玄武巖-聚丙烯纖維增強混凝土電阻率模型*

孫 振，牛荻濤，張 路，張 劍

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安 710055；2.西安建筑科技大學(xué) 省部共建西部綠色建筑國家重點實驗室，西安 710055)

0 引 言

纖維增強混凝土是在混凝土中摻入短而不連續(xù)的纖維而形成的水泥基復(fù)合材料，常見的纖維有玄武巖纖維、聚丙烯纖維、鋼纖維、玻璃纖維和碳纖維等。纖維分散在混凝土基體中，它們的分布和取向受到邊界條件、混凝土流變性能和澆鑄過程的影響[1-3]?；炷林袚饺肜w維的目的是通過橋接離散裂縫來更好地控制斷裂過程，增加混凝土的斷裂能量，增強混凝土的韌性，從而提高混凝土的延性[4]。

電阻率作為一種評價水泥基材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的無損性能指標(biāo)越來越受到重視[5-7]。該方法測試成本低、操作簡單，而且為施工人員實時、不間斷地監(jiān)測現(xiàn)澆混凝土提供了可能[8-9]。已有研究表明，電阻率法可以評估混凝土的抗壓強度和彈性模量[10-11]、水泥基材料的抗氯離子侵蝕性能[12]以及嵌在混凝土中鋼筋的腐蝕風(fēng)險[13-16]等。由此表明，電阻率是表征混凝土整體性能的一個重要參數(shù)。

國內(nèi)外研究學(xué)者對碳纖維混凝土[17-18]以及鋼纖維混凝土電阻率[19-20]研究較多，而對玄武巖-聚丙烯纖維增強混凝土的電阻率研究較少。基于課題組前期研究成果，采用改進二電極交流電法[21-22]測試BPFRC電阻率，該方法克服了直流電試驗方法易發(fā)生極化反應(yīng)以及在長時間電壓作用下溶液產(chǎn)生熱量，干擾試驗數(shù)據(jù)的缺點，且交流電導(dǎo)測值與ASTM C1202電量測值有良好的相關(guān)關(guān)系；本文分析了纖維種類、混雜方式、摻量以及水膠比等因素對BPFRC電阻率的影響，并通過壓汞試驗，研究了BPFRC孔結(jié)構(gòu)，從機理上分析了BPFRC電阻率的差異。另外，基于本文試驗數(shù)據(jù)，考慮了環(huán)境溫度、濕度、纖維、水膠比等因素，建立了BPFRC電阻率模型。

1 實 驗

1.1 原材料及配合比

試驗選用膠凝材料為P.O.42.5R級普通硅酸鹽水泥、Ⅱ級粉煤灰、S95級礦渣粉、V2000-95級硅灰，其化學(xué)組成和物理性能分別如表1、2所示。玄武巖纖維(BF)及聚丙烯纖維(PF)的物理力學(xué)性能如表3所示。粗骨料為粒徑5～20 mm的涇陽山碎石，表觀密度為2.65 g/cm3，堆積密度為1.45 g/cm3。細骨料為灞河中砂，細度模數(shù)為2.8，表觀密度為2.65 g/cm3，堆積密度為1.44 g/cm3。拌合水為試驗室自來水。選用減水率為30%的聚羧酸高性能減水劑。

表1 膠凝材料的化學(xué)組成(kg/m3)

表2 膠凝材料的物理性能

表3 玄武巖纖維和聚丙烯纖維的物理力學(xué)性能

基于課題組前期研究[23]，得到了BPFRC的最優(yōu)配合比，如表4所示。其中，a-b-c中，a表示纖維種類，BC、PC、BPC分別表示單摻玄武巖纖維、單摻聚丙烯纖維以及混雜纖維；b表示混凝土強度；c表示纖維摻量(體積摻量)。如BPC-30-0.1：基準強度C30下，混雜纖維摻量為0.1%(0.05%BC+0.05%PC)。

