PVA纖維水泥砂漿氯離子擴散性研究

邵俊豐，張世義，范穎芳

(大連海事大學道路與橋梁工程研究所， 遼寧大連116026)

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PVA纖維水泥砂漿氯離子擴散性研究

邵俊豐，張世義，范穎芳

(大連海事大學道路與橋梁工程研究所， 遼寧大連116026)

為研究PVA(聚乙烯醇)纖維摻量對不同齡期水泥砂漿氯離子擴散性能的影響規律，采用了快速氯離子遷移系數法(RCM)，研究了PVA纖維水泥砂漿(7種配合比)抗氯離子滲透性能。分析了PVA纖維摻量與水泥砂漿孔隙率、電阻率的指標的關系，基于熱傳遞方程建立氯離子擴散過程理論模型。結果表明，PVA纖維對水泥砂漿氯離子擴散系數有顯著影響，改變了水泥砂漿的孔隙結構。28 d齡期，2%纖維摻量試件氯離子擴散系數和毛細孔率比不摻纖維試件分別降低24.1%和50.2%；PVA纖維水泥砂漿氯離子擴散系數與電阻率二者具有良好的線性負相關關系；PVA纖維摻量與水泥砂漿毛細孔率、氣孔含量、電阻率之間有很好的相關性；橋面板中氯離子濃度與擴散系數成指數關系。

纖維；水泥砂漿；電阻率；孔隙率；氯離子擴散系數

0　引　言

海洋環境中鋼筋混凝土橋梁很容易因氯鹽侵蝕而造成結構耐久性破壞，氯離子的滲入是引起鋼筋銹蝕最主要的因素[1-2]。加之冬天雨雪冰凍天氣，為了保證通行暢通，往往在橋梁上撒布大量氯鹽型融雪劑。橋面板和保護層在荷載、惡劣環境作用下很容易發生耐久性破壞，對內部鋼筋保護將大為減弱，給橋梁維護管理帶來巨大考驗。

PVA(聚乙烯醇)纖維水泥砂漿作為一種新型橋梁修補加固材料，已經取得了大量理論和試驗成果。但目前研究重點主要集中在材料力學性能和工作性能，而對PVA纖維水泥砂漿在工程環境下耐久性研究較為缺乏。特別是工程結構物處于海洋環境中以及大量使用除冰鹽的情況下，許多實際工程因為耐久性不足遠遠沒有達到設計使用年限。此外，PVA纖維水泥砂漿抗氯離子擴散性能機理、PVA纖維抗氯鹽侵蝕最佳摻量等方面的研究也有待展開。已有研究表明：氯離子在水泥砂漿中擴散性能受孔隙結構影響較大，毛細孔隙和貫穿裂縫是氯離子擴散的主要通道[3-4]。PVA纖維水泥砂漿在受力開裂時產生的裂縫平均寬度約為50 μm，能夠滿足橋面板耐久性要求。將其用作混凝土結構保護層時，能夠有效減少或抑制基體塑性開裂[5-6]，進而阻斷了有害介質侵入內部的通道，提高結構耐久性[7-9]。

為了明確不同PVA纖維摻量對水泥砂漿氯離子擴散系數的影響，本文制作了7種摻量(0%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%、1.8%、2.0%)試件。利用快速氯離子滲透法(RCM)測試不同PVA纖維摻量下水泥砂漿的氯離子擴散系數，同時測得試件毛細孔率、氣孔含量以及電阻率。分別從孔隙結構和電阻率兩個角度分析纖維摻量對砂漿氯離子擴散性的影響。基于熱傳遞方程的基礎上建立氯離子擴散模型，為實際工程中無損檢測結構抗氯離子擴散性能和進行防腐處理提供了科學參考。

