基于氯離子侵蝕與凍融試驗(yàn)的聚丙烯纖維水泥基材料耐久性研究

摘要：文章通過(guò)電通量試驗(yàn)研究聚丙烯纖維水泥基材料的抗氯離子滲透性能，同時(shí)通過(guò)凍融環(huán)境下水泥基材料的抗凍性能試驗(yàn)，以質(zhì)量損失率、抗折強(qiáng)度以及表面損傷情況為抗凍性能指標(biāo)，對(duì)比研究聚丙烯纖維水泥基材料的抗凍耐久性。試驗(yàn)結(jié)果表明聚丙烯纖維水泥基材料具有較優(yōu)的抗氯離子與抗凍融耐久性，可為聚丙烯纖維水泥基材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：道路工程；聚丙烯纖維；水泥基材料；耐久性

中圖分類號(hào)：U416.03

0 引言

水泥基材料作為建筑材料的重要組成部分，其廣泛應(yīng)用于建筑物、道路、橋梁等工程中［1］。隨著城市化進(jìn)程的加速和人們對(duì)建筑物外觀和性能的要求不斷提高，水泥基材料作為建筑材料的重要組成部分，其耐久性問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注［2］。在實(shí)際使用中，水泥基材料常常會(huì)受到氯離子侵蝕和凍融循環(huán)的影響，導(dǎo)致其性能下降，甚至出現(xiàn)裂紋、脫落等問(wèn)題，嚴(yán)重影響其使用壽命和安全性［3］。因此，研究水泥基材料的耐久性，特別是在抗氯離子侵蝕和抗凍融循環(huán)方面的性能，對(duì)于提高其使用壽命和安全性具有重要意義。

聚丙烯纖維作為一種常用的增強(qiáng)材料，其添加可以有效提高水泥基材料的力學(xué)性能和耐久性［4］。目前，已有許多研究探討了聚丙烯纖維對(duì)水泥基材料抗裂性能、抗凍融性能等的影響［5］。然而，對(duì)于聚丙烯纖維水泥基材料在抗氯離子侵蝕方面的性能研究還相對(duì)較少。因此，本研究旨在通過(guò)抗氯離子侵蝕和抗凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究聚丙烯纖維水泥基材料的耐久性。

聚丙烯纖維作為一種常用的增強(qiáng)材料，其添加可以有效提高水泥基材料的力學(xué)性能和耐久性。本文通過(guò)對(duì)聚丙烯纖維水泥基材料在不同條件下的試驗(yàn)，分析其性能變化規(guī)律，為水泥基材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考和指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料與試件制備

本文制備聚丙烯纖維水泥基材料的原材料主要有水泥、特細(xì)河沙、粉煤灰、聚丙烯纖維、高效減水劑和水。其中水泥為普通硅酸鹽P.O 42.5水泥，特細(xì)河沙最大粒徑為0.6 mm；纖維長(zhǎng)度為12 mm，Y形截面，直徑為30 μm，密度為0.91 g/cm3，彈性模量為3.5 GPa，斷裂強(qiáng)度為500 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為20%。聚丙烯纖維水泥基混凝土采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)制備：加入水泥、粉煤灰和部分水，慢速攪拌1 min；加入聚丙烯纖維和減水劑，慢速攪拌1 min，再快速攪拌2 min；加入特細(xì)河沙和剩余的水慢速攪拌1 min，再快速攪拌3 min至冰淇淋狀即可。將攪拌好的混合物澆筑進(jìn)指定試驗(yàn)試模中，24 h后脫模，將試件轉(zhuǎn)移至養(yǎng)護(hù)室，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件（相對(duì)濕度＞95％，溫度20 ℃±2 ℃）下養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)至需要的齡期。