表4 混凝土配合比

1.2 孔結(jié)構(gòu)測試

考慮到飽和稱重法測試孔隙率精確度不足，本文選用壓汞法測試混凝土的孔隙率，待混凝土試件養(yǎng)護90 d后，將混凝土試塊放在壓力機上劈開，隨機選用較小的混凝土試樣，測試孔結(jié)構(gòu)的大小。選用Auto Pore IV 9500型壓汞儀，測試不同纖維種類、混雜方式、摻量及水膠比下BPFRC的孔隙率和孔結(jié)構(gòu)分布。

1.3 改進交流電阻率測試方法

采用改進二電極交流電法[21-22]測BPFRC飽和電阻率，該方法克服了直流電壓下混凝土接觸部分發(fā)生極化反應(yīng)的缺點，并提高了測試的精確度。各配合比制作3個試塊，尺寸為100 mm×100 mm×50 mm，并在標(biāo)準條件下養(yǎng)護90 d；將試塊真空飽和完成后進行電阻率測試，其測試裝置如圖1所示。將試塊夾在試驗槽之間，端部與電極接觸，用螺栓固定試驗槽，試塊與試驗槽之間的縫隙用密封膠密封；密封膠固化后，將試驗槽平放，使注射口向上，注入3% NaCl；最后，連接試驗槽與交流測量設(shè)備，在設(shè)備上直接得到交流電阻值，并由式(1)計算BPFRC電阻率:

圖1 交流電阻率測試儀器

(1)

式中：L為試塊高度，取值50 mm；R為電阻實測值；A為試塊截面積，取值100 mm×100 mm；ρ為BPFRC電阻率，kΩ·cm。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 BPFRC孔結(jié)構(gòu)分析

通過對混凝土孔結(jié)構(gòu)的測試，得到了BPFRC的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，如圖2(a)、(b)所示。C30基準強度下，NC-30、BC-30-0.1、PC-30-0.1、BPC-30-0.1、BPC-30-0.2的總孔隙率分別為13.51%、14.05%、15.38%、14.59%、15.62%，相較于NC-30，BPFRC總孔隙率略有提高。而從圖2(b)可見，相較于NC-30，除BPC-30-0.2外，BPFRC無害孔(孔徑≤20 nm)較少，而其少害孔(孔徑≤50 nm)較多，多害孔(孔徑>200 nm)較少，增加50 nm以下的少害孔和減少200 nm以上的多害孔可改善和提高混凝土的性能[24]，這表明纖維的摻入優(yōu)化了混凝土的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)。最可幾孔徑是混凝土中形成連通孔道的最小孔徑值，NC-30、BC-30-0.1、PC-30-0.1、BPC-30-0.1、BPC-30-0.2的最可幾孔徑分別為54.5、50.4、54.5、54.4、55.5 nm，對比發(fā)現(xiàn)，BC-30-0.1、PC-30-0.1、BPC-30-0.1的最可幾孔徑均不大于NC-30，進一步驗證了適當(dāng)比例的纖維細化了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，增加了少害孔的數(shù)量。相較于NC-30，BPC-30-0.2無害孔(孔徑≤20 nm)和少害孔(孔徑≤50 nm)較少，最可幾孔徑較大，這表明纖維摻入比例過高，BPFRC中纖維間距較小并且出現(xiàn)重疊，導(dǎo)致BPFRC中纖維與水泥漿體粘結(jié)能力變差，產(chǎn)生了較多的多害孔(孔徑>200 nm)。

圖2 BPFRC孔結(jié)構(gòu)

同時，由圖4可得，BC-30-0.1、BC-40-0.1、BC-50-0.05總孔隙率分別為14.05%、11.59%、8.05%，不同基準強度下，隨著BPFRC強度等級的提高，總孔隙率依次下降，其中，無害孔(孔徑≤20 nm)的數(shù)量增加，多害孔數(shù)量(孔徑>200 nm)減少，少害孔(孔徑≤100 nm)數(shù)量變化不明顯。另外，測試得到BC-30-0.1、BC-40-0.1、BC-50-0.05的最可幾孔徑分別為50.4、52.3、52.3 nm，最可幾孔徑略有提高，而總孔隙率變化較大，在此總孔隙率對BPFRC的性能影響更為顯著。

