南疆鹽漬土地區(qū)聚乙烯醇纖維混凝土損傷研究★

王洪宇 王 成 操 靜 亓澤霖

(1.塔里木大學(xué)南疆巖土工程研究中心，新疆 阿拉爾 843300；2.塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

1 概述

新疆南疆地區(qū)大面積分布著鹽漬土，氣候惡劣，晝夜溫差大(通常在12 ℃以上，最大可達(dá)35.8 ℃)，降水量遠(yuǎn)小于蒸發(fā)量(平均降雨量44.6 mm～60.8 mm，年蒸發(fā)量為1 980 mm～2 602 mm)，自然災(zāi)害頻繁[1-3]。鹽漬土環(huán)境加上嚴(yán)酷的自然氣候使阿克蘇地區(qū)既有混凝土建筑物長(zhǎng)年經(jīng)受干濕循環(huán)、鹽類(lèi)腐蝕等侵害，而且多種侵害會(huì)有復(fù)合作用和聯(lián)動(dòng)損傷，嚴(yán)重降低混凝土建筑物的使用壽命，給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)快速健康發(fā)展帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。因此，如何有效解決本地區(qū)特殊氣候和鹽漬土壤環(huán)境下混凝土的腐蝕劣化病害已成為亟待解決的問(wèn)題。

聚乙烯醇纖維是一種新型合成纖維，其抗酸抗堿、高彈模、親水、能與水泥基體很好的粘結(jié)[4-6]，在混凝土中添加聚乙烯醇纖維能夠很好的改善混凝土的抗拉、裂和防滲性能[7-9]，Dong Hyun[10]研究發(fā)現(xiàn)由于聚乙烯醇纖維具有更強(qiáng)的氫鍵，從而能夠更好地抵抗微裂紋和裂紋擴(kuò)展，這將在一定程度上改善混凝土開(kāi)裂導(dǎo)致的外界有害物質(zhì)的侵入。在聚乙烯醇纖維混凝土的抗鹽侵蝕性能研究上，劉曙光[11]通過(guò)試驗(yàn)顯示聚乙烯醇纖維的加入增加了混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能；黃加圣[12]進(jìn)行了干濕循環(huán)條件下聚乙烯醇纖維混凝土硫酸鹽耐久性研究，研究顯示由于聚乙烯醇纖維有很強(qiáng)的耐堿腐蝕能力，混凝土中的纖維并不會(huì)由于硫酸鹽的腐蝕作用而失效，當(dāng)混凝土受到侵蝕破壞時(shí)，纖維可以有效的對(duì)混凝土的開(kāi)裂、孔洞的擴(kuò)張起到約束作用，從而增強(qiáng)了混凝土對(duì)侵蝕作用的抵抗能力。

南疆地區(qū)既有混凝土建筑物長(zhǎng)期遭受復(fù)合鹽侵蝕下的干濕循環(huán)作用，現(xiàn)有關(guān)于聚乙烯醇纖維混凝土抗鹽侵蝕性能的研究往往都主要集中在單一氯鹽或硫酸鹽的作用。因此，本文緊密結(jié)合南疆地區(qū)的氣候條件和鹽漬土壤環(huán)境，分別開(kāi)展室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)暴露試驗(yàn)，研究鹽蝕—干濕循環(huán)作用下聚乙烯醇纖維混凝土抗復(fù)合鹽侵蝕性能。可豐富聚乙烯醇纖維混凝土復(fù)合鹽侵蝕耐久性研究?jī)?nèi)容，并為有效解決本地區(qū)工程結(jié)構(gòu)混凝土的鹽蝕病害問(wèn)題提供解決思路或方法。

2 土質(zhì)分析

以南疆典型鹽漬土區(qū)域的阿拉爾市8團(tuán)為例，在鹽分較重的冬春季進(jìn)行取樣，并在阿拉爾市天平建材檢測(cè)中心對(duì)土壤中有害離子的含量進(jìn)行檢測(cè)分析，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 土壤易溶鹽含量 g/kg

表2 復(fù)合鹽溶液種類(lèi)及溶液濃度

3 試驗(yàn)

