摻PVA纖維水工混凝土抗凍性研究

李永文

(盤山縣農(nóng)業(yè)水利事務(wù)服務(wù)中心,遼寧 盤錦 124000)

氯鹽侵蝕、凍融等環(huán)境因素是導(dǎo)致水泥基材料性能及其水工混凝土使用壽命縮短和性能退化的重要原因,特別是北方地區(qū)水工結(jié)構(gòu)主要是凍融破壞,單面鹽凍環(huán)境下的水工混凝土凍融破壞反映了水利工程的實(shí)際情況[1]。目前,許多研究者探討了普通混凝土凍融損傷作用,如牛荻濤等結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照三參數(shù)Wei bull分布建立凍融循環(huán)次數(shù)與混凝土損傷量之間的關(guān)系曲線,探討了抗凍性受含氣量、粉煤灰用量和水膠比因素的影響,通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析構(gòu)建了凍融損傷模型;劉曙光等利用快凍試驗(yàn)揭示了水泥基復(fù)合材料抗凍性受鹽凍環(huán)境下PVA纖維摻量的影響作用,提出凍融次數(shù)與損傷量之間的關(guān)系;閆長旺等揭示了隨深度變化摻PVA纖維水泥基砂漿材料的Cl-濃度變化趨勢;王建剛等研究發(fā)現(xiàn)Cl-擴(kuò)散系數(shù)主要受孔隙率及孔隙結(jié)構(gòu)的影響,混凝土孔隙曲率與Cl-擴(kuò)散系數(shù)呈負(fù)相關(guān)性;鐘俊飛等系統(tǒng)分析了不同纖維摻量的混凝土滲透性,結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出PVA纖維摻量與電通量間的關(guān)系模型;徐世烺等研究了PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料性能受滲透、碳化、凍融等單因素的影響作用,結(jié)果顯示該復(fù)合材料表現(xiàn)出較好的耐久性能[2-7]。

北方地區(qū)水利工程通常會受到凍融循環(huán)與氯鹽環(huán)境、凍融循環(huán)與荷載、荷載與氯鹽環(huán)境、腐蝕與凍融及荷載等多種不利因素的共同作用[8]。因此,對多種因素共同作用下水工混凝土的性能變化研究還較少。文章利用快速凍融試驗(yàn)探討了淡水和氯鹽環(huán)境下PVA纖維對水工混凝土耐久性指數(shù)、外觀形貌、相對動彈模量Erd和質(zhì)量損失率的影響作用,并進(jìn)一步揭示氯鹽的作用機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 方案設(shè)計

試驗(yàn)所用原材料主要有P·O 42.5R級普通硅酸鹽水泥、聚羧酸高性能減水劑、石英砂、F類Ⅰ粉煤灰、粒徑5～20mm碎石和聚乙烯醇PVA纖維,其物理性能指標(biāo),見表1。

表1 PVA纖維主要性能指標(biāo)

文章依據(jù)現(xiàn)行試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)將拌合物制成400mm×100mm×100mm的試件,配置3.5%的氯化鈉溶液作為氯鹽環(huán)境,試驗(yàn)條件及相關(guān)參數(shù)設(shè)計,見表2。

表2 試驗(yàn)方案設(shè)計

1.2 試驗(yàn)方法

將成型標(biāo)養(yǎng)28d的試件分組放入3.5%氯化鈉溶液和(20±2)℃水中,試件頂面距離液面不低于25mm,浸泡4d使試件處于飽水狀態(tài),然后利用快速凍融裝置按照“快凍法”測試混凝土的抗凍性。試驗(yàn)前測定混凝土初始質(zhì)量和相對動彈模量Erd,控制凍結(jié)與融化時間各2h,一個循環(huán)周期為4h,每凍融循環(huán)25次測定一次試件質(zhì)量和相對動彈模量Erd,在凍融循環(huán)過程中控制試件中心溫度(10±2)℃和(-15±2)℃。本試驗(yàn)以質(zhì)量損失率超過5%、相對動彈模量Erd減小60%以上、試件嚴(yán)重破壞或凍融循環(huán)300次作為凍融試驗(yàn)終止條件。

