單摻和混摻纖維面板混凝土抗鹽凍耐久性試驗(yàn)研究

熊小斌， 王瑞駿， 李 陽(yáng)， 雷 妍， 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

在我國(guó)高寒地區(qū)，面板混凝土在低溫環(huán)境下易受凍脹力引起的彎剪作用的影響，發(fā)生裂縫破壞，致使面板混凝土耐久性受到嚴(yán)重的損害[1]。針對(duì)這一問題許多專家學(xué)者通過向面板混凝土中摻入纖維進(jìn)行混凝土抗凍耐久性研究，發(fā)現(xiàn)纖維可抑制微裂縫的發(fā)展，增強(qiáng)混凝土的抗裂性能，提升混凝土的耐久性[2]。

大多數(shù)試驗(yàn)中，研究聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維、鋼纖維、玄武巖纖維等對(duì)混凝土基本性能的影響[3-8]。靳賀松等[9]利用聚丙烯纖維制成水泥基復(fù)合材料并通過試驗(yàn)探明其抗凍性，試件的抗壓、抗折、抗拉強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸下降，質(zhì)量損失明顯增大，凍融溫度上下交替導(dǎo)致試件體積膨脹應(yīng)力時(shí)程發(fā)生規(guī)律性變化。朱紅兵等[10]研究了聚丙烯纖維摻量為0.8、1.0、1.2 kg/m3的陶?；炷羶鋈诤蟮目箖鲂阅芗傲W(xué)性能，結(jié)果表明，凍融循環(huán)作用導(dǎo)致纖維陶?；炷恋南鄬?duì)動(dòng)彈性模量、抗壓強(qiáng)度均逐漸降低，陶?；炷林袚饺刖郾├w維能提高抗凍性能。喬宏霞等[11]將纖維通過整體式和層布式兩種摻混方式摻入混凝土，發(fā)現(xiàn)層布式摻混纖維混凝土抗凍性能更佳。王躍東等[12]發(fā)現(xiàn)將纖維摻入混凝土可顯著提升凍融循環(huán)后的抗折強(qiáng)度，對(duì)抗壓強(qiáng)度影響微小。楊益等[13]發(fā)現(xiàn)纖維體積摻量和種類能顯著影響混凝土抗凍性能，混摻體積率為0.05%玄武巖纖維和1.5%鋼纖維時(shí)抗凍性最佳。郭少龍等[14]發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維能有效提升水泥土的抗疲勞性能，隨著纖維摻量增加，其抗凍性能逐漸增強(qiáng)。

本試驗(yàn)以單摻和混摻的方式向面板混凝土中摻入3種纖維(聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維和鋼纖維)，對(duì)摻纖維面板混凝土在同一氯鹽濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%)下進(jìn)行鹽凍循環(huán)試驗(yàn)，并對(duì)各鹽凍次數(shù)下?lián)讲煌w維混凝土的抗壓強(qiáng)度、相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失率結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究，進(jìn)一步對(duì)鹽凍后的混凝土進(jìn)行電鏡掃描分析，以期為面板混凝土耐久性研究提供依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)原材料

本次試驗(yàn)采用42.5R強(qiáng)度等級(jí)的普通硅酸鹽水泥(P·O)；摻合料為陜西永澤建材廠的Ⅱ級(jí)粉煤灰；骨料采用細(xì)度模數(shù)為2.5的灞河中砂和粒徑為5～30 mm的碎石；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。采用聚羧酸系高性能減水劑和三萜皂甙高性能引氣劑。

表1 聚丙烯和聚丙烯腈纖維性能指標(biāo)

表2 鋼纖維性能指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)方案

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)變量為纖維種類，O組不摻入纖維，A組摻入聚丙烯纖維，B組摻入聚丙烯腈纖維，C組摻入鋼纖維，AB組摻入聚丙烯-聚丙烯腈纖維，AC組摻入聚丙烯-鋼纖維，BC組摻入聚丙烯腈-鋼纖維。

