腐蝕環境下纖維濕噴混凝土壽命預測模型研究

郭勇君

（中鐵二十局集團有限公司 西安 710000）

1 引言

目前，隨著濕噴技術的發展、應用和推廣，以及單層噴錨支護結構形式越來越受到地下結構研究人員的青睞，噴射纖維混凝土在隧道錨噴支護中的應用越來越廣泛，國內外的隧道工程大量采用噴射纖維混凝土作為隧道的永久襯砌。大量的研究資料表明，在噴射纖維混凝土的應用中，主要以鋼纖維為主。但由于鋼纖維存在用量大、成本高、易腐蝕等缺點，嚴重影響了鋼纖維混凝土的推廣和進一步應用。鑒于此大量學者開始研究可以替代鋼纖維的聚丙烯粗纖維，聚丙烯粗纖維具有易分散、造價低、耐腐蝕的優點，且其力學性質與鋼纖維相差無幾[1-3]。

本文相關研究旨在探明聚丙烯粗纖維混凝土耐腐蝕性能和劣化規律，為聚丙烯粗纖維在實際隧道錨噴支護結構中的應用提供一些理論和技術支撐。

2 聚丙烯粗纖維混凝土配合比設計

水泥采用P·O42.5，密度3 060 kg/m3、細度1.46；粗骨料采用粒徑為5~12 mm碎石（緊密堆積密度1 625 kg/m3，表觀密度2 719 kg/m3；細骨料采用機制砂，細度模數2.75、緊密堆積密度1 980 kg/m3、表觀密度2 680 kg/m3；硅粉采用優協92U硅粉，SiO2含量92%，含水率2%，比表面積20 000 m2/kg；聚丙烯粗纖維采用深圳維克粗纖維，型號WK-8，長度30 mm，直徑0.73 mm，平均抗拉強度456 MPa，每kg數量55 990根。試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，混凝土試件養生方式為標準養生。

據文獻[12-13]的研究，綜合考慮配合比的經濟性、簡易性、適用性，設計聚丙烯粗纖維混凝土和基準混凝土的配合比，根據經驗水膠比選定為0.48，根據密度填充試驗得砂率為50%，聚丙烯粗纖維和外加劑作為外摻材料不計入混凝土配合比中，基準混凝土表觀密度為2 350 kg/m3，單方基準混凝土材料用量為：水泥390 kg、硅灰40 kg、砂子854 kg、石子860 kg、拌合水206 kg。單方噴射混凝土外加劑和粗纖維摻量見表1。

表1 單方噴射混凝土外加劑和纖維摻量

3 纖維摻量對混凝土性能的影響

3.1 纖維摻量對混凝土抗壓強度的影響

試驗中為了確保噴射纖維混凝土的質量，同時為保證纖維在混凝土中均勻分布，充分發揮其骨架作用，決定采用水泥裹砂法攪拌混凝土并適當的延長攪拌時間以確保纖維在混凝土中分散并能均勻分布。具體攪拌工藝如圖1所示：先將纖維、砂子、70%的拌合用水和減水劑同時投入攪拌機中攪拌30s，然后向攪拌機中投入水泥攪拌30s，最后將碎石和剩余的30%的拌合用水投入到攪拌機中攪拌120s。

圖1 噴射纖維混凝土攪拌工藝流程

對不同摻量聚丙烯粗纖維混凝土進行了抗壓強度試驗研究，試驗結果如表2所示。

表2 不同纖維摻量的噴射混凝土抗壓強度試驗結果

由表2可知，當基準混凝土中摻入一定量的聚丙烯粗纖維后可提高混凝土抗壓強度，增強效果取決于纖維摻量。當聚丙烯粗纖維摻入量為 6%時，混凝土早期強度和后期強度均有所降低；當摻入量為 8%時，粗纖維纖維混凝土后期抗壓強度增強效果明顯，這時纖維的阻裂作用起主導作用，纖維混凝土的抗壓強度逐步提高，增強效果明顯；當摻入量為10%時，纖維對混凝土的抗壓強度開始下降，由于纖維體積率的提高，纖維與混凝土的界面過渡區的面積逐步增大，界面過渡區的負作用也開始逐漸顯現。在基準混凝土配比確定的情況下，當纖維摻入量為 8%時，纖維對混凝土的力學提高最顯著且經濟性適中。

3.2 纖維摻量對混凝土抗腐蝕性能的影響

為研究常年有地下水且水中含有硫酸根離子的隧道環境下噴射凝混土的耐腐蝕性能，將混凝土試件放入硫酸鹽濃度為10%的溶液中浸泡，進行長期浸泡條件下噴射混凝土的抗硫酸腐蝕性能及其規律試驗研究，試驗結果如表3和圖2所示。