1.3 數(shù)據(jù)計算

試驗(yàn)選用相對動彈模量Erd、質(zhì)量損失率△Wn和耐久性指數(shù)Kn評價PVA纖維水工混凝土的抗凍性能,計算公式如下:

(1)

(2)

Kn=Erd×nmax/300

(3)

式中:Erd、△Wn為凍融循環(huán)n次時混凝土的相對動彈模量,%和質(zhì)量損失率,%;f0、fn為試驗(yàn)前和凍融循環(huán)n次時橫向基頻,Hz;G0、Gn為試驗(yàn)前和凍融循環(huán)n次時混凝土的質(zhì)量,kg;Kn、nmax為耐久性系數(shù)及最大凍融次數(shù)。試驗(yàn)利用電子天平(精度0.1g)測定不同凍融循環(huán)下的試件質(zhì)量,混凝土橫向基頻選取動彈模量測試儀進(jìn)行測定,并結(jié)合最大凍融循環(huán)次數(shù)和相對動彈模量Erd計算確定耐久性指數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 外觀形貌

通過觀察凍融循環(huán)后氯鹽環(huán)境和淡水環(huán)境中的試件外觀形貌可知,試驗(yàn)終止時未摻PVA纖維的X0、Y0組試件能夠承受的凍融循環(huán)次數(shù)均小于摻PVA纖維組,特別是氯鹽環(huán)境下的Y0試件經(jīng)過75次凍融循環(huán)就出現(xiàn)明顯的斷裂破壞。摻PVA纖維組試件能夠承受的凍融循環(huán)次數(shù)可以達(dá)到300次,PVA纖維的摻入可以顯著增強(qiáng)混凝土的抗凍性能;氯鹽環(huán)境下,凍融循環(huán)300次摻PVA纖維的試件表面發(fā)現(xiàn)纖維外露情況,特別是Y0.5試件的質(zhì)量損失率達(dá)到12%,表層砂漿剝落接近10mm,Erd接近40%;淡水環(huán)境下,試件的原有尺寸與形狀基本未發(fā)生改變,質(zhì)量損失率處于2%以內(nèi),Erd不低于80%。因此,在氯鹽環(huán)境下?lián)絇VA纖維混凝土的抗凍性相較于淡水環(huán)境明顯下降。

2.2 質(zhì)量損失率

隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加3.5%氯化鈉溶液和淡水中摻PVA纖維混凝土的質(zhì)量損失率變化,見圖1。

圖1 不同環(huán)境下的質(zhì)量損失率變化

由圖1可知,雖然凍融循環(huán)75次時Y0組試件未達(dá)到試驗(yàn)終止條件,但由于3個試件已發(fā)生斷裂破壞只能測定其初始質(zhì)量損失率。凍融循環(huán)250次時X0組試件未發(fā)生斷裂破壞,但由于質(zhì)量損失率達(dá)到5%以上,故試驗(yàn)終止。通過對比凍融次數(shù)可知,氯鹽環(huán)境能夠加速混凝土凍融破壞。對凍融循環(huán)達(dá)到300次的試件,在氯鹽環(huán)境下凍融循環(huán)100～175次時試件質(zhì)量損失率呈負(fù)增長趨勢,即混凝土質(zhì)量沒有減小反而增大,這是因?yàn)镃l-侵蝕引起的化學(xué)反應(yīng)增加了試件質(zhì)量,隨著凍融次數(shù)的增加試件表面因氯鹽侵蝕逐漸發(fā)生凍融剝落,混凝土質(zhì)量減小,質(zhì)量損失率呈明顯上升趨勢,故氯鹽條件下混凝土質(zhì)量表現(xiàn)出先上升后下降的變化特征。在淡水環(huán)境下凍融循環(huán)300次時試件質(zhì)量均未表現(xiàn)出明顯減小或增大趨勢,除未摻PVA纖維X0組外其它試件質(zhì)量損失率均在2%以內(nèi)。因此,摻PVA纖維混凝土的質(zhì)量損失率受氯鹽環(huán)境的影響更加顯著,凍融循環(huán)300次時質(zhì)量損失率最高達(dá)到13.8%,淡水環(huán)境下凍融循環(huán)300次時未摻和摻PVA纖維試件的質(zhì)量損失率最高為6.7%、1.4%混凝土質(zhì)量損失率受PVA纖維摻量的影響變化如圖2所示,結(jié)果表明氯鹽環(huán)境下不同摻量PVA纖維混凝土質(zhì)量損失率存在明顯差異,凍融循環(huán)75次時Y0試件發(fā)生斷裂破壞不參與質(zhì)量損失率對比分析;氯鹽環(huán)境下?lián)襟w積分?jǐn)?shù)0.5%PVA纖維混凝土質(zhì)量損失率相較于淡水環(huán)境增大12.5%,而摻體積分?jǐn)?shù)1.0%和2.0%PVA纖維時該差值為6.1%、2.1%。研究表明,凍融循環(huán)300次時,隨PVA纖維摻量的增大質(zhì)量損失率受氯鹽環(huán)境的影響作用下降。