表3 摻纖維面板混凝土配合比

2.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5150—2017)[15]和《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)[16]進(jìn)行。具體方法為：(1)將O、A、B、C、AB、AC、BC 7組試件在混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)24 d，之后4 d浸泡在常溫水中。(2)保持試件飽水面干并測(cè)量初始橫向基頻和初始質(zhì)量，之后進(jìn)行凍融前電鏡掃描分析。(3)用NaCl溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%)浸泡試件，液面高于試件頂部20 mm，放入凍融試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行鹽凍循環(huán)，每隔25次鹽凍循環(huán)取出試件擦干表面水，測(cè)量混凝土試件的抗壓強(qiáng)度、質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量。試驗(yàn)測(cè)定質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件，測(cè)定抗壓強(qiáng)度用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件。其中，棱柱體試件每組配合比制作3個(gè)試件；立方體試件每組配合比制作27個(gè)試件，每個(gè)鹽凍循環(huán)測(cè)試周期各3個(gè)。

本試驗(yàn)按公式(1)計(jì)算質(zhì)量損失率；按公式(2)計(jì)算相對(duì)動(dòng)彈性模量，相對(duì)動(dòng)彈性模量試驗(yàn)如圖1所示，試件表面與測(cè)桿相接觸，根據(jù)共振頻率選擇相應(yīng)的頻率測(cè)量范圍，讀取數(shù)字計(jì)數(shù)器上的橫向基頻；按公式(3)計(jì)算抗壓強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)如圖2所示。

圖1 相對(duì)動(dòng)彈性模量試驗(yàn) 圖2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

(1)

(2)

(3)

式中：Wn為n次凍融后試件質(zhì)量損失率，%；G0為凍融前試件質(zhì)量，kg；Gn為n次凍融后試件質(zhì)量，kg；E為試件相對(duì)動(dòng)彈性模量，%；fn為第n次凍融時(shí)橫向基頻，Hz；f0為凍融前橫向基頻初始值，Hz；fcu為試件抗壓強(qiáng)度，MPa；P為立方體破壞荷載，N；A為立方體承壓面積，mm2。

本試驗(yàn)采用VEGA3-TESCAN型掃描電鏡試驗(yàn)儀對(duì)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微小顆粒樣品，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，將載物盤和樣品通過導(dǎo)電銀漿相連通，待樣品表面銀漿干燥后放入掃描電鏡。

3 結(jié)果與分析

3.1 質(zhì)量損失率

鹽凍作用下單摻和混摻纖維面板混凝土質(zhì)量損失率變化曲線如圖3所示。

圖3 鹽凍作用下單摻和混摻纖維面板混凝土質(zhì)量損失率變化曲線

由圖3可知，鹽凍循環(huán)次數(shù)的增加導(dǎo)致質(zhì)量損失率呈先減小后增大趨勢(shì)，并且摻纖維面板混凝土的質(zhì)量損失率整體比普通面板混凝土低。這是因?yàn)榛炷猎嚰茺}凍作用在內(nèi)部產(chǎn)生較多微裂紋，增加了試件的滲透性，外部溶液進(jìn)入混凝土內(nèi)部導(dǎo)致質(zhì)量損失率下降，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，試件表面剝落質(zhì)量大于吸水質(zhì)量導(dǎo)致質(zhì)量損失率上升。纖維具有延展性，摻入混凝土中會(huì)粘結(jié)骨料和砂漿，減緩試件中微裂縫的擴(kuò)展，減少試件表皮剝落。對(duì)于單一摻量的纖維，A組試件的質(zhì)量損失率大于B組，C組質(zhì)量損失率最低。這是由于聚丙烯纖維表面比聚丙烯腈纖維更加光滑，與水泥砂漿及水化產(chǎn)物的粘結(jié)性較低；而鋼纖維較為粗大，有較多水泥砂漿附著在鋼纖維上，得到的試件較為完整，裂縫較少，因此質(zhì)量損失較少。

對(duì)摻混雜纖維的面板混凝土試件來說，AB組試件的質(zhì)量損失率增長(zhǎng)最快，AC組次之，BC組質(zhì)量損失率增長(zhǎng)最慢。這一現(xiàn)象可能是因?yàn)榫郾├w維和聚丙烯腈纖維均為合成纖維，具有相似的特征，使得混雜后的纖維只起到摻量疊加的效果；而鋼纖維與前兩種纖維有較大差異，且鋼纖維對(duì)水泥砂漿的粘結(jié)性更強(qiáng)，更能減少面板混凝土的質(zhì)量損失，因此AC組試件的質(zhì)量損失小于AB組。AC和BC組試件有所不同的是摻入的纖維，其中BC組中聚丙烯腈纖維與砂漿的粘結(jié)性高于AC組的聚丙烯纖維，這就導(dǎo)致BC組質(zhì)量損失率較AC組的小。