1.2 試驗(yàn)方法

為分析基準(zhǔn)混凝土和聚丙烯纖維水泥基材料的抗氯離子滲透性能，根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GBT50082-2009）的規(guī)定，采用電通量法來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性，使用全自動(dòng)真空保水機(jī)作為試驗(yàn)儀器，以確?；炷猎嚰谠囼?yàn)期間處于恒定的濕潤(rùn)狀態(tài)。同時(shí)，使用多功能氯離子測(cè)定儀來(lái)測(cè)量樣品中的氯離子含量，以評(píng)估混凝土的耐久性能。通過(guò)以上試驗(yàn)和測(cè)量，可以更全面、準(zhǔn)確地評(píng)估混凝土材料的性能和耐久性。試驗(yàn)采用直徑為100±1" mm、高度h為50±2" mm的圓柱體試件，養(yǎng)護(hù)齡期為7 d和28 d。測(cè)試前用環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)試件側(cè)面進(jìn)行密封處理，真空飽水24 h左右。試件被安裝在試驗(yàn)槽中，在試件的兩側(cè)注入質(zhì)量濃度為3.0％的NaCl溶液和摩爾濃度為0.3 mol/L的NaOH溶液。在試驗(yàn)槽內(nèi)注入NaCl溶液的一側(cè)，將銅網(wǎng)連接到電源的負(fù)極，在試驗(yàn)槽內(nèi)注入NaOH溶液的另一側(cè)，將銅網(wǎng)連接到電源的正極。為上述兩個(gè)銅網(wǎng)施加60±0.1 V的直流恒電壓（確保試驗(yàn)槽中充滿溶液）。試驗(yàn)時(shí)自動(dòng)記錄試件通過(guò)的電流，并持續(xù)記錄6 h。在試驗(yàn)過(guò)程中，使用電腦自動(dòng)收集的數(shù)據(jù)可更準(zhǔn)確地評(píng)估試件的性能，記錄各試件的電通量測(cè)試值，取平均值作為最終結(jié)果。

采用混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行快速凍融試驗(yàn)，根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GBT50082-2009），將尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的試件充分飽水，放入彈性橡膠試件盒中，加水至水面沒(méi)過(guò)試件頂面5 mm。凍融循環(huán)過(guò)程應(yīng)符合：（1）每次凍融循環(huán)在2～4 h內(nèi)完成，其中用于融化的時(shí)間不小于整個(gè)凍融時(shí)間的1/4；（2）在凍結(jié)和融化停止時(shí)，試件中心溫度應(yīng)分別控制在-17 ℃±2 ℃和8 ℃±2 ℃。每隔25次循環(huán)，取出試件并擦干表面的水分，稱量試件質(zhì)量和超聲波聲速。按式（1）和式（2）計(jì)算質(zhì)量損失率及相對(duì)動(dòng)彈性模量，同時(shí)選取平行組試件進(jìn)行抗折強(qiáng)度試驗(yàn)。由于本文還考慮了鹽水對(duì)材料抗凍性的影響，在鹽凍試驗(yàn)中，需將橡膠試件盒中的水替換為3%濃度的NaCl溶液，其他步驟不變。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 抗氯離子滲透性能分析

根據(jù)ASTMC1202，對(duì)照表1的規(guī)定，評(píng)估材料的氯離子滲透性。通過(guò)測(cè)試兩種混凝土材料的電通量來(lái)反映氯離子滲透性能，結(jié)果如圖1所示。由表1可知，7 d時(shí)兩種材料的電通量均＞4 000 C，處于高氯離子滲透狀態(tài)，且此時(shí)聚丙烯纖維水泥基材料的電通量略高于混凝土，電通量偏大，抗氯離子滲透性能低。28 d齡期時(shí)混凝土電通量相對(duì)7 d時(shí)下降了28.8%，而聚丙烯纖維水泥基材料電通量相對(duì)7 d時(shí)下降了45.8%，兩種材料的電通量均在中等氯離子滲透性范圍，且聚丙烯纖維水泥基材料的抗氯離子滲透性略高于基準(zhǔn)混凝土。研究表明，聚丙烯纖維水泥基材料中高摻量的粉煤灰會(huì)弱化材料的抗氯離子滲透性能，隨著齡期的不斷延長(zhǎng)，聚丙烯纖維水泥基材料中粉煤灰的火山灰效應(yīng)和密實(shí)填充效應(yīng)逐漸顯露出來(lái)，細(xì)化了毛細(xì)孔徑，延長(zhǎng)了毛細(xì)孔通道，其抗氯離子滲透性仍有所提高，彌補(bǔ)了一部分固化氯離子的能力。同時(shí)，由于聚丙烯纖維水泥基材料配合比中采用了較低的水膠比，有利于減小氯離子擴(kuò)散深度和系數(shù)。因此，整體上聚丙烯纖維水泥基材料的抗氯離子滲透性最終略高于基準(zhǔn)混凝土。

