除冰鹽環(huán)境下纖維混凝土的耐久性研究

王晨飛，牛荻濤，焦俊婷

(1.廈門理工學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，廈門 361024;2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，西安 710055)

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除冰鹽環(huán)境下纖維混凝土的耐久性研究

王晨飛1，牛荻濤2，焦俊婷1

(1.廈門理工學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，廈門 361024;2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，西安 710055)

為了研究除冰鹽環(huán)境下聚丙烯纖維混凝土的耐久性能，采用干濕交替與鹽凍循環(huán)方式模擬除冰鹽環(huán)境，分析纖維混凝土的物理力學(xué)性能、質(zhì)量損失、動(dòng)彈模損失、氯離子含量分布及微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，纖維混凝土在除冰鹽環(huán)境下的抗折強(qiáng)度、質(zhì)量及動(dòng)彈模的損失率隨纖維摻量增加而減少；纖維摻量為0.1%的試件內(nèi)部致密，隨纖維摻量繼續(xù)增大，試件的抗氯離子侵蝕能力減弱；試件表面氯離子富集區(qū)隨循環(huán)次數(shù)增加而向內(nèi)遷移；氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨干濕交替次數(shù)增加而減小，隨鹽凍循環(huán)次數(shù)增加而增大。

除冰鹽環(huán)境； 聚丙烯纖維混凝土； 耐久性能； 氯離子； 擴(kuò)散系數(shù)

1 引 言

氯鹽侵蝕引起鋼筋銹蝕是造成混凝土結(jié)構(gòu)耐久性劣化的主要原因。嚴(yán)寒地區(qū)為保證交通順暢，常采用拋灑除冰鹽方式以加速冰雪融化，然而凍融循環(huán)和氯鹽侵蝕的雙重作用往往加速鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的性能劣化[1,2]。研究人員分別針對干濕交替、鹽凍循環(huán)環(huán)境中混凝土耐久性能展開了系列研究。張立明等[3]對4種混凝土進(jìn)行鹽湖鹵水-干濕循環(huán)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)各混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)呈冪指數(shù)函數(shù)關(guān)系，隨循環(huán)次數(shù)增加而逐漸降低；李長成[4]的研究也發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)加速了混凝土表面氯離子擴(kuò)散系數(shù)。孫叢濤等[5]對凍融損傷后的混凝土試件進(jìn)行氯鹽自然擴(kuò)散試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨凍融損傷的加劇而增大；王月等[6]的研究結(jié)果表明，隨鹽凍循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土相對抗壓強(qiáng)度與相對動(dòng)彈性模量呈線性關(guān)系，試件表層氯離子濃度明顯高于自然擴(kuò)散環(huán)境。除冰鹽環(huán)境下的混凝土道路及周邊附屬建筑物往往不是單一的鹽凍循環(huán)，而是經(jīng)歷鹽溶液干濕交替和鹽凍循環(huán)的共同作用，耦合作用改變氯鹽傳輸方式，因此對除冰鹽環(huán)境下混凝土的耐久性能需進(jìn)一步研究。

為了克服混凝土材料脆性和應(yīng)變軟化的缺點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者致力于混凝土的改性研究，摻入纖維是改善混凝土的有效途徑[7-9]，纖維的雜向分布可有效抑制混凝土內(nèi)部裂縫的擴(kuò)展，推廣纖維混凝土在工程中的應(yīng)用具有重要的理論意義，但現(xiàn)有研究對其耐久性能涉及較少。

基于上述問題，本文針對聚丙烯纖維混凝土，采用鹽凍循環(huán)和干濕交替方式研究除冰鹽環(huán)境下纖維混凝土的耐久性能，重點(diǎn)分析除冰鹽工況與纖維摻量對纖維混凝土抗折強(qiáng)度、質(zhì)量損失、動(dòng)彈模損失及氯離子分布的影響，為除冰鹽環(huán)境中纖維混凝土的耐久性設(shè)計(jì)提供理論參考。

2 試 驗(yàn)

2.1 原材料及混凝土配合比

水泥為陜西秦嶺P·O 42.5R級普通硅酸鹽水泥，粗骨料為粒徑5～16 mm的陜西涇陽碎石，細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)為2.6的西安灞河中砂，粉煤灰為渭河電廠Ⅱ級粉煤灰，外加劑為西安紅旗外加劑廠GJ-1高效減水劑，水為普通自來水，纖維為江蘇蘇博特新材料股份有限公司提供的聚丙烯纖維。試驗(yàn)研究除冰鹽環(huán)境下四種纖維摻量的聚丙烯纖維混凝土耐久性能，配合比見表1。

