硫酸鹽腐蝕環(huán)境下濕噴塑鋼纖維混凝土劣化模型研究

王海彥，孟 江，高文山，朱利明，侯 峰

(1.南京工業(yè)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，南京 210009；2.南京工大橋隧與軌道交通研究院有限公司，南京 210032； 3.中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

0 引 言

伴隨著濕噴技術(shù)在隧道工程領(lǐng)域逐漸替代傳統(tǒng)的干噴或潮噴技術(shù)，濕噴高性能混凝土開(kāi)始被廣泛地應(yīng)用到工程實(shí)際中，由于濕噴纖維混凝土具有較好的抗裂性能和力學(xué)性能，單層噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)未來(lái)將會(huì)成為公路隧道工程結(jié)構(gòu)形式的首選。通過(guò)研究文獻(xiàn)和工程資料發(fā)現(xiàn)[1-5]，鋼纖維噴射混凝土是在隧道結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣的一種材料。由于鋼纖維混凝土具有鋼纖維摻量大、易銹蝕、成本高等缺點(diǎn)，影響和制約了其在隧道工程方面的廣泛應(yīng)用和發(fā)展。目前，纖維混凝土的研究熱點(diǎn)是使用塑鋼纖維(HPP)替代鋼纖維作為增強(qiáng)增韌材料，在不影響纖維混凝土的抗裂性和承載力的前提下，提高噴射纖維混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和耐腐蝕性。本文所提塑鋼纖維是一種主要以聚丙烯為原材料，經(jīng)過(guò)特殊工藝加工而成的新型合成纖維。該纖維具有鋼纖維和塑料合成纖維兩者的優(yōu)點(diǎn)，主要用于代替混凝土結(jié)構(gòu)中摻入的鋼纖維。

王伯昕等[6]研究了大直徑合成纖維混凝土的抗沖擊性能。研究表明，摻入大直徑合成纖維對(duì)混凝土的抗沖擊和耐久性能提高顯著。鄧宗才等[7]進(jìn)行了粗纖維混凝土抗彎、疲勞、沖擊試驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)摻入粗纖維可以顯著提高結(jié)構(gòu)的抗彎拉強(qiáng)度、剩余強(qiáng)度和疲勞壽命。趙軍等[8]對(duì)聚丙烯纖維混凝土的高溫特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明，隨著溫度的升高，混凝土的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度降低，溫度達(dá)到400 ℃之后強(qiáng)度值明顯降低。而對(duì)用于單層噴錨襯砌的濕噴塑鋼纖維混凝土的力學(xué)性能研究不多，在硫酸鹽腐蝕環(huán)境下，濕噴塑性鋼纖維混凝土的耐久性研究更少。因此，有必要開(kāi)展關(guān)于塑鋼纖維的摻量對(duì)濕噴混凝土耐久性影響的相關(guān)研究。

本文旨在通過(guò)試驗(yàn)得到不同塑鋼纖維摻量下的濕噴混凝土的耐腐蝕性能，并通過(guò)曲線擬合求得劣化模型，為腐蝕環(huán)境下隧道單層噴錨襯砌結(jié)構(gòu)中應(yīng)用和推廣濕噴塑鋼纖維混凝土提供技術(shù)支撐。

1 濕噴纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)

水泥采用太行P·O 42.5，比表面積350 m2/kg、密度3 050 kg/m3；粗骨料采用石家莊平山碎石場(chǎng)生產(chǎn)的5～15 mm碎石(堆積密度1 635 kg/m3)；細(xì)骨料采用石家莊浮沱河產(chǎn)的河砂，細(xì)度模數(shù)2.82、堆積密度1 976 kg/m3；硅灰含水率1.8%，SiO2含量91%；塑鋼纖維選取深圳市維特耐新材料有限公司的WK-8聚丙烯粗纖維，長(zhǎng)度30 mm、直徑0.72 mm、平均抗拉強(qiáng)度456 MPa、每千克數(shù)量55 985根。混凝土試件尺寸取100 mm×100 mm×100 mm，養(yǎng)護(hù)方式采用灑水養(yǎng)生7 d，后續(xù)放置在自然環(huán)境下自然養(yǎng)生。