1　試驗研究

1.1原材料

試驗用水泥為大連小野田P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，其化學成分見表1；粉煤灰采用大連華能電廠Ⅰ級粉煤灰，密度為2 548 kg/m3；細骨料選用大沙河砂(0.6～1.18 mm)；減水劑選用大連申維建筑材料有限公司生產的聚羧酸鹽類高效減水劑；塑化劑選用羥丙基甲基纖維素(HPMC)；自來水；纖維選用日本Kuraray公司生產的RECS15×12型高強度PVA纖維，其基本參數見表2。

表1　水泥化學成分Tab.1　Chemical composition of cement

表2　PVA纖維基本參數Tab.2　Basic parameters of PVA fiber

1.2試件制作

試驗水膠比為0.35，PVA纖維摻量分別為0%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%、1.8%、2.0%，為防止摻入纖維導致泌水，按0.333 kg/m3摻入纖維素,詳細配合比見表3。為使纖維在基體中均勻分散，拌和時采用無錫建儀器有限公司制造的SJ-15型砂漿攪拌機，拌制時先將干料干拌后加水濕拌，再摻入纖維繼續攪拌，詳細工序見表4。

本次試驗根據不同試驗要求制作了15組試件，7組Φ100 mm×50 mm的氯離子擴散系數測試試件；7組160 mm×40 mm×20 mm真空保水試件；1組100 mm×100 mm×400 mm電阻率測試試件。在標準養護環境下，氯離子擴散系數測試試件分別養護至3 d、7 d和28 d進行試驗；其余試件養護至28 d進行試驗。

表3　試件編號與配合比設計Tab.3　Specimen numberand mix proportions　kg·m-3

表4　拌和過程Tab.4　Mix protocol

1.3試驗方法

1.3.1氯離子擴散系數

為評價PVA水泥砂漿抗氯離子滲透性能，利用 Tang等[10-11]提出的快速氯離子遷移(RCM)測試不同試件氯離子擴散系數。按公式(1)計算砂漿的氯離子擴散系數：

(1)

式中：DRCM為氯離子擴散系數，m2/s；T為電解液初始溫度和最終溫度的平均值，K；h為試件高度，m；xd為氯離子擴散深度，m；t為通電時間，s；α為輔助變量。

1.3.2孔隙結構

電鏡掃描分析方法能夠很好地揭示材料的微觀結構。為清楚地了解PVA纖維對水泥砂漿微觀結構的影響，采用SUPRA 55SAPPHIRE型場發射掃描電鏡對不同摻量PVA纖維水泥砂漿進行微觀結構分析，試驗加速電壓為3 kV。

孔隙率利用Ngala等[12]提出的可蒸發水含量法測得。試件養護到規定齡期，按美國材料與試驗協會(ASTM)C1202規定完成真空飽水，測得試件體積v，質量m。 然后移至標準養護環境中，等到試件質量趨于不變，稱取質量m1。最后將試件置于烘箱中，105 ℃恒溫烘干至質量不變，稱取試件質量m2。由v、m、m1和m2按式(2)計算試件的總孔隙率p和氣孔含量p1，毛細孔率等于p減去p1。

(2)

1.3.3電阻率

試驗在電場力作用下迫使氯離子向陽極遷移，所以試件電阻率對擴散深度影響較大。本文利用Resitest-400型電阻率測試儀測試試件電阻率。

2　試驗結果及分析

2.1纖維摻量對氯離子擴散系數的影響

不同齡期試件氯離子擴散系數見表5和圖1。可以看出，試件氯離子擴散系數隨養護齡期的增長逐漸減小，氯離子擴散系數隨纖維摻量的增加變化趨于平緩，水泥砂漿抗氯離子擴散性能逐步增強。水泥砂漿中摻入PVA纖維對其抗氯離子擴散起到了促進作用；由3 d和7 d養護齡期可以看出，纖維摻量1.4%左右時砂漿的氯離子擴散系數較其他摻量小，比不摻纖維的分別降低了7.9%和5.9%，繼續增加纖維摻量，水泥砂漿抗氯離子擴散性能有所降低。由28 d試驗齡期可以看出，纖維摻量2.0%時氯離子擴散系數達到最小，比不摻纖維降低24.1%。