由圖3還可看出，摻單一纖維的面板混凝土試件的質(zhì)量損失率大都高于摻混雜纖維的試件。這是因?yàn)閮煞N纖維混摻能在尺寸和性能方面相互增強(qiáng)，使水泥漿在纖維作用下更好的粘結(jié)在一起。C組比AB、AC和BC組的質(zhì)量損失率都低，這是因?yàn)榕cC組試件相比摻混雜纖維的試件里鋼纖維摻量低，鋼纖維相比其他兩種纖維有更高的抗拉強(qiáng)度，對(duì)大裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展有更好的控制作用，阻裂性能更強(qiáng)；而且鋼纖維更容易分散，對(duì)混凝土整體結(jié)構(gòu)有更好的約束作用，使得鋼纖維在面板混凝土抗鹽凍性能中起主導(dǎo)作用，導(dǎo)致C組有更好的抗鹽凍性能。

3.2 相對(duì)動(dòng)彈性模量

鹽凍作用下單摻和混摻纖維面板混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量變化曲線如圖4所示。

圖4 鹽凍作用下單摻和混摻纖維面板混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量變化曲線

由圖4可知，摻入不同纖維的面板混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量在鹽凍循環(huán)初期下降較少，隨著鹽凍循環(huán)次數(shù)的增加，相對(duì)動(dòng)彈性模量下降幅度越來越大。這可能是因?yàn)樵谇治g后期，試件遭受氯鹽與凍融循環(huán)共同侵蝕，使得試件表皮剝落，抵抗彈性變形的能力變差，從而相對(duì)動(dòng)彈性模量降低更加明顯。在200次鹽凍循環(huán)之后，O、A、B、C、AB、AC、BC組試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量分別降低了36.89%、24.77%、22.70%、12.07%、19.98%、16.86%和13.72%，這7組混凝土試件在200次鹽凍循環(huán)后的相對(duì)動(dòng)彈性模量排序?yàn)镺聚丙烯腈纖維>聚丙烯纖維。由于本試驗(yàn)選取的纖維摻量低，纖維之間的團(tuán)聚效應(yīng)弱，其改善作用占主導(dǎo)地位，因此纖維摻量越多，試件的抗鹽凍性能越好。根據(jù)參考文獻(xiàn)[16]，通過分析混凝土試件凍融后的相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失率，確定A、B、AB、AC、BC和C組抗凍等級(jí)水平均大于F200，且C組抗鹽凍性能最優(yōu)。

3.3 抗壓強(qiáng)度

鹽凍作用下單摻和混摻纖維面板混凝土抗壓強(qiáng)度變化曲線如圖5所示。

圖5 鹽凍作用下單摻和混摻纖維面板混凝土抗壓強(qiáng)度變化曲線

由圖5可知，面板混凝土試件的抗壓強(qiáng)度隨著鹽凍循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低，各組次降低的幅度略有不同，在200次鹽凍循環(huán)之后，O、A、B、C、AB、AC、BC組試件的抗壓強(qiáng)度分別降低了32.27%、25.05%、23.06%、15.70%、21.14%、19.07%和17.08%。這是因?yàn)殡S著鹽凍循環(huán)次數(shù)的增加，面板混凝土試件受到氯鹽和凍融循環(huán)的共同作用，使得試件表皮剝落，試件內(nèi)部裂縫與孔隙加大，結(jié)構(gòu)疏松，導(dǎo)致混凝土試件的抗壓強(qiáng)度降低。

由圖5還可看出，摻纖維面板混凝土試件的抗壓強(qiáng)度高于普通面板混凝土，摻混雜纖維的試件大多比摻單一纖維的試件抗壓強(qiáng)度高。這7組混凝土試件在200次鹽凍循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度排序?yàn)镺

3.4 鹽凍損傷演變模型

鹽凍循環(huán)次數(shù)的增加增大了摻纖維面板混凝土的內(nèi)部損傷，抗壓強(qiáng)度呈逐漸下降趨勢(shì)。將O、A、B、C、AB、AC、BC 7組面板混凝土的抗壓強(qiáng)度下降幅度與鹽凍循環(huán)次數(shù)按公式(4)進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果見表4。

y=a+bx

(4)