試驗(yàn)選用擬配C30濕噴混凝土為研究對(duì)象，濕噴纖維混凝土的配合比設(shè)計(jì)需要綜合考慮多種因素，盡量滿足經(jīng)濟(jì)性、簡(jiǎn)易性、適用性。根據(jù)工程施工經(jīng)驗(yàn)，水膠比選定為0.46、砂率為52%、表觀密度為2 350 kg/m3，單方基準(zhǔn)混凝土(JZ)材料用量為：水泥400 kg、硅灰32 kg、粗骨料824.3 kg、細(xì)骨料895 kg、拌和水198.7 kg。塑鋼纖維作為外摻材料不計(jì)入混凝土配合比中，不同配方濕噴纖維混凝土外加劑和塑鋼纖維摻量見(jiàn)表1。

表1 單方濕噴纖維混凝土外加劑和纖維摻量Table 1 Admixture and fiber content of wet-sprayed fiber concrete

2 濕噴纖維混凝土的力學(xué)和抗腐蝕性能

2.1 濕噴纖維混凝土力學(xué)性能

圖1 濕噴纖維混凝土攪拌工藝流程Fig.1 Mixing process of wet-sprayed fiber concrete

為了充分保障纖維混凝土的均質(zhì)性、提高結(jié)構(gòu)抗裂性，需要保證纖維材料在混凝土中的均勻分布、充分發(fā)揮纖維的阻裂性和骨架作用，試驗(yàn)采用水泥裹砂三次投料攪拌纖維混凝土并適當(dāng)提高拌和時(shí)間以使纖維均勻分散在混凝土中。具體攪拌工藝流程如圖1所示。

對(duì)不同塑鋼纖維摻量濕噴纖維混凝土進(jìn)行了單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，塑鋼纖維含量影響混凝土抗壓強(qiáng)度，其影響程度取決于纖維含量。含量6 kg/m3濕噴纖維混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度均較基準(zhǔn)混凝土低；含量為8 kg/m3的濕噴纖維混凝土后期抗壓強(qiáng)度高于基準(zhǔn)混凝土，這時(shí),塑鋼纖維骨架可提高界面間粘結(jié)力，從而使抗壓強(qiáng)度有所增強(qiáng)。含量為10 kg/m3時(shí)，由于纖維含量過(guò)大，纖維與混凝土界面的粘結(jié)性能降低，結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度逐漸減小。試驗(yàn)結(jié)果表明，在該混凝土配合比下，纖維含量為8 kg/m3時(shí)，濕噴混凝土的力學(xué)性能較好。

表2 不同塑鋼纖維摻量濕噴纖維混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of compressive strength of wet-sprayed fiber concrete with different content of HPP /MPa

2.2 濕噴纖維混凝土抗腐蝕性能

為模擬濕噴纖維混凝土受常年含有硫酸根離子的地下水作用下的耐腐蝕性能，將混凝土試件長(zhǎng)期浸入濃度為5%的硫酸鹽溶液中進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，研究濕噴纖維混凝土長(zhǎng)期在硫酸鹽腐蝕條件下的耐久性能及其劣化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

根據(jù)前人研究成果可知[9-10]，混凝土試件在濃度為5%的硫酸鹽溶液中浸蝕后，其耐蝕系數(shù)Kf≥80%時(shí)，混凝土抗硫酸鹽腐蝕合格，否則退出試驗(yàn)。

表3 濕噴纖維混凝土抗硫酸鹽腐蝕試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of sulfate corrosion resistance of wet-sprayed fiber concrete

注：長(zhǎng)期浸蝕條件下混凝土抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)Kf=R2/R1。其中R2為混凝土在溶液中浸泡td后的抗壓強(qiáng)度；R1在清水中浸泡td后的抗壓強(qiáng)度。

由表3可知，對(duì)比各種配方濕噴纖維混凝土耐蝕系數(shù)和浸泡天數(shù)，除X10濕噴纖維混凝土耐蝕系數(shù)不滿足浸泡180 d的要求外，其余JZ、X6、X8配方濕噴混凝土浸泡180 d后其耐蝕系數(shù)分別富余13.4%、6.0%、8.3%，其中JZ配方濕噴纖維混凝土耐蝕系數(shù)富余量最大，這是因?yàn)榛炷林械乃嗄z過(guò)渡相體積對(duì)其耐腐蝕系數(shù)起決定作用，隨著纖維摻量的增加，過(guò)渡相的體積也隨之增大，減弱混凝土抗硫酸鹽性能，故濕噴素混凝土抗腐蝕性能要優(yōu)于濕噴纖維混凝土。