3.1 原材料

水泥：庫(kù)車(chē)紅獅水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，燒失量為4.26%；粉煤灰采用新滬熱電廠生產(chǎn)的Ⅲ級(jí)粉煤灰，燒失量為6.2%；粗細(xì)集料均由溫宿縣同順砂石料廠提供，其中細(xì)集料屬中砂，細(xì)度模數(shù)為2.7；粗集料為5 mm～40 mm連續(xù)級(jí)配卵石；減水劑采用阿拉爾市正達(dá)商混站提供的高性能減水劑，減水率為27%；聚乙烯醇纖維為上海臣啟化工科技有限公司生產(chǎn)，具體規(guī)格見(jiàn)表3。

表3 聚乙烯醇纖維性能指標(biāo)

基準(zhǔn)配合比采用阿克蘇本地區(qū)既有混凝土結(jié)構(gòu)中常用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)C35的配合比，詳見(jiàn)表4。分設(shè)聚乙烯醇纖維體積摻量為0%，0.1%，0.2%，0.3%，來(lái)確定南疆地區(qū)鹽漬土環(huán)境下混凝土中摻入聚乙烯醇纖維提高抗復(fù)合鹽侵蝕性能的最佳體積摻量。

表4 混凝土基準(zhǔn)配合比

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

按《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》試件制作尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，澆筑24 h后拆模并放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d。室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)采用自然環(huán)境下的干濕交替，相較于放入試件箱內(nèi)的干濕循環(huán)試驗(yàn)，自然環(huán)境下更貼合現(xiàn)場(chǎng)混凝土所處實(shí)際環(huán)境，以此通過(guò)對(duì)比室內(nèi)外數(shù)據(jù)得出的混凝土壽命預(yù)測(cè)加速系數(shù)K值更可靠。試驗(yàn)采用立式半浸泡(200 mm)放置在溶液中，液面以上端部記為A，液面以下端部分記為B，如圖1a)所示。試件先在溶液中浸泡7 d，之后取出按原立式放置在室外環(huán)境中8 d，將此15 d作為一個(gè)侵蝕齡期。為了試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，室外現(xiàn)場(chǎng)暴露試驗(yàn)是將試件半埋確定復(fù)合鹽溶液的鹽漬土處，暴露空氣端部記為A，埋入土中端部記為B，如圖1b)所示，同時(shí)保證各試件間距不小于30 cm，每30 d取出試件作為一個(gè)侵蝕齡期。試驗(yàn)每次齡期后進(jìn)行試件外觀現(xiàn)象觀察、質(zhì)量和A，B動(dòng)彈性模量測(cè)定。

試驗(yàn)參數(shù)選取相對(duì)質(zhì)量Mr和相對(duì)動(dòng)彈性模量Er為混凝土性能評(píng)價(jià)指標(biāo)[17]，計(jì)算公式如下：

(1)

其中，Mr為經(jīng)過(guò)n次循環(huán)后試件的相對(duì)質(zhì)量；Mn為n次循環(huán)后試件的質(zhì)量；M0為初始測(cè)得的試件質(zhì)量。

(2)

其中，Er為經(jīng)過(guò)n次循環(huán)后試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量；En為n次循環(huán)后試件的動(dòng)彈性模量；E0為初始測(cè)得的動(dòng)彈性模量。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 混凝土試件外觀變化

隨著侵蝕齡期的加長(zhǎng)，試件在室內(nèi)外試驗(yàn)下外觀現(xiàn)象皆有變化。其中，室內(nèi)干濕循環(huán)試件的破壞程度與溶液的濃度呈正相關(guān)，同侵蝕齡期下水中試件變化不大，鹽溶液下試件隨溶液濃度增大破壞程度愈大。30 d混凝土的外觀與養(yǎng)護(hù)完畢時(shí)無(wú)明顯變化僅有極微量的表皮剝落，開(kāi)始出現(xiàn)不明顯的雪花狀物質(zhì)[18];至60 d混凝土在復(fù)合鹽溶液浸泡水平面處出現(xiàn)明顯的雪花狀物質(zhì)，且隨著溶液濃度的增加雪花狀物質(zhì)積累越明顯，0%摻量試件養(yǎng)護(hù)面已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)裂紋紋理；至90 d時(shí)雪花狀物質(zhì)已布滿(mǎn)整個(gè)B端，也隨著溶液濃度的增加雪花狀物質(zhì)積累越明顯，被10倍溶液浸泡試件已經(jīng)出現(xiàn)顆粒狀結(jié)晶，試件養(yǎng)護(hù)面裂紋紋理變多變深相互貫通，已經(jīng)出現(xiàn)不同程度的水泥漿體脫落導(dǎo)致骨料的裸露(見(jiàn)圖2)。