表1 試驗(yàn)用混凝土試件配合比Tab.1 Proportioning of concrete specimens employed for the experiments

2.2 試驗(yàn)方法

(1)試件制作

按照設(shè)計(jì)配合比制作試件，采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的試件研究氯離子擴(kuò)散性能，采用尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的試件測試鹽凍損傷，試件成型拆模后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境中養(yǎng)護(hù)28 d。

(2)試件除冰鹽試驗(yàn)

養(yǎng)護(hù)28 d后，將試件放入3.5%的NaCl溶液中進(jìn)行干濕交替試驗(yàn)，干濕交替方式以3 d為一個(gè)循環(huán)周期，浸泡1 d，在干燥通風(fēng)條件下放置2 d，每10次循環(huán)后更換NaCl溶液。分別干濕交替10、20、30次后，將試件放入快速凍融試驗(yàn)箱中進(jìn)行凍融循環(huán)，凍融介質(zhì)為3.5%的NaCl溶液，試件分別凍融100次，每25次取出測試質(zhì)量及動(dòng)彈性模量，每50次取出相應(yīng)試件測試抗折強(qiáng)度與氯離子含量。

(3)試件取樣及自由氯離子測定

預(yù)定時(shí)間后，取出相應(yīng)試件，用切割機(jī)將試件除測試面四周各切除10 mm，然后在混凝土打磨機(jī)上逐層磨粉，深度在0～10 mm范圍內(nèi)每1 mm取一個(gè)試樣，深度大于10 mm每2 mm取一個(gè)試樣，按照《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ270-98)[10]中的方法測試每個(gè)試樣中自由氯離子含量。

3 結(jié)果與討論

3.1 抗折強(qiáng)度

表2給出不同除冰鹽工況下聚丙烯纖維混凝土的抗折強(qiáng)度。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，摻量為0.1%的試件表現(xiàn)出較高的抗折強(qiáng)度，將普通混凝土強(qiáng)度提高了1.03倍，纖維摻量增大至0.5%后抗折強(qiáng)度降為普通混凝土的88.9%。除冰鹽環(huán)境下，各組試件的抗折強(qiáng)度均隨循環(huán)次數(shù)的增加而降低。干濕交替30次后，各組試件的抗折強(qiáng)度在鹽凍循環(huán)100次時(shí)依次降低了12.7%、11.4%、11.1%、10.7%。纖維摻量對除冰鹽環(huán)境作用前后呈現(xiàn)不同效果，大摻量纖維降低混凝土內(nèi)部密實(shí)度，卻能有效緩解除冰鹽對混凝土造成的損傷。

表2 除冰鹽環(huán)境下試件抗折強(qiáng)度Tab.2 The flexural strength of the specimens exposed to de-icing salt /MPa

3.2 鹽凍損傷分析

混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)受聚丙烯纖維影響，大量纖維的摻入起到“加氣”效果，使混凝土內(nèi)部密實(shí)結(jié)構(gòu)變得疏松；雜向分布的纖維不僅抑制混凝土的早期收縮變形，而且延緩混凝土內(nèi)部鹽凍損傷裂紋的擴(kuò)展。圖1為各組試件干濕交替30次后凍融循環(huán)過程中的相對動(dòng)彈性模量變化曲線。混凝土的動(dòng)彈性模量損失率隨纖維摻量增加而減小，普通混凝土在干濕交替30次并鹽凍100次后下降了5.5%，纖維摻量為0.5%的試件下降了3.5%。

圖1 相對動(dòng)彈性模量變化曲線Fig.1 Curve of relative dynamic modulus of elasticity

圖2給出各組試件干濕交替30次后凍融循環(huán)過程中的質(zhì)量損失率變化曲線，各組試件的質(zhì)量損失率隨纖維摻量的增加而減小，但并不都隨鹽凍次數(shù)的增加而增多，普通混凝土的質(zhì)量損失率隨鹽凍次數(shù)的增加而增多，纖維摻量為0.5%的試件質(zhì)量先有所增加后逐漸降低，其余組試件變化介于兩者之間。纖維摻量的增加相當(dāng)于“引氣”效果，為鹽溶液的遷移提供足夠的空間，增加了試件的吸水率。

