氯鹽侵蝕纖維混凝土的損傷劣化規(guī)律

劉建軍,王新科,黃 瑞,喬宏霞,李江川,李?yuàn)W陽

(1.甘肅第六建設(shè)集團(tuán)股份有限公司,甘肅 蘭州 730046;2.蘭州理工大學(xué) 西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心,甘肅 蘭州 730050)

1 前 言

我國沿海地區(qū)及西北鹽漬土地區(qū)進(jìn)行地下工程和大型工程地基建設(shè)時(shí),混凝土結(jié)構(gòu)往往處于氯鹽侵蝕環(huán)境中,含有游離氯離子的地下水不僅會(huì)滲入混凝土內(nèi)部孔隙造成混凝土結(jié)構(gòu)的損傷,還會(huì)引起混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕,嚴(yán)重降低混凝土結(jié)構(gòu)安全及使用壽命。僅采用普通混凝土進(jìn)行建設(shè)的建筑物服役年限較短,導(dǎo)致反復(fù)建設(shè)造成人力物力浪費(fèi),產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此有必要采取相應(yīng)措施提高混凝土的耐久性。

在混凝土中摻入纖維是提高混凝土耐久性和強(qiáng)度的重要方法之一,相關(guān)研究成果頗豐。商冉[1]研究了鋼纖維(SFs)摻量對(duì)SFs輕骨料混凝土性能的影響,認(rèn)為SFs可以有效抑制氯鹽侵蝕環(huán)境下SFs輕骨料混凝土的質(zhì)量損失和氯離子的滲入。侯慧芳、閆敏[2]對(duì)氯鹽侵蝕環(huán)境下不同聚乙烯醇纖維摻量條件下水泥基復(fù)合材料的質(zhì)量損失率進(jìn)行研究,指出聚乙烯醇纖維能抑制試件的質(zhì)量損失,當(dāng)聚乙烯醇纖維含量為1.5%時(shí)試件的質(zhì)量損失率最小。王磊等[3]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在混凝土中摻入適量聚丙烯纖維可以顯著提高混凝土的抗氯離子侵蝕能力,體積摻量為0.1%時(shí)效果最好。譚業(yè)文等[4]研究了粉煤灰摻量對(duì)混凝土抗氯鹽侵蝕性能的影響,認(rèn)為粉煤灰能改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)特征,明顯降低混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)。何軍擁等[5]發(fā)現(xiàn)在水工混凝土中摻加0.9 kg/m3的玄武巖纖維可以使抗?jié)B性能提高35.3%。王凱等[6]認(rèn)為SFs、聚丙烯纖維混摻時(shí)能提高混凝土的長期耐久性,經(jīng)歷200 d養(yǎng)護(hù)后氯離子滲透系數(shù)降低30.5%。其他學(xué)者也對(duì)纖維在混凝土中發(fā)揮的強(qiáng)化作用進(jìn)行了研究[7-12],普遍認(rèn)為不同種類纖維可以一定程度提高混凝土的耐久性和強(qiáng)度。將不同種類、長徑比的纖維混摻使其發(fā)揮正協(xié)同效應(yīng)的混雜纖維混凝土性能研究已成為目前的熱點(diǎn)方向。

本研究通過氯鹽浸泡試驗(yàn),以粉煤灰質(zhì)量替代率、SFs及聚乙烯醇纖維摻量為變化因子,通過相對(duì)動(dòng)彈性模量、質(zhì)量損失率、抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的衰減規(guī)律分析混雜纖維混凝土的損傷規(guī)律,并定義了損傷度參數(shù)來建立氯鹽侵蝕環(huán)境下混雜纖維混凝土的損傷模型,以此對(duì)纖維混凝土長期損傷程度進(jìn)行預(yù)測。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 原材料

水泥:普通硅酸鹽水泥,強(qiáng)度等級(jí)42.5;粗集料:級(jí)配連續(xù)的天然碎石,表觀密度2700 kg/m3;細(xì)集料:細(xì)度模數(shù)為3.18的河砂;細(xì)度≤20的Ⅱ級(jí)粉煤灰,其主要參數(shù)見表1;蘭州市自來水;羥系減水劑,減水率20%;SFs和聚乙烯醇(PVA)纖維,主要性能見表2。

