基于孔結(jié)構(gòu)分析的多尺度聚丙烯纖維混凝土耐久性

周興宇，楊鼎宜，朱從香，王彤章，趙學(xué)濤，劉 淼

(1.揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127； 2.揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

1 前 言

混凝土以優(yōu)異的施工性能和力學(xué)性能，在建筑行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，尤其在我國西部基礎(chǔ)建設(shè)以及港口、水利等領(lǐng)域均需大量使用混凝土材料。但混凝土內(nèi)部存在大小不同的孔，屬于多種孔徑相互并存的多孔復(fù)合材料，這些內(nèi)部孔隙為外部有害介質(zhì)的滲透、侵蝕提供了便利通道，因此，對(duì)于處于凍融循環(huán)、硫酸鹽侵蝕以及滲透地區(qū)的混凝土設(shè)計(jì)及應(yīng)用來說造成不小的麻煩，如何提高混凝土的耐久性能，已成為當(dāng)今熱門研究之一。研究發(fā)現(xiàn)，在混凝土中適當(dāng)?shù)靥砑永w維，可以有效改善其耐久性能。

劉飛、黃加圣等[1-3]以不同體積摻量的聚乙烯醇(PVA)纖維混凝土為研究對(duì)象，探究纖維摻量對(duì)混凝土抗凍融循環(huán)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)：適當(dāng)?shù)靥砑覲VA纖維，可以有效提高混凝土的抗凍融循環(huán)能力，體積摻量為0.1%時(shí)效果最優(yōu)。張晶、何銳等[4-7]基于硫酸鹽環(huán)境下，對(duì)硫酸鹽侵蝕循環(huán)前后的纖維混凝土性能(力學(xué)性能、耐腐蝕性能、基體脫落現(xiàn)象等)進(jìn)行探究，研究發(fā)現(xiàn)，高延性PVA纖維、鋼纖維、聚丙烯及其混摻纖維均能改善混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力，并改善硫酸鹽侵蝕后的力學(xué)性能。Guo[8]在25、40、60 ℃海水-海砂-混凝土環(huán)境中，進(jìn)行了碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維混凝土的耐久性試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)：在試驗(yàn)環(huán)境下，碳纖維摻入混凝土后，其耐久性提高較為明顯，其次是玻璃纖維混凝土、玄武巖纖維混凝土的耐久性均有所提高。岑國平等[9]為提高道面混凝土的耐久性，對(duì)單絲、網(wǎng)狀聚丙烯和聚丙烯腈纖維混凝土進(jìn)行了抗?jié)B性及抗凍性試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)纖維體積摻量為0.1%時(shí)，合成纖維混凝土的抗凍性和抗?jié)B性比普通道面混凝土提高了40%～160%。

上述研究內(nèi)容主要集中于纖維的摻量、種類對(duì)混凝土抗凍、抗硫酸鹽侵蝕、抗?jié)B等耐久性能的影響。有關(guān)摻加不同尺度的纖維對(duì)混凝土耐久性能影響的報(bào)道相對(duì)較少，因此，本研究通過對(duì)比多尺度纖維混凝土在抗?jié)B、抗硫酸鹽侵蝕循環(huán)、抗凍融試驗(yàn)中耐久性能的表現(xiàn)，并結(jié)合壓汞法測定其內(nèi)部孔徑大小及分布情況，從微觀角度分析不同尺度纖維對(duì)混凝土耐久性能的影響，為建筑領(lǐng)域合理地運(yùn)用多尺度聚丙烯纖維混凝土提供了科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊罁?jù)。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 原材料

試驗(yàn)原材料：強(qiáng)度等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥；Ⅱ級(jí)天然中砂，其細(xì)度模數(shù)為2.6；連續(xù)級(jí)配且最大粒徑為20 mm的碎石；Ⅱ級(jí)粉煤灰；自來水；聚羧酸超高性能減水劑，含固量為23%，減水率為30%。

聚丙烯纖維由南通新帝克單絲科技股份有限公司生產(chǎn)，表1為試驗(yàn)用聚丙烯纖維的性能參數(shù)，表2為本課題組得出的最優(yōu)混凝土配比。

表1 試驗(yàn)用聚丙烯纖維的性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of polypropylene fibers

表2 混凝土配合比Table 2 Concrete mix ratio kg·m-3

2.2 試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)流程

采用現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50082-2009[10]中規(guī)定的滲水高度法、硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)、快凍法進(jìn)行多尺度纖維混凝土的耐久性試驗(yàn)，通過測試混凝土滲水高度、凍融循環(huán)后的動(dòng)彈性模量、硫酸鹽侵蝕后的抗壓強(qiáng)度及耐腐蝕系數(shù)評(píng)價(jià)混凝土的耐久性能。