圖2 質(zhì)量損失變化曲線Fig.2 Curve of weight loss rate

3.3 纖維混凝土中氯離子分布規(guī)律

氯離子在擴(kuò)散、對流、毛細(xì)吸附和壓力作用下的滲透等不同遷移機(jī)制作用下向混凝土內(nèi)部輸運(yùn)[11]。混凝土在除冰鹽環(huán)境中遭受非飽和狀態(tài)下的鹽凍循環(huán)，圖3給出干濕交替30次后不同鹽凍環(huán)境下各組試件的氯離子含量分布曲線。由圖可見，各組試件中氯離子含量隨傳輸深度變化趨勢相近，曲線有明顯的上升與下降段，最后趨于平緩，其中氯離子含量在纖維摻量為0.1%的試件中最低，但隨纖維摻量的繼續(xù)增加而增多，峰值氯離子含量也呈現(xiàn)了相同的趨勢。纖維的摻入改變了混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)和孔隙率，適量的摻量可有效改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高試件密實(shí)度，而過多摻量的纖維增加了混凝土內(nèi)部界面 ，加速了氯離子的遷移，同時(shí)提高了輸運(yùn)至試件內(nèi)部的氯離子總量。

圖3 試件氯離子含量分布Fig.3 Chloride ion content of concrete

圖4列出纖維摻量為0.5%的試件在不同除冰鹽環(huán)境下的氯離子含量分布圖，分別考慮干濕交替次數(shù)與鹽凍循環(huán)次數(shù)的影響。不同干濕交替次數(shù)后，曲線在距離試件表面一定深度處存在峰值，且隨著干濕交替次數(shù)的增加愈加飽滿，干濕交替10次時(shí)峰值點(diǎn)深度為2.5 mm，干濕交替30次時(shí)峰值點(diǎn)深度延伸至4.5 mm，相應(yīng)氯離子含量也增加了1.32倍，對流作用引起水分傳輸?shù)南鄬螅孤入x子富集于試件表層一定深度處，氯離子含量沿滲透深度出現(xiàn)峰值點(diǎn)，富集區(qū)高濃度的氯離子提高試件表層孔隙含水率，促使氯離子在孔隙液凍結(jié)過程中向表層遷移。不同鹽凍循環(huán)次數(shù)后，曲線同樣有明顯的峰值點(diǎn)，且隨循環(huán)次數(shù)增加氯離子分布曲線愈加飽滿，鹽凍循環(huán)100次時(shí)峰值點(diǎn)含量為鹽凍循環(huán)50次時(shí)的1.16倍，且峰值點(diǎn)出現(xiàn)的深度由3.5 mm延伸至4.5 mm。作為溶質(zhì)的氯離子隨水分在鹽凍循環(huán)作用下輸運(yùn)，凍結(jié)過程中，水分在溫度梯度作用下向凍結(jié)區(qū)遷移，氯離子隨水分移動(dòng)并沉積在混凝土表層孔隙中；融化過程中，氯離子在壓力滲透與濃度梯度作用下，隨融化后的水分沿向試件內(nèi)部遷移 。

圖4 侵蝕環(huán)境對混凝土中的氯離子含量的影響(a)干濕交替影響；(b)鹽凍循環(huán)影響Fig.4 The influence of attack environment on chloride content in concrete(a)dry-wet cycle;(b)freeze-thaw cycle

圖5為各組試件干濕交替30次后鹽凍循環(huán)100次的微觀形貌，可以觀測到試件內(nèi)部的氯鹽晶體沉積狀況。氯鹽溶液通過界面縫隙和毛細(xì)孔進(jìn)入試件內(nèi)部，纖維和水泥基體上都附著有氯鹽晶體。隨著纖維摻量的增加，氯鹽晶體的沉積量要明顯增多。混凝土表層水分受環(huán)境濕度變化影響，并隨溫度變化而凍融，氯離子隨水分遷移，氯鹽晶體在毛細(xì)吸附、對流作用與壓力滲透影響下大量沉積。

圖5 試件微觀形貌(a)C1組試件;(b)C2組試件;(c)C3組試件;(d)C4組試件Fig.5 Microstructure of specimens(a)C1;(b)C2;(c)C3;(d)C4

3.4 氯離子擴(kuò)散系數(shù)

氯離子擴(kuò)散系數(shù)是反映混凝土抵抗氯鹽侵蝕的重要指標(biāo)，也是表達(dá)混凝土中氯離子遷移能力的重要參數(shù)。根據(jù)Fick第二定律可得：

(1)

式中，Cx,t為t時(shí)刻深度為x時(shí)的氯離子濃度；C0為氯離子初始濃度；Cs為氯離子表面濃度；D為氯離子擴(kuò)散系數(shù)；t為滲透時(shí)間；erf為誤差函數(shù)。

