干濕循環作用下氯離子在聚丙烯纖維混凝土中傳輸性能研究

解國梁，申向東，姜 偉，張 斌

(1.黑龍江八一農墾大學土木水利學院，大慶 163319；2.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018)

0 引 言

混凝土因為其優異的性能而成為現代應用最為廣泛的建筑材料[1]，但由于其服役環境的復雜性和多變性，導致一些混凝土結構在使用過程中由于耐久性不足而提前退役。面對持續提高的建筑發展水平，混凝土建筑設計理念亦將混凝土耐久性作為終極追求目標[2]。而對混凝土結構耐久性造成破壞的最大因素之一便是鋼筋銹蝕，氯離子引起鋼筋銹蝕已經嚴重威脅到混凝土結構的耐久性[3-4]。

普通混凝土具有脆性大、易開裂等缺陷，對混凝土結構耐久性不利。而聚丙烯纖維具有優良的抗拉強度、較好的阻裂強化作用，是一種新型混凝土增強材料，可顯著減少混凝土結構原生裂縫，增大混凝土結構抗氯離子滲透能力[5-6]。因而利用聚丙烯纖維制作聚丙烯纖維混凝土是抵抗氯離子侵蝕，提高混凝土結構耐久性的有效途徑。馬保國等[7]利用NEL試驗方法研究了不同摻量及尺寸的聚丙烯纖維對硅灰混凝土抗氯離子侵蝕性能的影響，結果表明：纖維摻量對混凝土氯離子滲透性能影響最大，較低摻量的聚丙烯纖維可以有效降低氯離子的滲透性能，而摻量較高時，氯離子滲透性能反而上升。Ramezanianpour等[8]研究了聚丙烯纖維對混凝土耐久性的影響，并進行了快速氯化物滲透試驗(RCPT)，結果表明：聚丙烯纖維可以堵塞孔隙，從而降低氯離子滲透率，且最佳聚丙烯纖維摻量為0.7 kg·m-3。理想摻量的聚丙烯纖維不僅提高了混凝土抗壓、抗拉強度，而且降低了氯離子擴散及其滲透性能。王晨飛等[9]研究了不同聚丙烯纖維摻量對氯離子擴散性能的影響，結果表明：混凝土內部氯離子含量隨聚丙烯纖維摻量的增加而增大，氯離子結合能力及氯離子擴散系數也隨纖維摻量的增大而增加。王磊等[10]研究了干濕循環作用下不同聚丙烯纖維摻量對混凝土抗氯離子侵蝕性能的影響，結果表明：聚丙烯纖維摻量對混凝土氯離子滲透有著很大影響，在聚丙烯纖維摻量為0.1%(體積分數)時，混凝土抗氯離子滲透性能提升最為明顯，但是過量聚丙烯纖維的摻入反而會起到相反的作用。

目前，已有部分水庫、大壩工程采用聚丙烯纖維摻入制作聚丙烯纖維混凝土(polypropylene fiber concrete， PFC)[11]，以降低混凝土早期原生裂縫及減少后生裂縫的數量和寬度。隨著聚丙烯纖維混凝土應用越來越為廣泛，對其耐久性能的研究也引起大量學者的關注[12-14]。本文針對聚丙烯纖維體積摻量(下同)0%、0.15%、0.30%、0.45%的混凝土進行干濕循環試驗，探究不同聚丙烯纖維摻量對不同干濕循環周期作用下混凝土氯離子傳輸的影響，分析氯離子含量、氯離子結合能力及氯離子擴散系數的變化規律，為聚丙烯纖維混凝土耐久性研究與應用提供理論支撐。

1 實 驗

1.1 材料及配合比

水泥為冀東牌42.5級普通硅酸鹽水泥；粗骨料為5～20 mm的碎石，表觀密度2 570 kg/m3，堆積密度1 550 kg/m3；細骨料為細度模數2.7的普通河砂，顆粒級配良好的Ⅱ區中砂；粉煤灰采用Ⅱ級粉煤灰；減水劑采用聚羧酸高效減水劑，減水率21%；纖維采用聚丙烯纖維，具體指標見表1，試驗配合比及基本性能見表2。