根據(jù)表4可知，O組面板混凝土抗壓強(qiáng)度模型為y=-3.0909+0.0685x，C組面板混凝土抗壓強(qiáng)度模型為y=-1.7745+0.0444x。隨著鹽凍循環(huán)次數(shù)的增加，O組試件的抗壓強(qiáng)度下降幅度最大，說明內(nèi)部損傷程度最大；而C組試件的抗壓強(qiáng)度下降幅度最小，內(nèi)部損傷程度最小，抗鹽凍性能最好。7組面板混凝土數(shù)據(jù)擬合的決定系數(shù)R2均大于0.9，說明7組面板混凝土試件的鹽凍損傷演變模型精度較高。通過建立纖維面板混凝土鹽凍損傷演變模型，探明不同纖維種類面板混凝土鹽凍損傷的衰減規(guī)律和劣化過程，為實(shí)際工程應(yīng)用中預(yù)測(cè)纖維面板混凝土在鹽凍后的損傷程度提供可靠依據(jù)。

表4 7組試件抗壓強(qiáng)度與鹽凍循環(huán)次數(shù)線性擬合的相關(guān)參數(shù)

3.5 微觀結(jié)構(gòu)分析

200次鹽凍循環(huán)后摻纖維面板混凝土試件界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)分析如圖6所示。

圖6 200次鹽凍循環(huán)后各組次摻纖維面板混凝土試件界面過渡區(qū)(ITZ)微觀結(jié)構(gòu)

由圖6(a)可以看出，普通面板混凝土上覆蓋有大量水化產(chǎn)物，且鹽凍侵蝕后試件的界面過渡區(qū)(ITZ)較寬；圖6(b)中聚丙烯纖維摻量較低，抗鹽凍侵蝕有限，因此其ITZ微裂縫寬度與普通面板混凝土差距不大。圖6(b)和圖6(c)相比較，在同一纖維摻量的情況下，摻聚丙烯腈纖維的試件ITZ裂縫寬度較小，說明聚丙烯腈纖維阻裂性能更好，混凝土內(nèi)部粘結(jié)性更高，這也體現(xiàn)在了摻聚丙烯腈纖維面板混凝土的宏觀性能上面。由圖6(d)可看到一些水泥砂漿粘結(jié)在鋼纖維上，限制了裂縫的擴(kuò)展。并且鋼纖維面板混凝土的ITZ寬度較小，更有利于提高試件的耐久性。圖6(e)、(f)、(g)為摻混雜纖維面板混凝土經(jīng)200次鹽凍循環(huán)后得到的ITZ微觀形態(tài)?？梢钥闯?，摻混雜纖維的面板混凝土ITZ裂縫寬度均小于單摻聚丙烯及聚丙烯腈纖維面板混凝土的ITZ裂縫寬度，但相對(duì)單摻鋼纖維面板混凝土稍有增大，整體看來?yè)交祀s纖維有利于改善面板混凝土耐久性。

4 結(jié) 論

(1)在鹽凍過程中摻纖維面板混凝土試件的質(zhì)量損失率隨鹽凍循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，相對(duì)動(dòng)彈性模量和抗壓強(qiáng)度隨鹽凍循環(huán)次數(shù)增加而呈逐漸下降的趨勢(shì)。

(2)纖維的摻加方式對(duì)面板混凝土抗鹽凍性能影響較大，單摻鋼纖維的面板混凝土抗鹽凍性最優(yōu)，其次是混摻鋼纖維面板混凝土，再次是混摻聚丙烯纖維面板混凝土，單摻聚丙烯纖維面板混凝土抗鹽凍效果較差，但仍優(yōu)于普通面板混凝土，抗鹽凍性由弱到強(qiáng)排序?yàn)镺

(3)微觀試驗(yàn)結(jié)果表明摻纖維面板混凝土的界面過渡區(qū)裂縫寬度比普通面板混凝土小，纖維增加了砂漿和骨料之間的粘結(jié)性能，限制了鹽凍過程中微裂紋的擴(kuò)展，有利于提高面板混凝土的抗鹽凍耐久性，與宏觀試驗(yàn)結(jié)果一致。

(4)建立了普通面板混凝土、單摻和混摻纖維面板混凝土的鹽凍損傷演變模型，其抗壓強(qiáng)度下降幅度隨鹽凍循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律近似符合線性函數(shù)模型。