表5　氯離子擴散系數Tab.5　Chloride diffusion coefficient values　m2·s-1

圖1氯離子擴散系數

Fig.1Chloride diffusion coefficient values

2.2纖維摻量對孔隙結構的影響

試件養護至規定齡期后真空保水，測得毛細孔率和氣孔含量分別見圖2和圖3。圖4為試件FESEM(場發射掃描電鏡)照片。

由圖2可以看出,PVA纖維改變了水泥砂漿的孔隙結構，降低了毛細孔率，纖維摻量為2%時比不摻纖維毛細孔率降低了50.2%。氯離子擴散的主要通道是毛細孔，纖維的摻入降低了氯離子擴散的有效孔隙[13]，從而可以提高水泥砂漿抗氯離子擴散性能。由圖3可以看出纖維提高了水泥砂漿的氣孔含量。這一方面是由于PVA纖維摻入會引入大量微小氣泡[14]；另一方面，由圖4看到PVA纖維表面附著大量的水化產物,隨著摻量的增加，纖維與基體的界面也在增加。它有比基體高的水灰比，因而離子濃度低，水化產物平均尺度大，取向指數高，形成疏松的網絡結構[15]。原始裂縫增多變大，形成類似于氣孔的結構。由圖4可以看到，纖維摻量為1.4%、1.8%時水化產物呈現條狀，纖維摻量為2.0%時孔隙周圍布滿相互交錯的網狀結構。

圖2纖維摻量對毛細孔率的影響

Fig.2Effect of fiber content on capillary porosity

圖3纖維摻量對氣孔含量的影響

Fig.3Effect of fiber content on void content

(a) 1.0%纖維摻量

(b) 1.4%纖維摻量

(c) 1.8%纖維摻量

(d) 2.0%纖維摻量

圖4試件場發射掃描電鏡(FESEM)照片

Fig.4The photographs of the specimen by field emission scanning electron microscopy(FESEM)

2.3纖維摻量對電阻率的影響

試驗是在電場力的作用下迫使氯離子向陽極方向遷移，試件電阻率對氯離子擴散至關重要。由于早期水化程度較低，大量未被水化的自由水對電阻率影響較大，待水化充分后，測試試件電阻率。28天齡期試件電阻率與纖維摻量的關系以及氯離子擴散系數與電阻率的關系分別如圖5、圖6所示。

圖5纖維摻量與電阻率的關系

Fig.5Relationship between fiber content and resistivity

圖6擴散系數與電阻率的關系

Fig.6Relationship between diffusion coefficient and resistivity

由圖5可以看出PVA纖維砂漿電阻率隨纖維摻量增加成線性增長。這一方面是由于摻入PVA纖維客觀上會使導電面減少，電阻與導電面成反比，PVC絕緣性良好，從而導致電阻率增大；另一方面，由于PVA纖維摻入會引入氣泡和基體裂縫等劣化效應的客觀存在[14]，這些氣孔同樣會對氯離子的擴散產生影響，在非飽和狀態下氣孔含量p1對基體同樣有增大電阻的效應。

由圖6可以看出，PVA水泥砂漿的氯離子擴散系數隨電阻率的增大而減小，二者具有良好的線性負相關關系[16]，符合Nernst-Einstein方程[17]。因為電阻率測量是無損的，實際施工中，可以預先確定電阻率與氯離子擴散系數關系曲線，通過測試電阻率來間接反映抗氯離子擴散性能。

2.4理論分析

圖7　氯離子擴散示意圖Fig.7　Schematic diagram of chloride diffusion

參照實際工程，將橋面板看作無限大平面板，如圖7所示。氯離子密度沿X軸方向從一個截面到另一個截面是連續變化的，氯離子向X軸方向擴散，將擴散模型簡化成一維擴散模型。

參照熱傳遞方程，得到擴散方程：

(3)