在壓汞試驗(yàn)過程中，由于混凝土內(nèi)部粗骨料的介入使得測試樣品組分出現(xiàn)不均勻情況，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大偏差?？紤]到去除粗骨料后對(duì)混凝土中水泥漿體的孔隙結(jié)構(gòu)影響較小，因此，采用去除粗骨料后的混凝土配比進(jìn)行壓汞試驗(yàn)[11]。

采用以上試驗(yàn)配合比，澆筑成100 mm×100 mm×100 mm立方體試件并進(jìn)行28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，通過切割、鉆芯、打磨的方式，將試件制作成直徑為(7±0.2) mm，長度為(2.6±0.2) mm的圓柱體作為試驗(yàn)試樣，采用Auto Pore IV 9500全自動(dòng)壓汞儀所配套的膨脹計(jì)對(duì)其進(jìn)行密封，如圖1；通過壓汞儀依次在低壓倉與高壓倉對(duì)試樣進(jìn)行進(jìn)汞試驗(yàn)，以完成混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的測定；其中，采用5 mL的固體膨脹計(jì)，壓汞儀壓力范圍為0.1～61000 psia，浸潤角為130°。

圖1 試驗(yàn)樣品密封于膨脹計(jì)中Fig.1 Test sample sealed in dilatometer

3 測試結(jié)果與分析

3.1 多尺度聚丙烯纖維混凝土抗?jié)B性能

由表3可以看出：四類混凝土的滲水高度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，表現(xiàn)為JZ>PPM>PPF>PPC，說明聚丙烯纖維的摻入能提高混凝土的抗?jié)B性能，其中PPC試件抗?jié)B性能最好，PPF試件次之，PPM試件一般，JZ試件最差。

表3 四類混凝土滲水高度Table 3 Four types of concrete seepage height

通常認(rèn)為混凝土內(nèi)部孔徑越小，抵抗外部液體滲入的阻力越大，亦即混凝土的抗?jié)B性越好[12]。吳中偉等[13]將混凝土內(nèi)孔洞按孔徑大小分為四類，(1)無害孔：孔徑小于20 nm；(2)少害孔：孔徑為20～100 nm；(3)有害孔：孔徑為100～200 nm；(4)多害孔：孔徑大于200 nm。結(jié)合圖2混凝土孔徑分布情況可以看出：JZ試件的有害孔與多害孔的含量之和最多，無害與少害孔的含量之和最少；相對(duì)于JZ試件，PPM、PPF、PPC試件內(nèi)部無害孔、少害孔的含量均出現(xiàn)大幅增長，100 nm以下的孔徑比例分別增長了2.78、2.51、4.03倍。并且四類混凝土的最可幾孔徑呈現(xiàn)下降趨勢，分別為239、50.4、40.3和7 nm。說明聚丙烯纖維均勻地分散在混凝土中，將較大孔徑分隔為細(xì)小孔徑，使得細(xì)小孔徑含量大幅增多，改善了混凝土內(nèi)部孔隙特征，增大了外界液體滲入混凝土內(nèi)部的阻力[14]，有效改善了混凝土的抗?jié)B性能。

圖2 混凝土孔徑分布曲線及不同孔徑區(qū)域占比Fig.2 Pore size distribution curves and pore area ratio of concrete (a) JZ, (b) PPF, (c) PPM, (d) PPC

3.2 多尺度聚丙烯纖維混凝土抗硫酸鹽侵蝕循環(huán)性能

混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下與硫酸鹽侵蝕循環(huán)條件下的抗壓強(qiáng)度，如表4所示，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50082-2009進(jìn)行測試，以受硫酸鹽侵蝕循環(huán)后的混凝土抗壓強(qiáng)度與同齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后的抗壓強(qiáng)度的比值(耐腐蝕系數(shù))來反映混凝土抗硫酸鹽侵蝕循環(huán)性能的優(yōu)劣。耐腐蝕系數(shù)按式(1)計(jì)算，算得四類混凝土的耐腐蝕系數(shù)如圖3所示。

(1)

表4 混凝土分別在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及硫酸鹽侵蝕循環(huán)條件下的抗壓強(qiáng)度Table 4 Compressive strength of concrete under standard maintenance and sulfate dry-wet cycle conditions MPa

式中：Kf為抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)(%)；fn為經(jīng)N次硫酸鹽侵蝕循環(huán)后的混凝土抗壓強(qiáng)度值(MPa)；fo為與硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)同齡期的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下混凝土抗壓強(qiáng)度值(MPa)。