3 濕噴纖維混凝土劣化模型

設(shè)S0為混凝土初始抗壓強(qiáng)度，St為混凝土經(jīng)過(guò)td硫酸鹽浸泡后的殘余抗壓強(qiáng)度，λ0為劣化常數(shù)，則混凝土劣化方程公式為[11-12]：

(1)

(2)

(3)

λ(t)=A+Bt+Ct2+Dt3+…

一般情況下，混凝土受硫酸鹽浸蝕，其抗壓強(qiáng)度呈先升后降趨勢(shì)變化，結(jié)合劣化方程性質(zhì)，劣化方程滿足邊界條件如下：

(1)當(dāng)t=0時(shí)，Kf=1；當(dāng)t→∞時(shí)，Kf→0；

(2)在區(qū)間[0,t]內(nèi)，0≤Kf≤1；

依據(jù)以上條件可知混凝土劣化系數(shù)為λ(t)=Bt+Ct2，則混凝土的劣化方程為：

Kf=eBt+Ct2

(4)

式中,Kf為混凝土耐蝕系數(shù)(%)；t為浸泡時(shí)間(d)；B,C為擬合參數(shù)。

依據(jù)式(4)為得到濕噴纖維混凝土的腐蝕劣化模型，對(duì)不同配比濕噴纖維混凝土試件在濃度為5%的硫酸鹽溶液中浸泡后試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和擬合曲線如圖2～圖5所示。

圖2 JZ濕噴纖維混凝土硫酸鹽腐蝕劣化模型Fig.2 Sulfate corrosion degradation model of wet-sprayed fiber concrete of JZ

圖3 X6濕噴纖維混凝土硫酸鹽腐蝕劣化模型Fig.3 Sulfate corrosion degradation model of wet-sprayed fiber concrete of X6

圖4 X8濕噴纖維混凝土硫酸鹽腐蝕劣化模型Fig.4 Sulfate corrosion degradation model of wet-sprayed fiber concrete of X8

圖5 X10濕噴纖維混凝土硫酸鹽腐蝕劣化模型Fig.5 Sulfate corrosion degradation model of wet-sprayed fiber concrete of X10

由圖2～圖5可知，JZ濕噴纖維混凝土和 X8濕噴纖維混凝土在前60 d中耐蝕系數(shù)隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)而增長(zhǎng)，之后耐蝕系數(shù)逐漸降低；X6和X10濕噴纖維混凝土在前30 d中耐蝕系數(shù)隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)而增長(zhǎng)，當(dāng)浸泡時(shí)間超過(guò)30 d后，耐蝕系數(shù)迅速降低。

這是由于JZ濕噴混凝土和 X8濕噴纖維混凝土密實(shí)度高于X6、X10濕噴纖維混凝土，腐蝕離子進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的速度減緩且濃度降低，硫酸鹽離子與水泥成分反應(yīng)生成微膨脹性的鈣礬石，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的微孔隙被結(jié)晶物質(zhì)擠壓填充而逐漸密實(shí)。因此，在腐蝕環(huán)境中的反應(yīng)初期，混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)程度提高，混凝土力學(xué)性能有所提高。

4 結(jié) 論

(1)X6和X10濕噴塑鋼纖維混凝土的力學(xué)性能和耐蝕系數(shù)均小于X8濕噴塑鋼纖維混凝土。

(2)纖維對(duì)混凝土性能的影響與纖維的摻入量存在定量關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果表明濕噴纖維混凝土的塑鋼纖維最佳摻量在8 kg/m3左右。

(3)由于試驗(yàn)周期長(zhǎng)，硫酸鹽腐蝕儀器設(shè)備所限，試驗(yàn)只選做了4組配方混凝土，試驗(yàn)結(jié)果能反映出纖維摻量范圍。

(4)通過(guò)對(duì)不同配方濕噴塑鋼纖維混凝土腐蝕性能研究，探尋其劣化規(guī)律進(jìn)而建立混凝土劣化模型，據(jù)此可預(yù)測(cè)隧道結(jié)構(gòu)耐久壽命。