表1 聚丙烯纖維主要性能參數Table 1 Main performance parameters of polypropylene fiber

表2 混凝土配合比及基本性能指標Table 2 Basic performance and mix proportion of test concrete

1.2 試驗方法

采用強制式攪拌機，待試件成型24 h后進行拆模，將拆模后的試件放入標準條件(溫度(20±2) ℃，相對濕度95%以上)下養護28 d。養護完成后，將試塊放入質量分數為3.5%的NaCl溶液中浸泡4 d，而后在85 ℃的恒溫烘干箱中干燥1 d，此為一個干濕循環，每干濕循環30 d為一個測量周期，每個測量周期結束對溶液進行一次更換，最大干濕循環120 d。混凝土氯離子含量測定取樣采用混凝土打磨機逐層取粉，在混凝土深度10 mm之前，每1 mm進行一次取樣，當深度大于10 mm時，每2 mm進行一次取樣。取樣后粉末過篩置入(105±5) ℃烘干箱中烘干2 h備用，混凝土自由氯離子含量和總氯離子含量檢測參照《水運工程混凝土試驗檢測技術規范》JTS/T 236—2019水溶萃取法和酸溶萃取法進行。

2 結果與討論

2.1 自由氯離子含量變化情況

自由氯離子(Cf)是一種可以在混凝土內部擴散的離子，當其透過混凝土保護層到達鋼筋表面并聚集到一定濃度時，則會引起鋼筋銹蝕，因而抗氯離子侵蝕性是混凝土耐久性能的一項重要指標。圖1是自由氯離子含量隨深度變化的曲線關系。從圖1可見，混凝土中自由氯離子含量隨著混凝土深度的增加呈現先增大后減小的趨勢。在深度3 mm處氯離子含量達到最大值，而隨著深度的持續增加，氯離子含量逐漸下降。當深度繼續增加，氯離子含量下降趨勢變緩，逐漸趨于水平。分析其原因,氯離子侵入混凝土主要分兩個階段三個區域進行，干燥的混凝土表層接觸到溶液時，溶液由于毛細吸收作用進入混凝土內部，即“燈芯”效應[15]，隨著溶液逐漸累積，混凝土內部逐漸飽和。干燥時混凝土表層水分蒸發，混凝土孔隙氯離子濃度增大，多次干濕循環導致混凝土表層某區域處形成高濃度氯離子區。氯離子含量上升階段便是對流區，主要以毛細吸收和水分蒸發對流遷移。經過氯離子高濃度區域之后，氯離子傳輸方式由毛細吸收變換為擴散的方式，從高濃度區域逐漸向混凝土深處擴散，這便是氯離子擴散區，氯離子含量隨著深度逐漸下降，氯離子主要以擴散的方式向內部傳輸。而在混凝土內部較深區域，外界氯離子傳輸未滲入其中，其氯離子主要是隨原材料進入，在氯離子含量曲線上表現為水平。

圖1 自由氯離子含量隨深度變化曲線Fig.1 Variation curves of free chloride ion contentchanging with depth

圖2是混凝土不同深度處自由氯離子含量(質量分數，下同)隨聚丙烯纖維摻量變化的關系圖。從圖2可以看出，整體上隨著纖維摻量的增大，相同深度處自由氯離子含量呈現先減小后增大的趨勢。聚丙烯纖維摻量為0.15%時自由氯離子含量達到最低，摻量0.45%時自由氯離子含量最大。在3 mm處聚丙烯纖維摻量0%的基準組P1的Cf為0.25%，而P2組混凝土Cf為0.22%，相對P1組下降了13.04%，P4的Cf為0.30%，相對P1組上升了20%。由此可見，適量聚丙烯纖維摻入有利于混凝土結構抗氯離子侵蝕，而過量聚丙烯纖維的摻入為氯離子滲透提供了便利條件。一方面少量聚丙烯纖維的摻入能夠密實混凝土結構，減少混凝土在成型硬化過程中的泌水，從而減小混凝土孔隙結構泌水造成的收縮應力。另一方面，聚丙烯纖維相對混凝土漿體彈性模量較高，纖維與漿體之間的粘接力可降低混凝土早期開裂，從而有利于混凝土結構抵抗氯離子侵蝕。而隨著混凝土結構密實度的持續增加，聚丙烯纖維對其作用有限。持續大量聚丙烯纖維的摻入導致纖維分布不均，混凝土內部連通孔隙增多，對混凝土結構抗氯離子滲透性能產生不利影響。