從表4可以看出：在硫酸鹽侵蝕循環(huán)試驗(yàn)中，四類混凝土抗壓強(qiáng)度呈先增加后降低的趨勢。在30次侵蝕循環(huán)之內(nèi)，經(jīng)硫酸鹽侵蝕后混凝土抗壓強(qiáng)度增長幅度較同期養(yǎng)護(hù)的快。在30～90次侵蝕循環(huán)時(shí)，經(jīng)硫酸鹽侵蝕循環(huán)后混凝土抗壓強(qiáng)度增長幅度趨緩，說明隨著侵蝕次數(shù)增多，硫酸鹽等有害介質(zhì)逐漸滲透到基體內(nèi)部，損壞了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得混凝土性能衰退逐步明顯。在90～150次侵蝕循環(huán)時(shí)，四類混凝土的抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)大幅度下降，且比未受侵蝕時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度小。出現(xiàn)上述趨勢的主要原因如下[15]：

由于混凝土試件內(nèi)部本身存在一定的原始孔隙，當(dāng)硫酸鹽侵蝕循環(huán)在90次以內(nèi)時(shí)，隨著硫酸鹽侵蝕循環(huán)次數(shù)的增多，硫酸根離子逐漸侵入混凝土基體，在孔隙、裂縫內(nèi)部與氫氧化鈣(Ca(OH)2)、水化鋁酸鈣發(fā)生反應(yīng)生成鈣礬石和石膏等膨脹性產(chǎn)物，使得內(nèi)部原有的細(xì)小孔隙、裂縫得到了填充，混凝土變得更加密實(shí)。此外，在硫酸鹽侵蝕循環(huán)試驗(yàn)中存在烘干過程，為混凝土提供蒸養(yǎng)的條件，因此，在二者共同作用下混凝土強(qiáng)度在90次循環(huán)之內(nèi)得到了提升。

當(dāng)硫酸鹽侵蝕循環(huán)在90～150次時(shí)，隨著硫酸鹽侵蝕循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土內(nèi)部的鈣礬石和石膏等進(jìn)一步增多，孔隙、裂縫逐步填滿，并有向外部擴(kuò)張的趨勢，因此，導(dǎo)致混凝土原有的裂縫重新擴(kuò)展、新生的裂縫不斷增多，基體開始表現(xiàn)出明顯的劣化，抗壓強(qiáng)度大幅度下降。

從圖3可見，三類纖維混凝土試件的耐腐蝕系數(shù)均高于JZ試件，PPC試件的抗硫酸鹽侵蝕效果最好，PPF次之，PPM一般。說明聚丙烯纖維的摻入，能有效提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能；在粗、細(xì)聚丙烯纖維共同的作用下，混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能得到了進(jìn)一步提高。其主要原因是：纖維的摻入，使得混凝土內(nèi)部平均孔徑出現(xiàn)大幅度減小(如圖4)，細(xì)化了混凝土內(nèi)部孔隙，阻礙了硫酸根離子侵蝕混凝土的進(jìn)程，減緩了裂縫萌生、擴(kuò)展的速度，并且在粗、細(xì)聚丙烯纖維共同作用下，混凝土內(nèi)部裂縫的擴(kuò)展受到了纖維的抑制，因此，混凝土的抗硫酸鹽侵蝕循環(huán)能力得到了有效的增強(qiáng)。

圖3 混凝土耐腐蝕系數(shù)Fig.3 Corrosion resistance coefficient of concrete

圖4 四類混凝土內(nèi)部的平均孔徑/nmFig.4 Average pore size of four types of concrete

3.3 多尺度聚丙烯纖維混凝土的抗凍融循環(huán)性能

采用混凝土凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量的大小來反映抗凍融循環(huán)的能力，按式(2)進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中：f為混凝土試件經(jīng)N次凍融循環(huán)后的相對(duì)動(dòng)彈性模量(%)；PN為混凝土試件經(jīng)N次凍融循環(huán)后的橫向基頻(Hz)；PO為混凝土試件未經(jīng)凍融循環(huán)時(shí)的橫向基頻初始值(Hz)。

圖5為凍融循環(huán)后四類混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量的變化情況，由圖5可見：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，四類混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量均呈現(xiàn)下降趨勢；JZ試件的相對(duì)動(dòng)彈模量在前75次凍融循環(huán)中下降幅度較大，平均每25次循環(huán)下降9.5%；在75～100次凍融循環(huán)中，相對(duì)動(dòng)彈模量下降趨緩，下降了6.4%。隨著聚丙烯纖維的摻入，三類纖維混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量均比JZ試件高，在50次凍融循環(huán)后，相對(duì)動(dòng)彈性模量下降幅度開始出現(xiàn)明顯減緩，說明聚丙烯纖維的摻入能有效地緩解混凝土凍融損傷，提高混凝土的抗凍融能力。根據(jù)三類纖維混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量的大小，可以得出PPC試件抗凍融能力最好，PPF試件次之，PPM試件一般。