圖2 不同纖維摻量的質(zhì)量損失率變化

2.3 相對動彈模量

隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加3.5%氯化鈉溶液和淡水中摻PVA纖維混凝土的相對動彈模量Erd變化如圖3所示。

圖3 不同環(huán)境下的相對動彈模量變化

由圖3可知,凍融循環(huán)75次時氯鹽環(huán)境下未摻PVA纖維的Y0組試件發(fā)生斷裂破壞,試驗(yàn)只測得3個Erd值,在凍融循環(huán)與淡水環(huán)境共同作用下未摻PVA纖維的X0組試件測得9個Erd值,說明氯鹽環(huán)境下?lián)絇VA纖維混凝土的凍融破壞較早,混凝土抗凍性較弱,氯鹽環(huán)境對摻PVA纖維混凝土的Erd影響較顯著。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加氯鹽環(huán)境相較于淡水環(huán)境下試件的Erd值呈快速減小趨勢。

混凝土相對動彈模量Erd受PVA纖維摻量的影響變化如圖4所示,結(jié)果顯示試驗(yàn)終止時氯鹽環(huán)境下混凝土的Erd相較于淡水環(huán)境減小27.4%～44.4%,摻PVA纖維混凝土的相對動彈模量受氯鹽環(huán)境的影響更加顯著。另外,除Y0組試件凍融循環(huán)75次發(fā)生斷裂破壞外,摻體積分?jǐn)?shù)0.5%PVA纖維組試件受氯鹽環(huán)境的影響最顯著,淡水與氯鹽環(huán)境下的Erd相差44.4%,而摻體積分?jǐn)?shù)1.0%、2.0%PVA纖維組試件相差34.5%和40.0%。

圖4 不同纖維摻量的相對動彈模量變化

2.4 耐久性指數(shù)

耐久性指數(shù)是反映混凝土抗凍性能的重要參數(shù),主要取決于混凝土相對動彈模量和最大凍融循環(huán)次數(shù),該指數(shù)值越大則混凝土抗凍性越優(yōu)。采用公式(3)、相對動彈模量以及最大凍融循環(huán)次數(shù)計算耐久性指數(shù),結(jié)果如表2和圖5所示。

圖5 不同纖維摻量的耐久性指數(shù)

表2 耐久性指數(shù)

從表2可以看出,淡水環(huán)境下整體高于氯鹽環(huán)境下?lián)絇VA纖維混凝土的耐久性指數(shù),說明氯鹽環(huán)境會降低混凝土抗凍性能,凍融循環(huán)次數(shù)相同時氯鹽環(huán)境下試件的Erd降幅較大或凍融循環(huán)較少次數(shù)就達(dá)到試驗(yàn)終止條件。由圖5可知,PVA纖維摻量在一定程度上影響著混凝土耐久性指數(shù),在淡水或氯鹽環(huán)境下?lián)?.0%PVA纖維混凝土的耐久性指數(shù)均達(dá)到最高,纖維體積摻量從0增大至1.0%時耐久性指數(shù)呈上升趨勢,摻量超過1.0%則表現(xiàn)出減小趨勢。

