南疆鹽漬土地區聚乙烯醇纖維混凝土損傷研究★

王洪宇 王 成 操 靜 亓澤霖

(1.塔里木大學南疆巖土工程研究中心，新疆 阿拉爾 843300；2.塔里木大學水利與建筑工程學院，新疆 阿拉爾 843300)

1 概述

新疆南疆地區大面積分布著鹽漬土，氣候惡劣，晝夜溫差大(通常在12 ℃以上，最大可達35.8 ℃)，降水量遠小于蒸發量(平均降雨量44.6 mm～60.8 mm，年蒸發量為1 980 mm～2 602 mm)，自然災害頻繁[1-3]。鹽漬土環境加上嚴酷的自然氣候使阿克蘇地區既有混凝土建筑物長年經受干濕循環、鹽類腐蝕等侵害，而且多種侵害會有復合作用和聯動損傷，嚴重降低混凝土建筑物的使用壽命，給當地經濟社會快速健康發展帶來嚴重的經濟負擔。因此，如何有效解決本地區特殊氣候和鹽漬土壤環境下混凝土的腐蝕劣化病害已成為亟待解決的問題。

聚乙烯醇纖維是一種新型合成纖維，其抗酸抗堿、高彈模、親水、能與水泥基體很好的粘結[4-6]，在混凝土中添加聚乙烯醇纖維能夠很好的改善混凝土的抗拉、裂和防滲性能[7-9]，Dong Hyun[10]研究發現由于聚乙烯醇纖維具有更強的氫鍵，從而能夠更好地抵抗微裂紋和裂紋擴展，這將在一定程度上改善混凝土開裂導致的外界有害物質的侵入。在聚乙烯醇纖維混凝土的抗鹽侵蝕性能研究上，劉曙光[11]通過試驗顯示聚乙烯醇纖維的加入增加了混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能；黃加圣[12]進行了干濕循環條件下聚乙烯醇纖維混凝土硫酸鹽耐久性研究，研究顯示由于聚乙烯醇纖維有很強的耐堿腐蝕能力，混凝土中的纖維并不會由于硫酸鹽的腐蝕作用而失效，當混凝土受到侵蝕破壞時，纖維可以有效的對混凝土的開裂、孔洞的擴張起到約束作用，從而增強了混凝土對侵蝕作用的抵抗能力。

南疆地區既有混凝土建筑物長期遭受復合鹽侵蝕下的干濕循環作用，現有關于聚乙烯醇纖維混凝土抗鹽侵蝕性能的研究往往都主要集中在單一氯鹽或硫酸鹽的作用。因此，本文緊密結合南疆地區的氣候條件和鹽漬土壤環境，分別開展室內干濕循環試驗和現場暴露試驗，研究鹽蝕—干濕循環作用下聚乙烯醇纖維混凝土抗復合鹽侵蝕性能。可豐富聚乙烯醇纖維混凝土復合鹽侵蝕耐久性研究內容，并為有效解決本地區工程結構混凝土的鹽蝕病害問題提供解決思路或方法。

2 土質分析

以南疆典型鹽漬土區域的阿拉爾市8團為例，在鹽分較重的冬春季進行取樣，并在阿拉爾市天平建材檢測中心對土壤中有害離子的含量進行檢測分析，檢測結果見表1。

表1 土壤易溶鹽含量 g/kg

表2 復合鹽溶液種類及溶液濃度

3 試驗

3.1 原材料

水泥：庫車紅獅水泥有限公司生產的P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，燒失量為4.26%；粉煤灰采用新滬熱電廠生產的Ⅲ級粉煤灰，燒失量為6.2%；粗細集料均由溫宿縣同順砂石料廠提供，其中細集料屬中砂，細度模數為2.7；粗集料為5 mm～40 mm連續級配卵石；減水劑采用阿拉爾市正達商混站提供的高性能減水劑，減水率為27%；聚乙烯醇纖維為上海臣啟化工科技有限公司生產，具體規格見表3。

表3 聚乙烯醇纖維性能指標

基準配合比采用阿克蘇本地區既有混凝土結構中常用的混凝土強度等級C35的配合比，詳見表4。分設聚乙烯醇纖維體積摻量為0%，0.1%，0.2%，0.3%，來確定南疆地區鹽漬土環境下混凝土中摻入聚乙烯醇纖維提高抗復合鹽侵蝕性能的最佳體積摻量。