本文根據(jù)自由氯離子濃度實(shí)測結(jié)果，按照公式(1)，采用MATLAB進(jìn)行曲線擬合，求得的氯離子擴(kuò)散系數(shù)D，結(jié)果如表3所示。

表3 氯離子擴(kuò)散系數(shù)Tab.3 Chloride diffusion coefficient /10-6mm2/s

表3給出了不同除冰鹽環(huán)境各組試件中的氯離子擴(kuò)散系數(shù)。干濕循環(huán)次數(shù)對氯離子擴(kuò)散系數(shù)影響較大，各組試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨干濕交替次數(shù)的增加而減小，鹽凍100次后，普通混凝土干濕交替30次時(shí)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)降為干濕交替10次時(shí)的0.51，纖維摻量為0.5%的試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)降為干濕交替10次時(shí)的0.5。各組試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨鹽凍次數(shù)的增加而增大，干濕交替30次后，普通混凝土鹽凍100次后的氯離子擴(kuò)散系數(shù)增為鹽凍50次時(shí)的1.27倍，纖維摻量為0.5%的試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)降為鹽凍50次時(shí)的1.25倍。纖維摻量為0.1%的試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)在各種工況中均最小，但纖維摻量的變化對氯離子擴(kuò)散系數(shù)的變化率影響不明顯。

干濕交替次數(shù)的增加促進(jìn)混凝土內(nèi)部繼續(xù)水化，水化產(chǎn)物的增加減少了試件的孔隙率，從而減少了試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)。干濕交替促使氯離子在毛細(xì)吸附和對流作用下形成試件表層富集區(qū)，從而提高表層孔隙的溶液飽和度，氯鹽溶液在鹽凍循環(huán)作用下在表層富集區(qū)凍結(jié)，延緩氯離子向試件內(nèi)部擴(kuò)散。大摻量纖維降低試件內(nèi)部密實(shí)度，卻能緩解鹽凍產(chǎn)生的損傷。

4 結(jié) 論

(1)除冰鹽環(huán)境下，混凝土的抗折強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)的增加而降低，抗折強(qiáng)度損失率隨纖維摻量的增加而減小，混凝土的動(dòng)彈性模量損失率隨著纖維摻量的增加逐漸減小;

(2)除冰鹽環(huán)境下，試件表層存在氯離子富集區(qū)，干濕交替與鹽凍循環(huán)次數(shù)的增加促進(jìn)氯離子的沉積，并使富集區(qū)位置向試件內(nèi)部遷移;

(3)氯鹽晶體附著在水泥基體和纖維上，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)受纖維摻入的影響，纖維摻量為0.1%的試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，沉積的氯離子含量最低;

(4)不同摻量的纖維混凝土試件中氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨干濕交替次數(shù)增加而減小，隨鹽凍循環(huán)次數(shù)增加而增大，纖維摻量的變化對氯離子擴(kuò)散系數(shù)的變化率影響不明顯。

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Durability of Fiber Concrete Exposed to De-icing Salt

WANGChen-fei1,NIUDi-tao2,JIAOJun-ting1

(1.School of Civil Engineering & Architecture,Xiamen University of Technology,Xiamen 361024,China;2.School of Civil Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710055,China)

In order to study the durability performance of Polypropylene fiber(PPF) concrete exposed to de-icing salt, the dry-wet cycle and freeze-thaw cycle are used to simulate de-icing salt environment. The change law of The mechanical properties, mass loss, relative dynamic elastic modulus, chloride ion concentration distribution and microstructure are analyzed. The results show that the loss ratio of flexural strength, mass and relative dynamic elastic modulus reduce with the increase of fiber content. The specimen with 0.1% fiber content is characterized by dense microstructure, with the increase of fiber content, the chloride ion erosion resistance of the specimens is weaken. The chloride enrichment region of the specimen surface migrates inward with the increase of cycle times. The chloride ion diffusion coefficient decreases with the increase of times of dry-wet cycles, and increases with increasing freeze-thaw cycles.

de-icing salt environment;polypropylene fiber concrete;durability performance;chloride ion;diffusion coefficient

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51478404);福建省科技廳青年創(chuàng)新項(xiàng)目(2016J05141);福建省教育廳A類項(xiàng)目(JA14241);廈門理工學(xué)院高層次人才項(xiàng)目(YKJ13029R)

王晨飛(1981-)，男，講師，博士.主要從事混凝土耐久性研究.

TU528

A

1001-1625(2016)10-3126-06