多場耦合作用下聚丙稀纖維不同摻量對混凝土耐久性影響分析

劉建新　王恩愷

摘 要：為研究碳化環(huán)境、凍融循環(huán)和碳化-凍融耦合作用下的混凝土耐久性性能變化規(guī)律，在混凝土中配制了不同質(zhì)量分數(shù)的聚丙烯纖維進行測試分析。試驗結(jié)果顯示：在單一碳化環(huán)境下，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，混凝土的碳化深度呈現(xiàn)先減小而后增加的變化規(guī)律，其最佳摻量為2%；在單一凍融環(huán)境下，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，混凝土的抗壓強度呈現(xiàn)先增大而后減小的變化規(guī)律，其最佳摻量也為2%；在耦合環(huán)境作用下，混凝土的抗碳化性能和抗凍融性能相較于單一循環(huán)作用都要小。在相同的碳化循環(huán)下，凍融循環(huán)次數(shù)對混凝土的抗碳化性能影響很大；在相同的凍融循環(huán)下，碳化循環(huán)次數(shù)對混凝土的抗凍融性能影響較小。耦合環(huán)境作用會對混凝土的耐久性性能影響更大，在配制高性能混凝土中需要著重關(guān)注耦合作用對混凝土耐久性能的影響。

關(guān)鍵詞：碳化環(huán)境；凍融循環(huán)；耦合循環(huán)；聚丙烯纖維；混凝土；耐久性

中圖分類號：TQ342+.31 文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2023）06-0171-04

Analysis of durability of concrete subjected to polypropylene fiber addition field corrosion coupling

LIU Jianxin1，WANG Enkai2

（1.Qinghai Transportation Planning and Design Research Institute Co.， Ltd.，Xining 810001， Qinghai China;

2.Yizhang Hongyuan Chemicals Co.，Ltd.， Chenzhou 423000，Hunan China）

Abstract：In order to study the change rule of concrete durability under carbonation environment，freeze-thaw cycle and carbonation freeze-thaw coupling action，polypropylene fiber with different content was prepared in concrete for test and analysis.The test results show that in the single carbonation environment，with the increase of polypropylene fiber content，the carbonation depth of concrete presents the change rule of first decreasing and then increasing，and the best content is 2%;in the single freeze-thaw environment，with the increase of polypropylene fiber content，the compressive strength of concrete presents the change rule of first increasing and then decreasing，and the best content is 2%;in the coupling environment，the carbonation resistance and freeze-thaw resistance of concrete are smaller than that of single cycle.Under the same carbonation cycle，the number of freeze-thaw cycles has a great influence on the carbonation resistance of concrete.Under the same freeze-thaw cycle，the number of carbonation cycles has little effect on the freeze-thaw resistance of concrete.Coupling environmental effect will have a greater impact on the durability of concrete.In the preparation of high performance concrete，it is necessary to pay attention to the effect of coupling on the durability of concrete.

Key words：carbonation environment;freeze-thaw cycle;coupling cycle;polypropylene fiber;concrete;durability

混凝土作為使用最多的土木工程材料，而廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，如橋梁、建筑、水利大壩等。因而其使用環(huán)境會有著明顯的不同，混凝土的制備及性能要求也會有著明顯的不同［1］。因此許多專家學(xué)者分別研究了混凝土在不同環(huán)境下的性能變化規(guī)律，研究了不同纖維體積分數(shù)的玄武巖纖維、纖維素纖維和不同纖維長度的玄武巖纖維對C60高強混凝土抗凍性能的影響［2］。進行了不同引氣劑摻量混凝土在持續(xù)-3 ℃養(yǎng)護環(huán)境下的抗壓強度和凍融循環(huán)試驗［3］。分析了水泥混凝土受凍破壞的機理，探討了高寒地區(qū)水泥混凝土路面的抗凍技術(shù)［4］。