表4 混凝土基準配合比

3.2 實驗方案

按《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》試件制作尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，澆筑24 h后拆模并放入標準養護室養護28 d。室內干濕循環試驗采用自然環境下的干濕交替，相較于放入試件箱內的干濕循環試驗，自然環境下更貼合現場混凝土所處實際環境，以此通過對比室內外數據得出的混凝土壽命預測加速系數K值更可靠。試驗采用立式半浸泡(200 mm)放置在溶液中，液面以上端部記為A，液面以下端部分記為B，如圖1a)所示。試件先在溶液中浸泡7 d，之后取出按原立式放置在室外環境中8 d，將此15 d作為一個侵蝕齡期。為了試驗結果對比，室外現場暴露試驗是將試件半埋確定復合鹽溶液的鹽漬土處，暴露空氣端部記為A，埋入土中端部記為B，如圖1b)所示，同時保證各試件間距不小于30 cm，每30 d取出試件作為一個侵蝕齡期。試驗每次齡期后進行試件外觀現象觀察、質量和A，B動彈性模量測定。

試驗參數選取相對質量Mr和相對動彈性模量Er為混凝土性能評價指標[17]，計算公式如下：

(1)

其中，Mr為經過n次循環后試件的相對質量；Mn為n次循環后試件的質量；M0為初始測得的試件質量。

(2)

其中，Er為經過n次循環后試件的相對動彈性模量；En為n次循環后試件的動彈性模量；E0為初始測得的動彈性模量。

4 試驗結果分析

4.1 混凝土試件外觀變化

隨著侵蝕齡期的加長，試件在室內外試驗下外觀現象皆有變化。其中，室內干濕循環試件的破壞程度與溶液的濃度呈正相關，同侵蝕齡期下水中試件變化不大，鹽溶液下試件隨溶液濃度增大破壞程度愈大。30 d混凝土的外觀與養護完畢時無明顯變化僅有極微量的表皮剝落，開始出現不明顯的雪花狀物質[18];至60 d混凝土在復合鹽溶液浸泡水平面處出現明顯的雪花狀物質，且隨著溶液濃度的增加雪花狀物質積累越明顯，0%摻量試件養護面已經開始出現裂紋紋理；至90 d時雪花狀物質已布滿整個B端，也隨著溶液濃度的增加雪花狀物質積累越明顯，被10倍溶液浸泡試件已經出現顆粒狀結晶，試件養護面裂紋紋理變多變深相互貫通，已經出現不同程度的水泥漿體脫落導致骨料的裸露(見圖2)。

現場暴露試驗在前期和干濕循環試驗外觀現象相似，先在試件中線處有雪花狀物質出現然后隨著試驗進行雪花狀物質越來越多，但是跟干濕循環試驗不同的是試件只在交界面處雪花狀物質聚積較多，在埋置的余下部分幾乎沒有雪花狀物質。綜合來看室外現場暴露試驗混凝土的損傷多發生在土層與空氣交界面處，此處鹽分容易聚積受侵蝕最強烈(見圖3)。

4.2 干濕循環試驗結果分析

室內干濕循環試件損傷隨溶液濃度增加愈強烈，所以本文著重介紹10倍復合鹽溶液下試件參數變化，如圖4～圖7所示。

由圖4，圖5可以看出，四種摻量試件總體趨勢相同，在第一次干濕循環后質量下降較為明顯，隨后趨于平穩，又有些許上升。從整體相對質量參數可知，PVA 0.2%摻量的相對質量下降較小且波動最為平緩，PVA 0.1%摻量相對質量無論在清水下，還是在復合鹽溶液下波動變化都最為明顯，PVA 0%和PVA 0.3%摻量介于兩者之間。

由圖6，圖7可以看出，四種摻量在不同溶液下都呈現動彈性模量增加的趨勢，在第一次干濕循環后增加最為明顯隨后趨于平穩波動。但是在復合鹽溶液下動彈性模量增加最為明顯且在摻有PVA纖維試件動彈性模量增加最明顯且幾近相同，清水溶液下四種摻量試件動彈性模量波動變化較為明顯。