圖5 凍融循環(huán)后四類混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量的變化Fig.5 Change of relative dynamic elastic modulus of four kinds of concrete after freeze-thaw cycle

在抗凍試驗(yàn)過程中，當(dāng)水達(dá)到冰點(diǎn)時(shí)，其體積膨脹導(dǎo)致混凝土內(nèi)部孔隙產(chǎn)生凍脹應(yīng)力，隨著內(nèi)部冰的體積逐漸增大，該應(yīng)力將超過混凝土基體的極限抗拉強(qiáng)度，此時(shí)，裂縫開始產(chǎn)生并擴(kuò)展，混凝土基體出現(xiàn)顯著劣化，此時(shí)混凝土內(nèi)部孔隙特征影響著混凝土抗凍性能的優(yōu)劣。林宗壽[16]根據(jù)孔徑大小將混凝土孔隙分為凝膠孔、毛細(xì)孔和粗孔，并測得三類孔內(nèi)水的冰點(diǎn)也大不相同[14-20]，如表5所示。

表5 不同孔徑的孔內(nèi)部水的冰點(diǎn)Table 5 Ice points of water in different apertures

三類不同孔對(duì)混凝土抗凍融循環(huán)性能的影響各有不同：粗孔中含有相互獨(dú)立封閉且不易吸水飽和的空氣泡，在水凝結(jié)成冰后為混凝土提供了良好的緩沖作用，減緩了損傷應(yīng)力對(duì)混凝土基體的損傷[21]，因此，粗孔的存在對(duì)混凝土抗凍融循環(huán)性能的影響無法起到主導(dǎo)作用；此外，抗凍試驗(yàn)的溫度范圍在7～-20 ℃，結(jié)合表5可以得出：混凝土中毛細(xì)孔的存在對(duì)混凝土抗凍性能的影響較大[21]，而凝膠孔的也存在無法直接影響混凝土抗凍融循環(huán)性能的優(yōu)劣。

如圖6，四類混凝土中孔隙的孔徑累計(jì)曲線可以看出：相對(duì)于JZ試件，纖維混凝土中孔徑小于100 nm的孔隙(凝膠孔)含量明顯增多；PPM、PPF、PPC試件的毛細(xì)孔比例呈現(xiàn)下降的趨勢，分別為JZ試件的80.1%、65.2%、30.0%，這意味著含纖維混凝土內(nèi)部可能出現(xiàn)結(jié)冰情況的孔(>100 nm)的數(shù)量大幅度減小，分別為JZ試件的88.9%、83.7%、78.5%。說明聚丙烯纖維的摻入，細(xì)化了混凝土內(nèi)部的孔隙，減少了抗凍試驗(yàn)中可能出現(xiàn)結(jié)冰情況的孔含量，減小了混凝土內(nèi)部出現(xiàn)凍脹破壞的概率，明顯改善了混凝土抗凍能力。

(注：圖6縱坐標(biāo)為混凝土內(nèi)部孔體積的累積量，每處孔徑對(duì)應(yīng)的孔體積為大于該孔徑的孔體積總和)

4 結(jié) 論

1．在抗?jié)B試驗(yàn)中，聚丙烯纖維均勻分散在混凝土中，改善了混凝土內(nèi)部原有的孔隙特征，起到了分隔較大孔隙、細(xì)化混凝土內(nèi)部孔徑的作用，增大了外界液體滲入混凝土基體的阻力，提高了混凝土的抗?jié)B性能。

2．在抗硫酸鹽侵蝕循環(huán)試驗(yàn)中，聚丙烯纖維的摻入，使得混凝土內(nèi)部孔隙的平均孔徑出現(xiàn)大幅度減小，阻礙了硫酸根離子侵蝕混凝土基體的進(jìn)程，并且抑制了混凝土內(nèi)部裂縫的形成與擴(kuò)展，有效改善了混凝土抗硫酸鹽侵蝕循環(huán)的能力。

3．在抗凍融循環(huán)試驗(yàn)中，聚丙烯纖維的摻入，降低了抗凍試驗(yàn)中可能出現(xiàn)結(jié)冰情況的孔的比例，減小了混凝土內(nèi)部出現(xiàn)凍脹破壞的概率，明顯改善了混凝土抗凍融能力。

4．綜合對(duì)比四類混凝土三項(xiàng)耐久性能的測試結(jié)果以及孔結(jié)構(gòu)參數(shù)可以得出：聚丙烯纖維的摻入能改善混凝土的耐久性能，單摻聚丙烯細(xì)纖維對(duì)混凝土耐久性能的改善作用較單摻聚丙烯粗纖維要佳，粗、細(xì)聚丙烯纖維混摻對(duì)耐久性的改善作用效果更為顯著。