圖2 自由氯離子含量隨聚丙烯纖維摻量變化圖Fig.2 Graph of free chloride ion content changingwith polypropylene fiber content

2.2 氯離子結合能力

自由氯離子(Cf)對鋼筋混凝土耐久性的影響得到普遍認可，結合氯離子(Cb)并不穩定，在一定條件下會失穩釋放，具有與自由氯離子(Cf)相同的擴散能力和腐蝕性[16]。圖3是聚丙烯纖維混凝土結合氯離子含量(Cb)隨深度的變化關系，由圖3可見，隨著測量深度的增加，結合氯離子含量呈下降趨勢，而后趨向于水平。結合氯離子下降段和水平段的氯離子分別來自外界滲入和混凝土自帶氯離子，而混凝土自帶氯離子在28 d完成氯離子的結合[17]，即在外界氯離子滲入之前已基本完成對自帶氯離子的結合，因而導致在曲線后半段呈現水平趨勢。各試驗組混凝土自由氯離子含量和總氯離子含量之間有著較好的線性關系，結合胡蝶等[18]研究發現，則認為氯離子的結合能力和深度關系不大。結合氯離子含量隨深度增大逐漸減小主要是混凝土中自由氯離子含量減小導致。

圖3 結合氯離子隨深度變化曲線Fig.3 Variation curves of binding chloride ion with depth

利用Cb與Cf之間良好的線性吸附關系，得出氯離子結合能力R與線性吸附系數α之間的等式關系[19]如下：

(1)

通過式(1)計算得出各組混凝土氯離子結合能力，如表3所示。從表3中數據可以看出，隨著聚丙烯纖維摻量的增大，R呈現先減小后增大的趨勢，P2組R值相對P1組降低了7.69%，P4組R值相對P1增大了26.92%。分析其原因是：0.15%聚丙烯纖維的摻入，堵塞了混凝土水分和氯離子的傳輸通道，并且由于基體內部錯綜復雜纖維的橋接作用，抑制了混凝土在成型及損傷時裂縫的延伸擴展，分散裂縫尖端的應力集中。而隨著聚丙烯纖維持續摻入，纖維結團造成混凝土內部孔隙增多，這些孔隙和裂紋為水分和氯離子的傳輸帶來便利，使得混凝土內部自由氯離子含量增多，氯離子結合C-S-H凝膠幾率增大，同時孔隙表面對氯離子的物理吸附作用也更加顯著。

表3 氯離子結合能力RTable 3 Chloride binding capacity R

以聚丙烯纖維摻量為橫坐標，氯離子結合能力為縱坐標，通過數據擬合，得出聚丙烯纖維摻量0%～0.45%范圍內，氯離子結合能力R與纖維摻量x之間的關系為：

R=0.89x2-0.24x+0.26

(2)

聚丙烯纖維摻量和氯離子結合能力關系擬合結果見圖4，相關系數為0.99，擬合相關性良好。通過式(2)便可得出在聚丙烯纖維摻量范圍內的特定摻量下，混凝土氯離子的結合能力。

圖4 聚丙烯纖維摻量和氯離子結合能力關系Fig.4 Relationship between polypropylene fiber contentand chloride binding capacity