在干濕循環試驗下混凝土試件在第一次循環后質量下降較為明顯，之后保持在相對平穩的質量波動。原因是初期混凝土在溶液中浸泡有被侵蝕剝落的質量，鹽離子還未開始進入混凝土內部或者僅進入表面，加之混凝土經過8 d的室外干環境，在養護室養護后存在的水分丟失，以上多種原因導致混凝土在初期的質量下降最為明顯。之后的干濕循環混凝土表皮會有剝落，鹽離子也已開始通過試件固有的毛細孔隙[19]進入試件內部開始生成結晶或發生化學反應生成石膏、鈣礬石等物質，這在一定程度增加了試件的質量[20]，但仍沒有剝落所導致的質量降低多，由于第一次循環后水分不會再像之前一樣減少，所以試件質量雖然降低但已沒有上次幅度大。之后隨著干濕循環的進行試件表面已經有裂縫的產生，水分可以更輕松進入試件內部，導致試件質量出現上升。清水溶液下試件質量上升比復合鹽溶液下試件質量上升明顯，這是因為復合鹽溶液下試件隨著試驗的進行試件剝落物會更多，一定程度上抵消了鹽分水分進入試件內部所造成的質量增加，而清水溶液并不能讓試件有更多的剝落。再到后面清水溶液下試件也基本不再上升，而復合鹽溶液下試件質量呈波動。也是因為復合鹽溶液不止有鹽分的進入也有物質的剝落，尤其在90 d時，試件浸泡端已幾乎全部布滿雪花狀物質表明已有較多鹽離子進入混凝土內部，表面也吸附更多的鹽結晶增加了混凝土的質量。四種摻量PVA 0.1%和PVA 0.3%質量降低，PVA 0%和PVA 0.2%升高，表明在干濕循環初期兩摻量試件剝落物更少，抗鹽蝕性能更優。

干濕循環試驗下試件的動彈性模量和質量有相反的趨勢，是先增加再趨于穩定。前期的較大增加是因為混凝土試件在28 d養護后的密實度仍在增加，之后復合鹽溶液下試件動彈性模量趨于穩定是隨著干濕試驗的進行鹽結晶開始進入混凝土內部，增加了混凝土內部的密實性導致試件的動彈性模量一直增加。

4.3 室外暴露試驗結果分析

現場暴露試驗下試件參數變化如圖8，圖9所示。

由圖8可知混凝土試件質量在室外經歷前30 d的增長，60 d～180 d的均勻下降和180 d～300 d的先增加再下降的波動變化。PVA 0.3%質量波動最為穩定；PVA 0.1%的質量變化反而最大，每次的質量損失都最為嚴重；PVA 0%和PVA 0.2%質量變化介于兩者之間，四種摻量質量的變化趨勢和復合鹽干濕循環試驗變化趨勢接近相同。

由圖9可知混凝土試件的動彈性模量在前200 d經歷了緩慢下降過程，200 d之后又開始迅速增加，PVA 0.1%和PVA 0.3%動彈性模量增加最為明顯，其余兩摻量次之。

質量在初期增加是因為試件在放入土壤內就有少量鹽分附著，之后質量開始減少表明隨著鹽分的侵蝕試件在埋置過程中一直有質量的損耗，180 d之后質量增加，表明試件鹽分已開始大量進入混凝土內部，侵蝕速度加快，這也導致了240 d之后試件質量開始逐漸減少。動彈性模量在180 d之前都是在緩慢減少，也是因為試件一直在經受鹽分的侵蝕導致，后期試件動彈性模量迅速增加是隨著侵蝕的加快，鹽分進入混凝土內部，生成的石膏、鈣礬石或者形成的鹽結晶讓試件內部越來越密實，導致動彈性模量一直在增加。

5 結語

本研究根據新疆南疆地區特有的鹽漬土環境，設計了室內干濕循環試驗和現場暴露試驗。通過對試件表觀現象觀察、質量損失、動彈性模量損失判斷聚乙烯醇纖維混凝土的損傷程度，對比四種聚乙烯醇纖維摻量，其中PVA 0.2%摻量在各試驗下數據表現最為穩定，其抗復合鹽干濕循環侵蝕能力最強。