進一步的研究學(xué)者們發(fā)現(xiàn)在實際生活中，混凝土所處的環(huán)境往往不是單一的，而是復(fù)雜、融合的［5-14］。因此，也有不少研究學(xué)者開展了耦合場下混凝土的性能演變研究。通過COMSOL對混凝土進行了多場耦合模擬［15］。分析了荷載與環(huán)境因素耦合作用下結(jié)構(gòu)混凝土的耐久性與服役壽命［16］。等分析了粉煤灰混凝土的抗凍性與抗氯離子滲透性的耦合作用［17］。建立了濕熱耦合環(huán)境下氯離子的輸運模型，計算了混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命［18］。

上述研究學(xué)者主要通過計算機模擬來分析耦合環(huán)境下的混凝土性能演變規(guī)律。而本文主要以試驗為手段，對比單一環(huán)境和耦合環(huán)境對混凝土耐久性性能的影響［19］。因此，本文選用聚丙烯纖維作為混凝土的外加摻合料，分析不同含量的聚丙烯纖維對單一碳化環(huán)境下和單一凍融環(huán)境下混凝土耐久性性能的演變規(guī)律；進一步通過實驗得出聚丙烯纖維混凝土在耦合環(huán)境下的性能演變規(guī)律，得出耦合環(huán)境的影響，為今后高性能混凝土的制備提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

水泥：上海獲韜建材有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5R水泥，其化學(xué)組成成分由廠家提供，如表1所示。粗骨料和細骨料：青州市雙盈環(huán)保設(shè)備有限公司生產(chǎn)，其中粗骨料粒徑在10～20 mm，細骨料砂粒徑在0～5 mm；水：普通自來水。聚丙烯纖維：重慶振碩科技有限公司生產(chǎn)型的號為PP-6的聚丙烯纖維，其直徑約為7.2 μm，密度為0.92 g/cm3，抗拉強度為680 MPa。根據(jù)上述基本材料，對混凝土進行配制，其混凝土配合比如表2所示。

1.2 方法

根據(jù)混凝土制備方法和表2的混凝土配合比制備混凝土試塊，其長寬高均為150 mm；將制備成的混凝土試塊分為3組，第1組試塊放入南京安奈試驗設(shè)備有限公司生產(chǎn)的SC-020碳化箱中進行碳化試驗，其間隔分別為6 h、12 h、1d、2 d、4 d、7 d。第2組試塊放入浙江光年知新儀器有限公司生產(chǎn)的KDR-V9凍融箱中進行凍融循環(huán)試驗，其凍融循環(huán)次數(shù)分別為20、50、80、100、150、200次。第3組混凝土試塊則根據(jù)表3的試驗方案進行測試。對3組混凝土試塊實驗完畢后，分別測試混凝土的抗壓強度和碳化深度，其中混凝土的抗壓強度通過山東華拓試驗儀器有限公司生產(chǎn)的WAW萬能試驗機進行測量。對比耦合循環(huán)作用和單一循環(huán)作用下，混凝土的性能變化規(guī)律。

2 碳化循環(huán)下混凝土性能變化

在混凝土中分別摻入質(zhì)量分數(shù)為0%、0.5%、1%、1.5%、2%、3%的聚丙烯纖維，并在碳化箱中碳化6 h、12 h、1 d、2 d、4 d、7 d，得到了聚丙烯纖維摻量對混凝土的抗碳化性能的影響，結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，隨著聚丙烯纖維的摻量增加，混凝土的碳化深度先逐漸下降而后會出現(xiàn)上升的趨勢，如在碳化箱中碳化1 d時，素混凝土的碳化深度為10 mm；質(zhì)量分數(shù)0.5%的聚丙烯纖維混凝土的碳化深度為9 mm；質(zhì)量分數(shù)1%的聚丙烯纖維混凝土的碳化深度為8 mm；質(zhì)量分數(shù)1.5%的聚丙烯纖維混凝土的碳化深度為7 mm；質(zhì)量分數(shù)2%的聚丙烯纖維混凝土的碳化深度為5?? mm；質(zhì)量分數(shù)3%的聚丙烯纖維混凝土的碳化深度為30 mm。從圖1可以得出，聚丙烯纖維的最佳摻量為2%。這是因為，纖維的摻入能夠密實混凝土，降低混凝土的孔隙率，使得二氧化碳對混凝土的侵蝕作用下降；但當(dāng)摻入過多的聚丙烯纖維時，即水泥占比會相應(yīng)的減小，因此此時的混凝土抗碳化性能反而會下降。