初始條件：u(x,0)=0，u(0,t)=ρ，u(∞,0)=0，

式中，u為氯離子濃度，a為擴散系數，ρ為外界氯離子濃度。

解方程(3)得：

(4)

其中，高斯誤差函數：

(5)

此函數類似正態分布函數，期望為0，方差為0.5。轉化成標準正態分布函數，又因概率密度函數關于Y軸對稱，解得：

(6)

圖8　氯離子濃度與纖維摻量的關系Fig.8　Relationship between chloride concentration and fiber content

式中,Ф(x)表示x對應的標準正態分布概率，查表可得100年后保護層為5 cm處氯離子濃度，如圖8所示。

由式(6)可以看出，氯離子濃度u隨擴散系數a成指數變化關系。由圖8可知，氯離子含量隨PVA纖維摻量增加而減小，但減小幅度較小，相比于28 d齡期，2.0%纖維摻量氯離子擴散系數比不摻纖維降低24.1%，而100年后保護層5 cm處氯離子濃度約占外界氯離子含量的75.1%，比不摻纖維降低了3.9%。可見氯離子擴散系數的減小對降低氯離子濃度作用并不顯著，由式(6)可知相比于降低氯離子擴散系數，提高保護層厚度則更為有效。

4　結　論

本文測試了不同PVA纖維摻量下水泥砂漿的氯離子擴散系數，基于孔隙結構和電阻率對水泥砂漿氯離子擴散性進行分析，理論推導一維氯離子擴散方程。主要得到以下結論：

①PVA纖維可以有效提高水泥砂漿抗氯離子擴散性能。28 d齡期，纖維摻量2%時氯離子擴散系數比不摻纖維降低24.1%。

②PVA纖維改變了水泥砂漿的孔隙結構，降低了氯離子擴散的有效孔隙，28 d齡期，纖維摻量2%時毛細孔率比不摻纖維降低50.2%。

③PVA纖維提高了水泥砂漿的電阻率，氯離子擴散系數與電阻率成負相關關系，可以通過測量電阻率來間接反映材料的抗氯離子擴散性能。

④理論計算表明橋面板中氯離子含量與擴散系數成指數關系。

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(責任編輯唐漢民梁健)

Study on chloride diffusion in PVA fiber cement mortar

SHAO Jun-feng, ZHANG Shi-yi, FAN Ying-fang

(Institute of Road and Bridge Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

The influence of PVA (Polyvinyl alcohol) fiber content on chloride diffusion in cement mortar at various curing ages is systematically discussed. The chloride resistance of seven types of specimens has been investigated using the Rapid Chloride Migration (RCM) method. The relationship between the PVA fiber content and the porosity and electrical resistivity of the mortar was analyzed. Theoretical model of the chloride diffusion process based on the heat transfer equation is established. The results show that PVA fiber has a significant effect on the chloride diffusion coefficient of cement mortar, and the pore structure of cement mortar was changed. After 28-day curing, when compared to the untreated samples, the chloride diffusion coefficient and the capillary porosity of the mortar with a fiber content of 2% were decreased by 24.1% and 50.2%, respectively; The chloride diffusion coefficient and resistivity have good linear negative correlation; There are good correlations between fiber content and capillary porosity, and void content and resistivity; There is a significant exponential relationship between chloride concentration and chloride diffusion coefficient.

fiber; cement mortar; resistivity; porosity; chloride diffusion coefficient

2015-12-30；

2016-05-27

國家自然科學基金資助項目(51178069)；遼寧省交通科研項目(201310)；教育部新世紀優秀人才基金項目(NCET-11-0860)

范穎芳(1972—)，女，河南開封人，大連海事大學教授，博士生導師，博士；E-mail:fanyf72@aliyun.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1170

TU528.58

A

1001-7445(2016)04-1170-08

引文格式：邵俊豐，張世義，范穎芳.PVA纖維水泥砂漿氯離子擴散性研究[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(4)：1170-1177.