現(xiàn)場(chǎng)暴露試驗(yàn)在前期和干濕循環(huán)試驗(yàn)外觀現(xiàn)象相似，先在試件中線處有雪花狀物質(zhì)出現(xiàn)然后隨著試驗(yàn)進(jìn)行雪花狀物質(zhì)越來(lái)越多，但是跟干濕循環(huán)試驗(yàn)不同的是試件只在交界面處雪花狀物質(zhì)聚積較多，在埋置的余下部分幾乎沒(méi)有雪花狀物質(zhì)。綜合來(lái)看室外現(xiàn)場(chǎng)暴露試驗(yàn)混凝土的損傷多發(fā)生在土層與空氣交界面處，此處鹽分容易聚積受侵蝕最強(qiáng)烈(見(jiàn)圖3)。

4.2 干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果分析

室內(nèi)干濕循環(huán)試件損傷隨溶液濃度增加愈強(qiáng)烈，所以本文著重介紹10倍復(fù)合鹽溶液下試件參數(shù)變化，如圖4～圖7所示。

由圖4，圖5可以看出，四種摻量試件總體趨勢(shì)相同，在第一次干濕循環(huán)后質(zhì)量下降較為明顯，隨后趨于平穩(wěn)，又有些許上升。從整體相對(duì)質(zhì)量參數(shù)可知，PVA 0.2%摻量的相對(duì)質(zhì)量下降較小且波動(dòng)最為平緩，PVA 0.1%摻量相對(duì)質(zhì)量無(wú)論在清水下，還是在復(fù)合鹽溶液下波動(dòng)變化都最為明顯，PVA 0%和PVA 0.3%摻量介于兩者之間。

由圖6，圖7可以看出，四種摻量在不同溶液下都呈現(xiàn)動(dòng)彈性模量增加的趨勢(shì)，在第一次干濕循環(huán)后增加最為明顯隨后趨于平穩(wěn)波動(dòng)。但是在復(fù)合鹽溶液下動(dòng)彈性模量增加最為明顯且在摻有PVA纖維試件動(dòng)彈性模量增加最明顯且?guī)捉嗤?，清水溶液下四種摻量試件動(dòng)彈性模量波動(dòng)變化較為明顯。

在干濕循環(huán)試驗(yàn)下混凝土試件在第一次循環(huán)后質(zhì)量下降較為明顯，之后保持在相對(duì)平穩(wěn)的質(zhì)量波動(dòng)。原因是初期混凝土在溶液中浸泡有被侵蝕剝落的質(zhì)量，鹽離子還未開(kāi)始進(jìn)入混凝土內(nèi)部或者僅進(jìn)入表面，加之混凝土經(jīng)過(guò)8 d的室外干環(huán)境，在養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)后存在的水分丟失，以上多種原因?qū)е禄炷猎诔跗诘馁|(zhì)量下降最為明顯。之后的干濕循環(huán)混凝土表皮會(huì)有剝落，鹽離子也已開(kāi)始通過(guò)試件固有的毛細(xì)孔隙[19]進(jìn)入試件內(nèi)部開(kāi)始生成結(jié)晶或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成石膏、鈣礬石等物質(zhì)，這在一定程度增加了試件的質(zhì)量[20]，但仍沒(méi)有剝落所導(dǎo)致的質(zhì)量降低多，由于第一次循環(huán)后水分不會(huì)再像之前一樣減少，所以試件質(zhì)量雖然降低但已沒(méi)有上次幅度大。之后隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行試件表面已經(jīng)有裂縫的產(chǎn)生，水分可以更輕松進(jìn)入試件內(nèi)部，導(dǎo)致試件質(zhì)量出現(xiàn)上升。清水溶液下試件質(zhì)量上升比復(fù)合鹽溶液下試件質(zhì)量上升明顯，這是因?yàn)閺?fù)合鹽溶液下試件隨著試驗(yàn)的進(jìn)行試件剝落物會(huì)更多，一定程度上抵消了鹽分水分進(jìn)入試件內(nèi)部所造成的質(zhì)量增加，而清水溶液并不能讓試件有更多的剝落。再到后面清水溶液下試件也基本不再上升，而復(fù)合鹽溶液下試件質(zhì)量呈波動(dòng)。也是因?yàn)閺?fù)合鹽溶液不止有鹽分的進(jìn)入也有物質(zhì)的剝落，尤其在90 d時(shí)，試件浸泡端已幾乎全部布滿(mǎn)雪花狀物質(zhì)表明已有較多鹽離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部，表面也吸附更多的鹽結(jié)晶增加了混凝土的質(zhì)量。四種摻量PVA 0.1%和PVA 0.3%質(zhì)量降低，PVA 0%和PVA 0.2%升高，表明在干濕循環(huán)初期兩摻量試件剝落物更少，抗鹽蝕性能更優(yōu)。