從圖1還可得出，隨著碳化時間的增加，聚丙烯纖維混凝土的碳化深度在逐漸增加，并且增加值呈非線性增長趨勢。如當(dāng)聚丙烯纖維質(zhì)量分數(shù)為2%時，碳化6 h后的混凝土，其碳化深度為2 mm；碳化12 h后的混凝土，其碳化深度為3 mm；碳化1 d后的混凝土，其碳化深度為5 mm；碳化2 d后的混凝土，其碳化深度為9 mm；碳化4 d后的混凝土，其碳化深度為14 mm；碳化7 d后的混凝土，其碳化深度為20 mm。這是因為在碳化環(huán)境下，二氧化碳滲入混凝土的孔隙，進而破壞混凝土的結(jié)構(gòu)，而破壞程度隨著時間的增加而迅速增加。

3 凍融循環(huán)下混凝土性能變化

在混凝土中摻入質(zhì)量分數(shù)分別為0%、0.5%、1%、1.5%、2%、3%的聚丙烯纖維，并在凍融箱中凍融20、50、80、100、150和 200次，得到了聚丙烯纖維摻量對混凝土的抗凍融性能的影響，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，隨著聚丙烯纖維的摻量增加，混凝土的抗壓強度先逐漸上升而后會出現(xiàn)下降的趨勢，如在凍融箱中碳化80次時，素混凝土的抗壓強度為33.1 MPa；質(zhì)量分數(shù)0.5%的聚丙烯纖維混凝土的抗壓強度為33.6 MPa；質(zhì)量分數(shù)1%的聚丙烯纖維混凝土的抗壓強度為34.1 MPa；質(zhì)量分數(shù)1.5%的聚丙烯纖維混凝土的抗壓強度為34.7 MPa；質(zhì)量分數(shù)2%的聚丙烯纖維混凝土的抗壓強度為35.2 MPa；質(zhì)量分數(shù)3%的聚丙烯纖維混凝土的抗壓強度為34.9 MPa。從實驗結(jié)果可以得出，聚丙烯纖維的最佳摻量為2%。這是因為纖維的摻入能夠密實混凝土，降低混凝土的孔隙率，提高混凝土的抗凍性能；但當(dāng)摻入過多的聚丙烯纖維時，即水泥占比會相應(yīng)的減小，因此混凝土抗凍性能反而會下降。

從圖2還可得出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，聚丙烯纖維混凝土的抗壓強度在迅速下降，并且呈非線性增長趨勢。如當(dāng)聚丙烯纖維質(zhì)量分數(shù)為2%時，凍融循環(huán)20次后的混凝土，其抗壓強度為40.6 MPa；凍融循環(huán)50次后的混凝土，其抗壓強度為38.3 MPa；凍融循環(huán)80次后的混凝土，其抗壓強度為35.2 MPa；凍融循環(huán)100次后的混凝土，其抗壓強度為32.2 MPa；凍融循環(huán)150次后的混凝土，其抗壓強度為28.3 MPa；凍融循環(huán)200次后的混凝土，其抗壓強度為22.2 MPa。這是因為在凍融環(huán)境中，液態(tài)水會在混凝土的孔隙中反復(fù)結(jié)冰膨脹，破壞混凝土的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，降低混凝土的抗凍性能。