2.2 抗凍融性能分析

聚丙烯纖維水泥基材料與普通混凝土在純水凍融情況下的凍融循環(huán)測(cè)試結(jié)果如圖2所示。對(duì)比質(zhì)量損失率、抗折強(qiáng)度和相對(duì)動(dòng)彈性模量等抗凍性指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)混凝土在300次循環(huán)后質(zhì)量損失＞5%，而聚丙烯纖維水泥基材料在400次循環(huán)后質(zhì)量損失僅為4.7%；聚丙烯纖維水泥基材料的抗折強(qiáng)度始終顯著高于混凝土，且在250次循環(huán)后仍保留初始強(qiáng)度的80%以上，而混凝土在150次循環(huán)后殘余抗折強(qiáng)度便＜80%；聚丙烯纖維水泥基材料的相對(duì)動(dòng)彈性模量始終略高于混凝土，在300次循環(huán)后，聚丙烯纖維水泥基材料的相對(duì)動(dòng)彈性模量仍達(dá)到89.6%，而混凝土＜80%?？梢?jiàn)聚丙烯纖維水泥基材料在各方面都具有更優(yōu)越的抗凍性。

觀察兩種材料在不同循環(huán)次數(shù)下的外觀，隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行，試件表面均不再光滑。100次循環(huán)后，普通混凝土試件表皮松動(dòng)，露出細(xì)骨料，而聚丙烯纖維水泥基材料僅表面很淺一層開(kāi)始露出纖維端頭。200次循環(huán)后，普通混凝土試件出現(xiàn)明顯剝落，局部出現(xiàn)缺角，粗骨料也逐漸顯現(xiàn)，而聚丙烯纖維水泥基材料表面露出較多細(xì)骨料和纖維，但試件完整性仍然很高。在300次循環(huán)時(shí)，普通混凝土試件破損明顯，因質(zhì)量損失過(guò)大而試驗(yàn)停止，聚丙烯纖維水泥基材料試件表面呈纖維毛面狀，局部露出纖維較長(zhǎng)。400次循環(huán)后，聚丙烯纖維水泥基材料試件表層的纖維上裹附的大量集料顆粒被沖洗掉，但試件仍具有較高的表面完整性。通常摻加外加劑對(duì)混凝土引氣才能有效提高抗凍融剝蝕性能，而聚丙烯纖維水泥基材料不添加引氣劑也表現(xiàn)出了較好的抗剝落性，這與2%體積摻量的纖維有重大關(guān)系。雖然提高粉煤灰摻量不利于水泥基材料的抗凍性，但已有研究表明，粉煤灰摻量超過(guò)50%的聚丙烯纖維水泥基材料仍具有很高的凍融循環(huán)抵抗力。實(shí)際上，已有研究表明纖維能夠抵抗凍融引起的內(nèi)部微裂，從而提高混凝土材料的抗凍剝落性能。

在力學(xué)性能方面，有學(xué)者認(rèn)為聚丙烯纖維水泥基材料由于高韌性的特點(diǎn)，表現(xiàn)出理想的抗凍耐久性。其還具備高延展性和裂縫寬度限制能力，甚至在輕微損傷下仍具備有效的自愈合性，保證了更長(zhǎng)久的抗凍壽命。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)聚丙烯纖維水泥基材料與基準(zhǔn)混凝土進(jìn)行電通量試驗(yàn)和凍融試驗(yàn)并進(jìn)行結(jié)果分析，主要結(jié)論如下：

（1）在養(yǎng)護(hù)早期，聚丙烯纖維水泥基材料由于粉煤灰摻量較大，其抗氯離子滲透性能低于混凝土。隨著齡期增長(zhǎng)，在火山灰反應(yīng)作用下，聚丙烯纖維水泥基材料的抗氯離子滲透性能逐漸反超混凝土。

（2）在凍融循環(huán)試驗(yàn)中，聚丙烯纖維水泥基材料的質(zhì)量損失、抗折強(qiáng)度損失效果均優(yōu)于混凝土，且始終保持遠(yuǎn)高于混凝土的抗折強(qiáng)度。隨著凍融次數(shù)的增加，聚丙烯纖維水泥基材料的質(zhì)量損失逐漸增大，但最大值≤5%，抗凍效果優(yōu)于普通混凝土。

（3）聚丙烯纖維在基體內(nèi)部能夠分散均勻，確保材料有良好的整體性，纖維表面附著的大量水化產(chǎn)物，使纖維與基體充分膠結(jié)，內(nèi)部孔隙變少，從而保證在凍融環(huán)境下，聚丙烯纖維水泥基材料不會(huì)坍塌失效。

綜上所述，適量摻入聚丙烯纖維可以顯著提高水泥基材料的力學(xué)性能和耐久性，特別是在抗氯離子侵蝕和抗凍融循環(huán)方面具有明顯的改善效果。這為聚丙烯纖維水泥基材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了參考和指導(dǎo)。

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收稿日期：2024-03-21

作者簡(jiǎn)介：銀燕瓊（1984—），碩士，工程師、講師，研究方向：道路與橋梁工程。