2.3 氯離子擴散系數

氯離子擴散系數D作為反應混凝土抵抗氯離子侵蝕的重要指標，對混凝土耐久性研究具有重要意義[20-21]。依據混凝土擴散區氯離子含量并結合Fick第二擴散定律，得到各組混凝土干濕循環不同周期下的擴散系數D值。圖5是干濕循環一定周期下，混凝土氯離子擴散系數D隨聚丙烯纖維摻量變化關系圖。從圖中曲線可以看出，干濕循環前期，隨著聚丙烯纖維摻量的增大，擴散系數D呈現先減小后增大的趨勢。干濕循環30 d時，摻量0.15%時達到最低值7.46×10-6mm2·s-1，相對于P1降低了5.93%，摻量0.45%時達最大值10.83×10-6mm2·s-1，相對P1增大了36.57%。在干濕循環前期，少量聚丙烯纖維的摻入優化了混凝土內部孔隙，水分及氯離子傳輸通道受阻，因而導致在干濕循環30 d時曲線隨摻量增大首先呈現出下降趨勢。而隨著聚丙烯纖維摻量的持續增大，纖維在混凝土內部分散性較差、易于結團，影響混凝土結構的密實性，引入毛細孔及薄弱界面區，氯離子易于在基體內部傳輸擴散。因此干濕循環前期30 d時曲線隨聚丙烯纖維摻量增大而出現上升的趨勢。隨著干濕循環周期的持續進行，氯離子擴散系數曲線逐漸趨于水平，干濕循環后期呈現減小的趨勢。干濕循環120 d時，曲線隨聚丙烯纖維摻量增大呈下降趨勢，摻量0%的基準組氯離子擴散系數值最大為3.98×10-6mm2·s-1，而P4組達到最小值2.17×10-6mm2·s-1，比P1組小45.48%。摻聚丙烯纖維的試驗組氯離子擴散系數均小于未摻纖維的基準組，較P1基準組平均下降了29.48%，說明在干濕循環作用后期，聚丙烯纖維的摻入有利于混凝土抵抗氯離子的侵入。分析其原因：干濕循環作用下不斷有鹽晶及蒸氣壓對混凝土造成破壞，混凝土中原生裂縫的寬度及長度都在持續增長，而且不斷有新生裂縫的形成，給混凝土中氯離子傳輸提供了通道。摻入聚丙烯纖維的混凝土，由于纖維與混凝土基體之間存在粘接力，纖維的橋接作用將斷裂處的應力作用傳輸給未開裂部分。并且纖維可以緩和應力集中，改變裂縫延伸路徑，增大裂縫延伸所耗能量，減少裂縫數量及長度。纖維的阻裂作用大于其帶來更多孔隙的不利影響，因而有利于抵抗氯離子的侵入。

圖5 氯離子擴散系數隨纖維摻量變化關系Fig.5 Relationship between chloride ion diffusioncoefficient and fiber content

Thomas氯離子擴散系數隨時間變化的時變模型如式(3)[22]：

(3)

式中：D0為時間t0時的氯離子擴散系數；Dt為時間t時氯離子擴散系數；m為時間依賴性系數。

通過式(3)對測得氯離子擴散系數進行擬合，可得到各組混凝土氯離子擴散系數時間依賴系數，如表4所示，時間依賴系數擬合圖見圖6。從圖6各組混凝土氯離子擴散系數走勢可以發現，氯離子擴散系數隨著干濕循環周期的增長，呈現下降趨勢。這是由于隨著干濕循環的進行，混凝土內部不斷水化密實，并且纖維的橋接能力增強，因而抗氯離子侵蝕能力增大。而由表4可見，試驗組的混凝土時間依賴性系數均大于未摻纖維的基準組，說明摻纖維之后混凝土抗氯離子侵蝕能力提高，減弱了干濕循環作用對混凝土的破壞作用。

圖6 時間依賴系數擬合圖Fig.6 Time-dependent coefficient fitting diagram

表4 時間依賴性系數 mTable 4 Time dependence coefficient m

3 結 論

(1)自由氯離子含量隨深度增大而先增后減，在3 mm處形成氯離子高濃度區。0.15%(體積分數)聚丙烯纖維的摻入降低了混凝土中自由氯離子含量，但過量聚丙烯纖維的摻入容易結團引入薄弱界面，導致混凝土中氯離子含量增大。

(2)聚丙烯纖維的摻入提高了混凝土氯離子結合能力，在聚丙烯纖維體積摻量0%～0.45%范圍內，氯離子結合能力與聚丙烯纖維摻量之間存在較好的二次函數關系。

(3)以氯離子擴散系數為指標，聚丙烯纖維的摻入有利于混凝土抵抗氯離子侵蝕，并且在干濕循環后期，摻量越大效果越好。摻聚丙烯纖維的混凝土時間依賴系數大于未摻纖維的混凝土。