表1 粉煤灰主要指標(biāo)Table 1 Main indexes of fly ash

表2 擬摻加纖維物理性能Table 3 Physical properties of fibers

取粉煤灰比例、PVA 摻量、SFs摻量作為影響因子設(shè)計(jì)混凝土原料配比正交試驗(yàn)。見表3。

表3 混凝土配合比正交試驗(yàn)參數(shù)Table 3 Orthogonal mix ratio of concrete

2.2 試驗(yàn)過程和方法

稱取對(duì)應(yīng)質(zhì)量的上述原料,按照二次投料法用強(qiáng)制式攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌,保證纖維在混凝土中分散均勻。然后注入模具并置于振動(dòng)臺(tái)上振搗抹平。

間隔24 h后脫模,隨后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行28 d養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)完成后開始氯鹽浸泡試驗(yàn):首先將試件放入自來水中浸泡4 d,以保證試件飽水。測出初始數(shù)據(jù)后放入NaCl溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%)中。每隔25 d取出若干100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試件并測定其相對(duì)動(dòng)彈性模量、質(zhì)量損失和抗壓強(qiáng)度,同時(shí)測定100 mm×100 mm×400 mm 試件的劈裂抗拉強(qiáng)度。為保證NaCl溶液濃度基本不變,該溶液每7 d更換一次。試驗(yàn)齡期共為150 d。按照《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 50746-2012)[13],測試過程中如果出現(xiàn)動(dòng)彈性模量損失率超過40%或者質(zhì)量損失率超過5%,則試件視為破壞,該組試件測試結(jié)束。

2.3 數(shù)據(jù)處理

參照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[14-15]定義混凝土試件的質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量表達(dá)式。

定義氯鹽浸泡后試件質(zhì)量損失率W的表達(dá)式為式(1):

式中:G0為試件浸泡試驗(yàn)前的質(zhì)量;G n為試件浸泡n天后的質(zhì)量。

定義氯鹽侵蝕后試件相對(duì)動(dòng)彈性模量E r的表達(dá)式為式(2):

式中:f n為浸泡第n天的橫向共振頻率;f0是試件浸泡試驗(yàn)前的橫向共振頻率。

3 結(jié)果與分析

3.1 纖維混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失率

將計(jì)算所得數(shù)據(jù)匯總繪制圖1及圖2,分析判斷混凝土劣化情況。五組試件整體變化趨勢相似,纖維混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量均出現(xiàn)損失,說明試件浸入溶液后,由于混凝土內(nèi)外游離氯離子的濃度差,促使氯離子通過擴(kuò)散進(jìn)入試件孔隙,導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)逐漸出現(xiàn)損傷。

圖1 氯鹽侵蝕作用下混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量變化曲線Fig.1 Variation curves of relative dynamic elastic modulus

圖2 氯鹽侵蝕作用下混凝土質(zhì)量損失率變化曲線Fig.2 Curves of mass loss under chloride erosion under chloride erosion

從圖1可以明顯看出JZ組斜率最大,且與摻有纖維的四組混凝土試件有較大差別。到侵蝕齡期150 d時(shí),JZ組動(dòng)彈性模量損失了16.3%,SPC-1 和SPC-3次之,分別是13.2%和11.9%,比JZ 組少損失超過3%,SPC-4和SPC-2組損失更少,動(dòng)彈性模量損失分別為10.5%和8.8%。可見纖維的摻入有效提高了混雜纖維混凝土的氯離子抗?jié)B能力,以SPC-2組效果最好,該組SFs纖維體積摻量為2%、PVA 纖維摻量為0.1%,粉煤灰的體積替代率為30%。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),粉煤灰體積替代率和PVA 纖維摻量較高時(shí)試件相對(duì)動(dòng)彈性模量損失最少,這是由于粉煤灰有利于提高混凝土的密實(shí)度,而PVA 纖維直徑較小,與混凝土的粘結(jié)性較強(qiáng),可以有效阻止微裂縫的產(chǎn)生。值得注意的是SFs纖維的摻量對(duì)相對(duì)動(dòng)彈性模量的提升效果沒有其它兩個(gè)因素大,未能起到控制作用。這是由于SFs纖維直徑較大,與混凝土之間的連接僅靠粘結(jié)力和機(jī)械咬合力,對(duì)大裂縫控制效果好而對(duì)微裂縫控制效果較弱。

