝土中分散并能均勻分布。具體攪拌工藝如圖1所示:先將纖維、砂子、70%的拌合用水和減水劑同時投入攪拌機(jī)中攪拌30 s，然后向攪拌機(jī)中投入水泥攪拌30 s，最后將碎石和剩余的30%的拌合用水投入到攪拌機(jī)中攪拌120 s。

對不同摻量聚丙烯粗纖維混凝土進(jìn)行了抗壓強度試驗研究，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 不同纖維摻量的噴射混凝土抗壓強度試驗結(jié)果

圖1 噴射纖維混凝土攪拌工藝流程

由表2可知，當(dāng)基準(zhǔn)混凝土中摻入一定量的聚丙烯粗纖維后可提高混凝土抗壓強度，增強效果取決于纖維摻量。當(dāng)聚丙烯粗纖維摻入量為6%時，混凝土早期強度和后期強度均有所降低;當(dāng)摻入量為8%時，粗纖維混凝土后期抗壓強度增強效果明顯，這時纖維的阻裂作用起主導(dǎo)作用，纖維混凝土的抗壓強度逐步提高，增強效果明顯;當(dāng)摻入量為10%時，纖維對混凝土的抗壓強度開始下降，由于纖維體積率的提高，纖維與混凝土的界面過渡區(qū)的面積逐步增大，界面過渡區(qū)的負(fù)作用也開始逐漸顯現(xiàn)。在基準(zhǔn)混凝土配比確定的情況下，當(dāng)纖維摻入量為8%時，纖維對混凝土的力學(xué)提高最顯著且經(jīng)濟(jì)性適中。

2．2 纖維摻量對混凝土抗腐蝕性能的影響

為研究常年有地下水且水中含有硫酸根離子的隧道環(huán)境下噴射凝混土的耐腐蝕性能，將混凝土試件放入硫酸鹽濃度為10%的溶液中浸泡，進(jìn)行長期浸泡條件下噴射混凝土的抗硫酸腐蝕性能及其規(guī)律試驗研究，試驗結(jié)果如表3和圖2所示。

長期浸泡條件下混凝土抗壓強度耐蝕系數(shù)K=R2/R1。其中，R2為混凝土在溶液中浸泡后的抗壓強度;R1在清水中浸泡后的抗壓強度。

表3 長期浸泡條件下噴射混凝土抗硫酸鹽腐蝕試驗結(jié)果

由表3可知，在4種噴射混凝土中，只有C10配比耐蝕性能未達(dá)到150 d，其中J1、C6、C8在浸泡150 d后分別富余6．11%、0．65%、2．78%，其中J1配比富余量最大，這是因為在浸泡后期對耐腐蝕系數(shù)起決定作用的是噴射混凝土中的過渡相，摻入纖維后對于腐蝕后期的混凝土來講，增大了過渡相的體積，故J1在浸泡后期的抗腐蝕性能優(yōu)于噴射粗纖維混凝土。

由圖2可知，基準(zhǔn)配合比隨著浸泡天數(shù)的增加，耐蝕系數(shù)逐漸降低;C8配比噴射纖維混凝土的耐蝕系數(shù)在浸泡前60 d中最大增長7%左右，當(dāng)浸泡超過60 d后，耐蝕系數(shù)迅速降低。這主要因為混凝土劣化程度與環(huán)境水中的SO42－濃度以及噴射混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。28 d齡期強度可間接證明C8配比噴射纖維混凝土孔隙率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于基準(zhǔn)混凝土，所以在浸泡前60 d中，環(huán)境中的SO42－進(jìn)入噴射混凝土內(nèi)部緩慢且濃度較低，生成的物質(zhì)主要以針狀的鈣礬石為主，在腐蝕初始結(jié)晶物很少，混凝土的孔隙和空洞被這些結(jié)晶物填充而變得密實，此時，混凝土的強度甚至比未受侵蝕的混凝土強度有所增加。而對于基準(zhǔn)混凝土，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔隙率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于噴射粗纖維混凝土，SO42－迅速進(jìn)入噴射混凝土內(nèi)部，孔隙內(nèi)部的SO42－濃度較大，主要以鈣礬石、石膏結(jié)晶侵蝕破壞為主，所以基準(zhǔn)混凝土的耐蝕系數(shù)在浸泡前60 d中，抗壓耐蝕系數(shù)逐漸降低。

一般情況下噴射混凝土微結(jié)構(gòu)由骨料、水泥漿體、過渡相組成且過渡相是整個結(jié)構(gòu)中的最薄弱的一個環(huán)節(jié)，在基準(zhǔn)混凝土中摻入粗纖維，雖改善了整個結(jié)構(gòu)的孔隙狀態(tài)，但同時也增加了過渡區(qū)的體積。在持續(xù)的結(jié)晶作用下，浸泡60 d后噴射粗纖維混凝土的孔隙和毛細(xì)孔壁產(chǎn)生很大張力之后，噴射粗纖維混凝土水泥石結(jié)構(gòu)組分破壞，其強度下降速度遠(yuǎn)大于基準(zhǔn)混凝土。

圖2 長期浸泡下噴射混凝土耐腐系數(shù)時程曲線圖

3 混凝土硫酸鹽腐蝕劣化規(guī)律［14］

混凝土在硫酸鹽腐蝕作用下的劣化是其自身結(jié)構(gòu)的破損引起的，劣化過程就是其自身結(jié)構(gòu)的損失過程，劣化量就是損失量。設(shè)S0為混凝土初始物理量(抗壓強度)，Sn為混凝土經(jīng)過nd浸泡后的未損傷量(殘余抗壓強度)，λ0為劣化常數(shù)，則混凝土劣化方程