圖4 BPFRC電阻率預(yù)測

2.2 BPFRC電阻率分析

選用改進二電極交流電法測試了BPFRC電阻率，得到了BPFRC電阻率，如圖3所示。C30基體下，相較于NC-30，PC-30-0.1、BC-30-0.1、BPC-30-0.1、BPC-30-0.2電阻率分別提高了11.3%、20.5%、29.4%、-23.0%。相較于NC-30，除BPC-30-0.2外，纖維的摻入有效提高了混凝土電阻率，其原因如下：混凝土水化伴隨著大量的干縮裂縫，降低了混凝土的密實程度，而玄武巖纖維的摻加在混凝土內(nèi)部形成一種亂向分布體系，能夠抑制和阻礙各種微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，有效地抑制連通裂縫的產(chǎn)生，改善混凝土的密實性，如2.1節(jié)分析，少害孔(孔徑≤50 nm)數(shù)量增加，多害孔(>200 nm)數(shù)量減少，最可幾孔徑減小，提高了混凝土電阻率[25]。另外，在混凝土拌制過程中，會產(chǎn)生分層離析現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土中引入大量的氣孔，提高了混凝土的孔隙率，降低了混凝土的密實度，而摻入聚丙烯纖維可以在混凝土中對骨料具有“承托”作用，顯著改善混凝土的分層離析現(xiàn)象，使得混凝土中少害孔(孔徑≤50 nm)增加，多害孔(>200 nm)減少，提高了混凝土電阻率。另外，在纖維摻量均為0.1% 時，相較于聚丙烯纖維，玄武巖纖維提高混凝土電阻率更為明顯，其原因如下：相較于聚丙烯纖維，玄武巖纖維單絲直徑較小，在摻量均為0.1%時，其單絲更多，在混凝土基體中分布更密集，在混凝土水化過程中更有效的限制初始裂縫的產(chǎn)生及擴展，從圖2(b)可見，BC-30-0.1中無害孔(孔徑≤20 nm)和少害孔(孔徑≤50 nm)的總比例明顯多于PC-30-0.1，改善了混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，提高了混凝土的密實性，增大了混凝土的電阻率。

圖3 BPFRC電阻率

相較于對照組NC-30，在混凝土中混摻適量體積(0.1%)的玄武巖纖維和聚丙烯纖維時，可以有效提高混凝土電阻率；而當(dāng)摻量達到0.2%時，降低了混凝土電阻率。下面對此結(jié)論進行分析：纖維的摻入提高了混凝土的密實程度，而混雜纖維且摻量為0.1%時綜合了兩種纖維的優(yōu)點，少害孔(孔徑≤50 nm)數(shù)量增多，多害孔(>200 nm)數(shù)量減少，進一步提高了混凝土的密實程度，提高了混凝土的電阻率。而對于混雜纖維且摻量為0.2%的混凝土，由于纖維摻量過大，混凝土內(nèi)纖維間距較小，產(chǎn)生重疊現(xiàn)象，如圖2(a)、(b)所示，混凝土孔隙率提高，無害孔(孔徑≤20 nm)數(shù)量減少，多害孔(>200 nm)數(shù)量增多，密實度下降嚴重，電阻率降低。

同時，不同強度下，相較于BC-30-0.1，BC-40-0.1、BC-50-0.05電阻率分別提高了18.3%和44.8%。對此試驗結(jié)論，本文進行了如下分析：根據(jù)2.1節(jié)實驗數(shù)據(jù)可得，相較于BC-30-0.1，BC-40-0.1增加了水泥和礦渣摻量，總孔隙率下降，無害孔(孔徑≤20 nm)的數(shù)量增加，使得其結(jié)構(gòu)更加致密，界面結(jié)構(gòu)得到改善，提高了混凝土電阻率；而BC-50-0.05則增加了水泥和礦渣摻量，降低了粉煤灰和硅灰的摻量，從而在保證工作性能的基礎(chǔ)上，減少了多余水分蒸發(fā)產(chǎn)生的毛細孔，以及增大磨細礦渣的含量一方面改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu)和級配，如圖2(a、b)所示，總孔隙率下降，無害孔(孔徑≤20 nm)數(shù)量增加，多害孔(>200 nm)數(shù)量減少，使孔細化，提高了混凝土的電阻率。