圖2反映了氯鹽侵蝕作用下混凝土質(zhì)量損失率的變化,圖2和圖1呈現(xiàn)一定的相關(guān)性。幾組數(shù)據(jù)中,侵蝕齡期達(dá)到150 d時(shí),質(zhì)量損失率最高的是JZ組混凝土,達(dá)到了1.14%,SPC-3 和SPC-1 次之,分別為0.95%、0.88%,SPC-4和SPC-2組損失最小,質(zhì)量損失率分別為0.74%和0.87%。0.1%摻量PVA 纖維和2%摻量SFs纖維的纖維組合相對(duì)JZ 組對(duì)裂縫的抑制效果提高了0.4%,原因是PVA 纖維尺寸較小,在混凝土內(nèi)部呈三維亂向分布,同時(shí)其與混凝土基體具有良好的親和性,對(duì)微觀裂縫的產(chǎn)生起到抑制效果;SFs纖維特點(diǎn)是高彈模、高強(qiáng)度,且纖維直徑較大,在混凝土中充當(dāng)骨架起到橋接作用,其波浪形外表也可以增強(qiáng)與混凝土的機(jī)械咬合力。因此兩種纖維發(fā)揮協(xié)同作用,充分彌補(bǔ)混凝土的開裂缺陷。同時(shí)注意到SFs纖維體積摻量2%比4%對(duì)混凝土質(zhì)量損失抑制效果更好,原因是較多摻量的SFs纖維對(duì)混凝土性能會(huì)產(chǎn)生不利影響,增大其與混凝土間的接觸面積,而接觸面為混凝土薄弱環(huán)節(jié)[16],成為氯離子入侵的通道;同時(shí)氯離子會(huì)對(duì)SFs纖維產(chǎn)生銹蝕反應(yīng),反應(yīng)物產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力進(jìn)一步破壞試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)。當(dāng)體積摻量為4%時(shí)不利影響變大,故2%摻量SFs纖維增強(qiáng)效果較好。粉煤灰體積替代率為30%時(shí)效果較好,原因是粉煤灰可以填充混凝土內(nèi)部空隙,同時(shí)會(huì)發(fā)生二次水化反應(yīng)[17],反應(yīng)產(chǎn)物填充孔隙進(jìn)一步提高了混凝土的密實(shí)度,增強(qiáng)了纖維混凝土的氯離子抗?jié)B能力。

圖2中5組試件早期(0～25 d)斜率較小,質(zhì)量損失率差別較小,而到試驗(yàn)后期(100～150 d)損傷速度明顯加快。這是因?yàn)樵缙诨炷翐p傷并不明顯,隨著混凝土內(nèi)部裂縫的增大會(huì)吸收更多NaCl溶液,導(dǎo)致質(zhì)量損失速率變快。如圖3所示,隨著后期侵蝕現(xiàn)象嚴(yán)重,混凝土表面出現(xiàn)蝕坑,外層混凝土開始剝落,外表面與溶液接觸面積增大進(jìn)一步提高了侵蝕速度,導(dǎo)致后期質(zhì)量損失增大。

圖3 試件表面侵蝕剝落情況Fig.3 Erosion and spalling of specimen surface

3.2 混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度

圖4和圖5分別為混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度隨氯鹽溶液侵蝕時(shí)間的變化曲線。

圖4 混凝土抗壓強(qiáng)度隨NaCl溶液侵蝕時(shí)間的變化曲線Fig.4 Curves of compressive strength of concrete

圖5 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度變化曲線Fig.5 Curves of tensile strength of concrete