干濕循環(huán)試驗(yàn)下試件的動(dòng)彈性模量和質(zhì)量有相反的趨勢(shì)，是先增加再趨于穩(wěn)定。前期的較大增加是因?yàn)榛炷猎嚰?8 d養(yǎng)護(hù)后的密實(shí)度仍在增加，之后復(fù)合鹽溶液下試件動(dòng)彈性模量趨于穩(wěn)定是隨著干濕試驗(yàn)的進(jìn)行鹽結(jié)晶開(kāi)始進(jìn)入混凝土內(nèi)部，增加了混凝土內(nèi)部的密實(shí)性導(dǎo)致試件的動(dòng)彈性模量一直增加。

4.3 室外暴露試驗(yàn)結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)暴露試驗(yàn)下試件參數(shù)變化如圖8，圖9所示。

由圖8可知混凝土試件質(zhì)量在室外經(jīng)歷前30 d的增長(zhǎng)，60 d～180 d的均勻下降和180 d～300 d的先增加再下降的波動(dòng)變化。PVA 0.3%質(zhì)量波動(dòng)最為穩(wěn)定；PVA 0.1%的質(zhì)量變化反而最大，每次的質(zhì)量損失都最為嚴(yán)重；PVA 0%和PVA 0.2%質(zhì)量變化介于兩者之間，四種摻量質(zhì)量的變化趨勢(shì)和復(fù)合鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)變化趨勢(shì)接近相同。

由圖9可知混凝土試件的動(dòng)彈性模量在前200 d經(jīng)歷了緩慢下降過(guò)程，200 d之后又開(kāi)始迅速增加，PVA 0.1%和PVA 0.3%動(dòng)彈性模量增加最為明顯，其余兩摻量次之。

質(zhì)量在初期增加是因?yàn)樵嚰诜湃胪寥纼?nèi)就有少量鹽分附著，之后質(zhì)量開(kāi)始減少表明隨著鹽分的侵蝕試件在埋置過(guò)程中一直有質(zhì)量的損耗，180 d之后質(zhì)量增加，表明試件鹽分已開(kāi)始大量進(jìn)入混凝土內(nèi)部，侵蝕速度加快，這也導(dǎo)致了240 d之后試件質(zhì)量開(kāi)始逐漸減少。動(dòng)彈性模量在180 d之前都是在緩慢減少，也是因?yàn)樵嚰恢痹诮?jīng)受鹽分的侵蝕導(dǎo)致，后期試件動(dòng)彈性模量迅速增加是隨著侵蝕的加快，鹽分進(jìn)入混凝土內(nèi)部，生成的石膏、鈣礬石或者形成的鹽結(jié)晶讓試件內(nèi)部越來(lái)越密實(shí)，導(dǎo)致動(dòng)彈性模量一直在增加。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究根據(jù)新疆南疆地區(qū)特有的鹽漬土環(huán)境，設(shè)計(jì)了室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)暴露試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)試件表觀現(xiàn)象觀察、質(zhì)量損失、動(dòng)彈性模量損失判斷聚乙烯醇纖維混凝土的損傷程度，對(duì)比四種聚乙烯醇纖維摻量，其中PVA 0.2%摻量在各試驗(yàn)下數(shù)據(jù)表現(xiàn)最為穩(wěn)定，其抗復(fù)合鹽干濕循環(huán)侵蝕能力最強(qiáng)。