混凝土未損失量是隨初始物理量作自然規(guī)律劣化衰減，這就是混凝土的理論劣化方程。

對適量纖維摻量的噴射纖維混凝土抗壓強度的變化是上升—穩(wěn)定—下降的過程，設(shè)λ(n)=－λ0n，混凝土硫酸鹽腐蝕劣化方程為為混凝土經(jīng)nd浸泡后抗壓強度的耐蝕系數(shù)，λ(n)為隨浸泡天數(shù)變化的劣化系數(shù)。假設(shè):λ(n)=A+Bn+Cn2+Dn3+……

由于混凝土受硫酸鹽腐蝕劣化是抗壓強度先升后降的過程，據(jù)此及函數(shù)性質(zhì)，Kf應(yīng)滿足如下邊界條件:

(1)當(dāng)n=0時，Kf=1;

(2)當(dāng)n→∞時，Kf→0;

(3)在整個函數(shù)區(qū)間［0，n］內(nèi)，0≤Kf≤1;

(4)函數(shù)連續(xù)，Kf'=0的點只有一個;

(5)對于鋼纖維混凝土在整個函數(shù)區(qū)間［0，n］內(nèi)，二階導(dǎo)數(shù)Kf″＜0。

依據(jù)以上條件可知噴射粗纖維劣化函數(shù)為:λ(n)=Bn+Cn2，所以混凝土的劣化函數(shù)為

式中，Kf為混凝土抗壓強度耐蝕系數(shù);n為浸泡天數(shù);B，C為擬合參數(shù)。

通過式(4)對試驗數(shù)據(jù)擬合得到圖3～圖6。

圖3 J1配比噴射混凝土硫酸鹽腐蝕劣化擬合曲線

圖4 C6配比噴射混凝土硫酸鹽腐蝕劣化擬合曲線

圖5 C8配比噴射混凝土硫酸鹽腐蝕劣化擬合曲線

圖6 C10配比噴射混凝土硫酸鹽腐蝕劣化擬合曲線

4 混凝土硫酸鹽腐蝕壽命預(yù)測

國內(nèi)外研究學(xué)者已對混凝土結(jié)構(gòu)硫酸鹽腐蝕失效機(jī)理進(jìn)行了一些相關(guān)試驗和理論研究，但至今尚未形成較統(tǒng)一的耐久壽命預(yù)測模型。

4．1 壽命預(yù)測函數(shù)的建立［15］

由前面理論推導(dǎo)出混凝土硫酸鹽腐蝕的劣化方程為

式中，λ0為混凝土劣化常數(shù)，它與混凝土的性能和組成密切相關(guān);n為浸泡天數(shù)。

假設(shè)混凝土在實驗室硫酸鹽腐蝕環(huán)境下浸泡m d，相當(dāng)于隧道環(huán)境中含有硫酸鹽地下水對混凝土的腐蝕作用1 a，那么混凝土抗硫酸腐蝕的時間為t=n/m，令λ=λ0m，代入得

當(dāng)混凝土強度耐腐蝕系數(shù)將至75%時，表明混凝土結(jié)構(gòu)中有25%已經(jīng)損傷，這是規(guī)范中規(guī)定混凝土的抗腐蝕標(biāo)準(zhǔn)。這時所經(jīng)歷的時間為混凝土的“標(biāo)準(zhǔn)壽命”:

目前，我國高速鐵路隧道設(shè)計平均壽命按100 a考慮，據(jù)此反分析得出隧道襯砌結(jié)構(gòu)在硫酸鹽腐蝕情況的?劣化常數(shù):

這時，混凝土的壽命預(yù)測基本函數(shù)為

4．2 不同配比噴射混凝土壽命預(yù)測

根據(jù)查閱大量文獻(xiàn)確定了在濃度為10%的硫酸鹽溶液下浸泡1 d相當(dāng)于自然環(huán)境中耐久壽命為1 a。

通過前面擬合曲線中的λ(n)=A+Bn+Cn2+Dn3+…來計算實驗室中硫酸鹽腐天數(shù)以此來對應(yīng)自然環(huán)境下在硫酸鹽腐蝕情況下，混凝土耐久壽命。取腐蝕系數(shù)為75%，具體數(shù)值見表4。

由表4混凝土壽命預(yù)測結(jié)果可知，在單一因素影響條件下，前3種配合比噴射混凝土耐久壽命均超過100 a，滿足噴錨永久支護(hù)的耐久性要求。

表4 壽命預(yù)測結(jié)果

5 結(jié)論

通過對各配方噴射纖維混凝土的力學(xué)性能和長期浸泡腐蝕試驗，結(jié)合損傷理論對噴射粗纖維混凝土的抗腐蝕劣化規(guī)律開展了相關(guān)研究得出以下結(jié)論:

(1)在聚丙烯粗纖維摻量為8 kg/m3時，噴射聚丙烯纖維混凝土的經(jīng)濟(jì)性適中，抗腐蝕性、抗壓性能均優(yōu)于其它摻量纖維噴射混凝土。說明噴射混凝土聚丙烯粗纖維的最優(yōu)摻量在8 kg/m3左右。

(2)在噴射粗纖維混凝土?xí)r，纖維對混凝土的抗腐蝕性能是在纖維改善孔隙結(jié)構(gòu)與纖維軟弱界面兩種作用下產(chǎn)生的結(jié)果。其中纖維改善孔隙結(jié)構(gòu)起正作用，界面薄弱層起負(fù)作用。

(3)運用已經(jīng)擬合的混凝土劣化方程可以預(yù)測混凝土在實際隧道地下水腐蝕的環(huán)境下耐久壽命，該研究成果可作為噴射纖維混凝土耐久性定量設(shè)計的依據(jù)。