3 BPFRC電阻率模型

影響混凝土電阻率的因素眾多，主要有濕度、溫度、摻合料、齡期等[26-27]，研究者建立了諸多的模型，其中，宋華模型[26]主要考慮了礦物摻合料的影響，Sol-gaard模型[27]主要考慮了鋼纖維這一影響因素，而對玄武巖-聚丙烯纖維增強混凝土的電阻率，國內(nèi)外未曾有人研究，本文引入α、β、γ、χ、ε等參數(shù)，考慮纖維種類、摻量、混雜方式及水膠比對BPFRC電阻率的影響，建立公式(2)。

(2)

式中：α、β、γ、χ分別為水膠比、玄武巖纖維、混雜纖維及聚丙烯纖維對混凝土電阻率的影響系數(shù)；ε為常數(shù)；VB、VP分別為玄武巖纖維和聚丙烯纖維的體積摻量，%；ω/b為混凝土水膠比，對于C30、C40和C50混凝土分別取為0.44、0.38和0.29。

考慮到纖維摻量0.2%時，電阻率下降，BPFRC性能降低，實際工程中不采取，因此去掉本組數(shù)據(jù)，通過得到的18組數(shù)據(jù)擬合得到了BPFRC電阻率模型，其相關(guān)系數(shù)大于0.97，如公式(3)所示：

(3)

式(3)為真空保水情況下采用改進二電極交流電法得到的BPFRC電阻率模型，實際環(huán)境中，電阻率受到環(huán)境溫度、孔隙水飽和度的影響，Hope[28]經(jīng)過試驗研究和理論推導(dǎo)得到混凝土電阻率溫度影響系數(shù)，如式(4)所示。Gjoerv[29]對不同孔隙水飽和度的混凝土電阻率進行了試驗研究，本文對其試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到了孔隙水飽和度與混凝土電阻率的關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.99，如式(5)所示。而對混凝土孔隙水飽和度，其與混凝土所處環(huán)境濕度有關(guān)，Sun[30]采用式(6)、(7)來估算環(huán)境相對濕度和孔隙水飽和度的關(guān)系。

(4)

ρS=ρS-1.7567

(5)

S=RH-0.15(RH=50%～90%)

(6)

S=5RH-3.85(RH>90%)

(7)

最終，考慮到纖維、摻合料、水膠比、溫度、濕度等因素的影響，建立BPFRC電阻率模型，如式(8)、(9)所示。該BPFRC電阻率模型的擬合結(jié)果與試驗結(jié)果的一致性較好，各擬合結(jié)果與試驗結(jié)果的相關(guān)系數(shù)大于0.9，模型考慮的影響因素較多，此模型可較為方便地應(yīng)用于BPFRC電阻率的預(yù)測。

(8)

(9)

4 結(jié) 論

制備了玄武巖-聚丙烯纖維增強混凝土(BPFRC)，研究了不同水膠比及纖維種類、摻量、混雜方式等影響因素下BPFRC的電阻率和孔隙率，得到的主要結(jié)論如下：

(1)采用改進二電極交流電法測試BPFRC電阻率，該方法克服了直流電法易發(fā)生極化反應(yīng)以及在長時間電壓作用下溶液產(chǎn)生熱量，干擾試驗數(shù)據(jù)的缺點。

(2)C30基準強度下，相較于NC-30，BPFRC孔隙率略有提升，除了BPC-30-0.2，BPFRC無害孔較少，少害孔較多，最可幾孔徑較小，而BPC-30-0.2無害孔和少害孔均較少，最可幾孔徑較大；隨著BPFRC強度提高，孔隙率減小，無害孔增多，多害孔減少。

(3)C30基準強度下，相較于NC-30，PC-30-0.1、BC-30-0.1、BPC-30-0.1電阻率分別提高了11.3%、20.5%、29.4%、-23.0%；相較于BC-30-0.1、BC-40-0.1、BC-50-0.05，電阻率分別提高了18.3%和44.8%。

(4)基于本文測試數(shù)據(jù)，考慮了環(huán)境溫度、濕度、纖維、水膠比等因素建立了BPFRC電阻率模型。