2.5 作用機(jī)理

通過對比分析可知,凍融循環(huán)作用下淡水環(huán)境中摻PVA纖維混凝土表層有輕微脫落,而氯鹽環(huán)境下混凝土表面出現(xiàn)嚴(yán)重剝落,抗凍性顯著降低。這是因?yàn)槁然c溶液的侵蝕作用增大了混凝土的飽水程度、內(nèi)滲壓力和結(jié)冰壓力,從而加速混凝土的凍融破壞。同時,淡水結(jié)冰小于NaCl溶液結(jié)冰的體積膨脹率,凍融循環(huán)過程中摻入混凝土內(nèi)部的NaCl溶液產(chǎn)生更加嚴(yán)重的剝落限量。此外,從表面到內(nèi)部的氯鹽濃度差會導(dǎo)致凍結(jié)過程中混凝土各層結(jié)冰程度不同,并進(jìn)一步形成結(jié)冰膨脹應(yīng)力差,導(dǎo)致混凝土層層剝落和凍融破壞程度加劇[8]。

氯鹽環(huán)境下,混凝土內(nèi)的Ca(OH)2可與表層濃度較高的Cl-反應(yīng)生成CaCl2·Ca(OH)2·H2O復(fù)鹽,打破了C-S-H凝膠與Ca(OH)2間的平衡,C-S-H凝膠逐漸分解致使混凝土出現(xiàn)剝落,故氯鹽環(huán)境相比于淡水環(huán)境具有更加顯著的抗凍性能劣化作用[9-11]。

將PVA纖維摻入混凝土中可以承受一定的凍脹拉應(yīng)力,抑制水泥基材料中裂縫的形成,基體開裂時PVA纖維能夠發(fā)揮橋接作用,有利于控制裂縫的發(fā)展;大量相互搭接亂向分布的PVA纖維可以減少內(nèi)部氣體的外溢,提高混凝土的含氣量,降低凍融循環(huán)時的相變應(yīng)力、滲透壓力和凈水壓力,內(nèi)部裂縫經(jīng)過微細(xì)氣泡時會發(fā)生鈍化,重新分布應(yīng)力,有效防止應(yīng)力集中的現(xiàn)象;PVA纖維的摻入還具有一定的“篩濾”與“分流”效應(yīng),對減小集料離析和表面析水具有積極作用[12]。因此,對于淡水或氯鹽環(huán)境差,水工混凝土摻適量PVA纖維均會改善其抗凍性能。

3 結(jié) 論

1)凍融循環(huán)作用下淡水環(huán)境中摻PVA纖維混凝土表層有輕微脫落,而氯鹽環(huán)境下混凝土表面出現(xiàn)嚴(yán)重剝落和PVA纖維外露的情況,抗凍性顯著降低,原有尺寸和形狀發(fā)生較明顯的改變。

2)由于Cl-侵蝕作用,凍融循環(huán)下混凝土表面剝落,具有較高的質(zhì)量損失率。氯鹽環(huán)境下混凝土相對動彈模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈快速減小趨勢,整體抗凍性較差,混凝土耐久性指數(shù)較低。

3)結(jié)合質(zhì)量損失率和外觀形貌試驗(yàn)數(shù)據(jù),抗凍性能較好的是摻2.0%PVA纖維混凝土;結(jié)合耐久性指數(shù)與相對動彈模量試驗(yàn)數(shù)據(jù),抗凍性能較好的是摻1.0%PVA纖維混凝土。因此,對于既定的試驗(yàn)條件仍需結(jié)合具體情況合理選擇PVA纖維的最優(yōu)摻量。