對(duì)圖4所示數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,五組試件中混凝土強(qiáng)度隨SFs摻量的增加而提高。從侵蝕時(shí)間0 d為例,不含SFs的JZ 組強(qiáng)度最低,為43.54 MPa;含4%SFs的SPC-3和SPC-4的強(qiáng)度分別達(dá)48.73和48.94 MPa,比JZ組分別提高了11%。由此可見,SFs摻量是混凝土抗壓強(qiáng)度提高的主要因素。這是由于SFs纖維相較混凝土基體彈性模量更高,SFs摻量較高時(shí),SFs纖維在混凝土內(nèi)部交錯(cuò)分布,當(dāng)混凝土內(nèi)部出現(xiàn)多點(diǎn)開裂時(shí),貫穿裂縫的SFs纖維可以分擔(dān)拉應(yīng)力[18],使混凝土受力更加均勻,從而抑制裂縫發(fā)展,因此使混凝土抗壓強(qiáng)度提高。SPC-1、SPC-2 以及SPC-3、SPC-4 兩組曲線數(shù)據(jù)相差較小,可見PVA 纖維和粉煤灰的摻量是抗壓強(qiáng)度次要影響因素。觀察圖中曲線波動(dòng)趨勢可以看出各組混凝土前期抗壓強(qiáng)度損失速率較為一致,侵蝕齡期達(dá)75 d以后JZ組混凝土抗壓強(qiáng)度損失速率與其它各組相比明顯更快。說明纖維和粉煤灰的加入對(duì)混凝土強(qiáng)度損失起到了較好的抑制作用,其中SFs纖維和PVA 纖維充分發(fā)揮混雜纖維的正協(xié)同作用,減少混凝土內(nèi)部縫隙產(chǎn)生,延緩混凝土抗壓強(qiáng)度損傷速度。

混凝土是一種抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度的材料,提高混凝土韌性非常重要。從圖5可以看出,含4%體積摻量的SFs纖維和0.1%體積摻量PVA 纖維的SPC-4組初始強(qiáng)度為5.48 MPa,較基準(zhǔn)組混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度3.65 MPa提高了50.1%;4%體積摻量SFs纖維增韌效果比2%體積摻量SFs纖維好;SFs纖維摻量不變時(shí),0.1%體積摻量的PVA 纖維效果更好。原因是SFs纖維與混凝土結(jié)合不僅依靠與基體的粘結(jié)力,同時(shí)借助其波浪外形與混凝土產(chǎn)生機(jī)械咬合力,可以延緩?fù)饬ψ饔孟麓罅芽p的產(chǎn)生。同時(shí)PVA纖維彈性模量相對(duì)較小,直徑較小,在混凝土中分布更加均勻,在破壞初期產(chǎn)生延緩小裂縫增大的作用。所以兩種纖維混摻產(chǎn)生的協(xié)同作用可以有效提高混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。

4 氯鹽侵蝕環(huán)境下纖維混凝土損傷模型分析

質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量都是混凝土損傷過程中的變量,但是考慮到氯鹽侵蝕作用下混凝土試件質(zhì)量損失率在試驗(yàn)前期會(huì)因?yàn)槁塞}溶液填充縫隙導(dǎo)致斜率平緩,后期會(huì)因?yàn)榛炷镣獗砻娉霈F(xiàn)剝落導(dǎo)致斜率增大,不能較好反映混凝土損傷情況,因此采用相對(duì)動(dòng)彈性模量作為混雜纖維混凝土損傷模型的基本變量。定義損傷度D e如式(3)所示:

式中:D e為損傷度;E n為第n天后的動(dòng)彈性模量;E0為浸泡試驗(yàn)前的動(dòng)彈性模量,E r為第n天相對(duì)動(dòng)彈性模量。結(jié)果如圖6所示。

圖6 損傷度De 隨侵蝕時(shí)間的變化曲線Fig.6 Curves of damage degree De with erosion time

同時(shí)考慮以抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度為變量的損傷模型,定義此模型如式(4)所示:

式中:f n為第n天的抗壓強(qiáng)度(或劈裂抗拉強(qiáng)度);f0為初始抗壓強(qiáng)度(或劈裂抗拉強(qiáng)度)。結(jié)果如圖7、8所示。

圖7 損傷度D(抗壓強(qiáng)度)隨侵蝕時(shí)間的變化曲線Fig.7 Curves of damage degree D (compressive strength)changing with erosion time

以相對(duì)動(dòng)彈性模量為變量定義的損傷模型如圖6所示。圖中損傷度的變化可以直觀反映試件損傷程度,其中JZ組斜率最大,損傷最嚴(yán)重,摻加纖維的4組損傷程度依次為:SPC-1＞SPC-3＞SPC-4＞SPC-2。圖7、8能夠較好地反映摻加纖維混凝土對(duì)比普通混凝土在氯鹽侵蝕環(huán)境下對(duì)混凝土損傷的抑制效果,但對(duì)不同纖維摻量、粉煤灰摻量產(chǎn)生的影響程度反映得并不明確,綜合來看采用相對(duì)動(dòng)彈性模量定義的損傷模型對(duì)試件劣化程度反映得更確切。