表3 長期浸泡條件下噴射混凝土抗硫酸鹽腐蝕試驗結果

長期浸泡條件下混凝土抗壓強度耐蝕系數K＝R2/ R1。其中R2為混凝土在溶液中浸泡后的抗壓強度；R1在清水中浸泡后的抗壓強度。

圖2 長期浸泡下噴射混凝土耐腐系數時程曲線圖

由表3可知，在四種噴射混凝土中，只有C10配比耐蝕性能未達到150 d，其中J1、C6、C8在浸泡150 d后分別富余6.11%、0.65%、2.78%，其中J1配比富余量最大，這是因為在浸泡后期對耐腐蝕系數起決定作用的是，噴射混凝土中的過渡相，摻入纖維后對于腐蝕后期的混凝土來講，增大了過渡相的體積，故J1在浸泡后期的抗腐蝕性能要優于噴射粗纖維混凝土。

由圖2可知，基準配合比隨著浸泡天數的增加，耐蝕系數逐漸降低；C8配比噴射纖維混凝土的耐蝕系數在浸泡前60 d中最大增長7%左右，當浸泡超過60 d后，耐蝕系數迅速降低。這主要因為混凝土劣化程度與環境水中的濃度以及噴射混凝土的內部結構有關。28 d齡期強度可間接證明C8配比噴射纖維混凝土孔隙率遠遠小于基準混凝土，所以在浸泡前60 d中，環境中的進入噴射混凝土內部緩慢且濃度較低，生成的物質主要以針狀的鈣礬石為主，在腐蝕初始結晶物很少，混凝土的孔隙和空洞被這些結晶物填充而變得密實，此時，混凝土的強度甚至比未受侵蝕的混凝土強度有所增加。而對于基準混凝土，內部結構的孔隙率遠遠大于噴射粗纖維混凝土，迅速的進入噴射混凝土內部，孔隙內部的濃度較大，主要以鈣礬石、石膏結晶侵蝕破壞為主，所以基準混凝土的耐蝕系數在浸泡前60d中，抗壓耐蝕系數逐漸降低。

4 混凝土硫酸鹽腐蝕劣化規律[4]

混凝土在硫酸鹽腐蝕作用下的劣化是其自身結構的破損引起的，劣化過程就是其自身結構的損失過程，劣化量就是損失量。設S0為混凝土初始物理量（抗壓強度），Sn為混凝土經過nd浸泡后的未損傷量（殘余抗壓強度），0λ為劣化常數，則混凝土劣化方程公式（1）：

混凝土未損失量是隨初始物理量作自然規律劣化衰減，這就是混凝土的理論劣化方程。

對適量纖維摻量的噴射維混凝土抗壓強度的變化是上升—穩定—下降的過程，設 λ( n) =-λ0n ，混凝土硫酸鹽腐蝕劣化方程為，K為混凝土經nd浸泡后抗壓強度的耐蝕系數，λ(n)為f隨浸泡天數變化的劣化系數。假設：

由于混凝土受硫酸鹽腐蝕劣化是抗壓強度先升后降的過程，據此及函數性質，Kf應滿足如下邊界條件：

（1）當n=0時， Kf=1；

（2）當n→ ∞ 時， Kf→ 0；

（3）在整個函數區間[0 ,n]內，0 ≤ Kf≤1

（5）對于鋼纖維混凝土在整個函數區間[0 ,n]內，二階導數＜ 0。

圖3 J1配比噴射混凝土硫酸鹽腐蝕劣化擬合曲線

圖4 C6配比噴射混凝土硫酸鹽腐蝕劣化擬合曲線

圖5 C8配比噴射混凝土硫酸鹽腐蝕劣化擬合曲線

圖6 C10配比噴射混凝土硫酸鹽腐蝕劣化擬合曲線

依據以上條件可知噴射粗纖維劣化函數為： λ( n)= Bn+ Cn2，所以混凝土的劣化函數為公式（4）：

式中：

Kf—混凝土抗壓強度耐蝕系數（%）；

n—浸泡天數；

B, C—擬合參數。

通過公式（4）對試驗數據擬合得到圖3～圖6。

5 結論

（1）摻量為8kg/m3聚丙烯粗纖維濕噴混凝土的經濟性性、抗腐蝕性和抗壓強度均優于其他摻量纖維濕噴混凝土。說明濕噴混凝土聚丙烯粗纖維的最優摻量在8kg/m3左右；

（2）粗纖維之所以能提高濕噴混凝土的抗腐蝕性能，是由于纖維改善混凝土孔隙結構與纖維外圍存在軟弱界面的兩種作用效應產生的結果；

（3）運用已經擬合的混凝土劣化方程可以預測實際工程纖維濕噴混凝土在硫酸鹽腐蝕的環境下耐久壽命。