4 凍融-碳化循環(huán)下混凝土性能變化

根據(jù)表3的耦合試驗方案，分析碳化循環(huán)和凍融循環(huán)同時作用下，聚丙烯纖維混凝土的性能變化，結(jié)果如圖3所示。

從圖3（a）可以得出，耦合作用下的聚丙烯纖維混凝土的碳化深度比單一碳化循環(huán)作用下要大，當(dāng)碳化時間為6 h時，A組的碳化深度為4 mm（凍融循環(huán)20次），D組的碳化深度為7 mm（凍融循環(huán)100次），分別是單一碳化循環(huán)作用的2、3.5倍；當(dāng)碳化時間為12 h時，B組的碳化深度為6mm（凍融循環(huán)20次），E組的碳化深度為11 mm（凍融循環(huán)100次），分別是單一碳化循環(huán)作用的2、3.67倍；當(dāng)碳化時間為1 d時，C組的碳化深度為9 mm（凍融循環(huán)20次），F(xiàn)組的碳化深度為16 mm（凍融循環(huán)100次），分別是單一碳化循環(huán)作用的1.8、3.2倍?？梢?，在相同的碳化循環(huán)下，凍融循環(huán)次數(shù)對混凝土的抗碳化性能影響很大。

從圖3（b）可以得出，耦合作用下的聚丙烯纖維混凝土的抗壓強度比單一碳化循環(huán)作用下要小，當(dāng)凍融循環(huán)20次時，A組的抗壓強度為39.8 MPa（碳化時間6 h），B組的抗壓強度為39.3 MPa（碳化時間12 h），C組的抗壓強度為38.6 MPa（碳化時間1 d），分別是單一凍融循環(huán)作用的98.03%、96.80%、95.07%；當(dāng)凍融循環(huán)100次時，D組的抗壓強度為30.3 MPa（碳化時間6 h），E組的抗壓強度為29.7 MPa（碳化時間12 h），F(xiàn)組的抗壓強度為29.1 MPa（碳化時間1 d），分別是單一凍融循環(huán)作用的94.10%、92.24%、90.37%。可見，在相同的凍融循環(huán)下，碳化循環(huán)次數(shù)對混凝土的抗凍融性能影響較小。

5 結(jié)語

通過在混凝土中摻入質(zhì)量分數(shù)分別為0%、0.5%、1%、1.5%、2%、3%聚丙烯纖維，然后分析其在不同碳化時間（6 h、12 h、1 d、2 d、4 d、7 d）和不同凍融循環(huán)次數(shù)（20、50、80、100、150、200次）條件的耐久性性能變化規(guī)律。

（1）當(dāng)聚丙烯纖維的摻量為2%時，混凝土的抗碳化性能和抗凍融性能最好，因此建議在高性能混凝土的配制中摻入2%的聚丙烯纖維；

（2）凍融循環(huán)對混凝土耐久性性能的影響要大于碳化時間對混凝土耐久性性能的影響。這主要是因為兩種環(huán)境對混凝土孔結(jié)構(gòu)破壞形式不同導(dǎo)致的，一種是直接膨脹拉裂破壞；另一種是腐蝕破壞。因此，在配制高性能混凝土的過程中更需要關(guān)注于混凝土的抗凍融性能；

（3）耦合作用下的聚丙烯纖維混凝土的碳化深度比單一碳化循環(huán)作用下要大，抗壓強度則比單一碳化循環(huán)作用下要小?？梢婑詈檄h(huán)境作用會對混凝土的耐久性性能影響更大，因此，在配制高性能混凝土中需要著重關(guān)注耦合作用對混凝土耐久性能的影響。

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收稿日期：2023-02-04；修回日期：2023-06-06

作者簡介：劉建新（1975-），男，碩士，高級工程師，主要從事交通運輸工程、公路勘察設(shè)計;E-mail：454983031@qq.com。

引文格式：劉建新，王恩愷.多場耦合作用下聚丙稀纖維不同摻量對混凝土耐久性影響分析[J].粘接，2023，50（6）：171-174.