圖8 損傷度D(劈裂抗拉強(qiáng)度)隨侵蝕時(shí)間的變化曲線Fig.8 Change curves of damage degree D (splitting tensile strength)with erosion time

研究認(rèn)為[19],二次多項(xiàng)式函數(shù)模型能較好地反映纖維混凝土劣化規(guī)律。因此通過建立二次多項(xiàng)式函數(shù)對(duì)混凝土損傷度進(jìn)行擬合,定義式(5)為氯鹽浸泡環(huán)境下纖維混凝土的函數(shù)衰減模型:

式中:a,b為材料系數(shù);N表示試件浸泡天數(shù)。

將以相對(duì)動(dòng)彈性模量、抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度為變量定義的損傷度數(shù)據(jù)代入式(5)進(jìn)行擬合,得到下列擬合模型參數(shù)如表4～6所示。

表4 損傷度De 經(jīng)時(shí)變化函數(shù)相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficient of time varying function of damage degree De

表5 損傷度D(抗壓強(qiáng)度)經(jīng)時(shí)變化函數(shù)相關(guān)系數(shù)Table 5 Correlation coefficient of time varying function of damage degree D (compressive strength)

表6 損傷度D(劈裂抗拉強(qiáng)度)經(jīng)時(shí)變化函數(shù)相關(guān)系數(shù)Table 6 Time varying function correlation coefficient of damage degree D (splitting tensile strength)

分析表4～6中數(shù)據(jù),相對(duì)動(dòng)彈性模量、抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度三類變量定義的二次函數(shù)損傷模型相關(guān)系數(shù)R2均達(dá)到了0.98 以上,說明三種損傷模型擬合程度良好。利用建立的二次函數(shù)損傷模型可以較好地預(yù)測氯鹽侵蝕環(huán)境下纖維混凝土的損傷劣化情況。

5 結(jié) 論

1.摻入SFs纖維、PVA 纖維以及加入粉煤灰均能對(duì)氯鹽侵蝕作用下混凝土的劣化起到抑制作用。其中當(dāng)SFs纖維體積摻量為2%、PVA 纖維體積摻量為0.1%、粉煤灰質(zhì)量替代率為30%時(shí),抑制效果最好,相對(duì)基準(zhǔn)混凝土,150 d侵蝕齡期后相對(duì)動(dòng)彈性模量提高7.5%,質(zhì)量損失率降低0.4%。2%體積摻量的SFs纖維和0.1%體積摻量的PVA 纖維混摻發(fā)揮正協(xié)同效應(yīng),共同抑制混凝土內(nèi)部裂縫發(fā)展;30%摻量的粉煤灰可以提高混凝土密實(shí)度,減少混凝土內(nèi)部孔隙。該配比使混凝土抗氯鹽侵蝕能力增強(qiáng),提高了混凝土的耐久性。

2.混雜纖維的加入對(duì)氯鹽侵蝕作用下混凝土力學(xué)性能的提高同樣明顯,4%體積摻量的SFs纖維混凝土抗壓強(qiáng)度提高11%,0.1%體積摻量的PVA 纖維和4%體積摻量的SFs纖維協(xié)同作用對(duì)混凝土韌性提升顯著,對(duì)比基準(zhǔn)組混凝土,劈裂抗拉強(qiáng)度提升了50.1%。同時(shí)對(duì)抑制氯鹽侵蝕下混凝土強(qiáng)度損失也發(fā)揮了較好作用。

3.定義損傷度對(duì)混凝土損傷機(jī)理進(jìn)行分析,以相對(duì)動(dòng)彈性模量為變量的損傷模型對(duì)混凝土在氯鹽侵蝕環(huán)境下的損傷程度反映得更為確切。用二次函數(shù)建立的以動(dòng)彈性模量、抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度為變量的損傷模型對(duì)混凝土損傷數(shù)據(jù)擬合程度較高,可以較好地預(yù)測混雜纖維混凝土損傷劣化規(guī)律。