玄武巖-聚丙烯纖維增強混凝土電阻率模型*

孫 振，牛荻濤，張 路，張 劍

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安 710055；2.西安建筑科技大學(xué) 省部共建西部綠色建筑國家重點實驗室，西安 710055)

0 引 言

纖維增強混凝土是在混凝土中摻入短而不連續(xù)的纖維而形成的水泥基復(fù)合材料，常見的纖維有玄武巖纖維、聚丙烯纖維、鋼纖維、玻璃纖維和碳纖維等。纖維分散在混凝土基體中，它們的分布和取向受到邊界條件、混凝土流變性能和澆鑄過程的影響[1-3]。混凝土中摻入纖維的目的是通過橋接離散裂縫來更好地控制斷裂過程，增加混凝土的斷裂能量，增強混凝土的韌性，從而提高混凝土的延性[4]。

電阻率作為一種評價水泥基材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的無損性能指標(biāo)越來越受到重視[5-7]。該方法測試成本低、操作簡單，而且為施工人員實時、不間斷地監(jiān)測現(xiàn)澆混凝土提供了可能[8-9]。已有研究表明，電阻率法可以評估混凝土的抗壓強度和彈性模量[10-11]、水泥基材料的抗氯離子侵蝕性能[12]以及嵌在混凝土中鋼筋的腐蝕風(fēng)險[13-16]等。由此表明，電阻率是表征混凝土整體性能的一個重要參數(shù)。

國內(nèi)外研究學(xué)者對碳纖維混凝土[17-18]以及鋼纖維混凝土電阻率[19-20]研究較多，而對玄武巖-聚丙烯纖維增強混凝土的電阻率研究較少。基于課題組前期研究成果，采用改進二電極交流電法[21-22]測試BPFRC電阻率，該方法克服了直流電試驗方法易發(fā)生極化反應(yīng)以及在長時間電壓作用下溶液產(chǎn)生熱量，干擾試驗數(shù)據(jù)的缺點，且交流電導(dǎo)測值與ASTM C1202電量測值有良好的相關(guān)關(guān)系；本文分析了纖維種類、混雜方式、摻量以及水膠比等因素對BPFRC電阻率的影響，并通過壓汞試驗，研究了BPFRC孔結(jié)構(gòu)，從機理上分析了BPFRC電阻率的差異。另外，基于本文試驗數(shù)據(jù)，考慮了環(huán)境溫度、濕度、纖維、水膠比等因素，建立了BPFRC電阻率模型。

1 實 驗

1.1 原材料及配合比

試驗選用膠凝材料為P.O.42.5R級普通硅酸鹽水泥、Ⅱ級粉煤灰、S95級礦渣粉、V2000-95級硅灰，其化學(xué)組成和物理性能分別如表1、2所示。玄武巖纖維(BF)及聚丙烯纖維(PF)的物理力學(xué)性能如表3所示。粗骨料為粒徑5～20 mm的涇陽山碎石，表觀密度為2.65 g/cm3，堆積密度為1.45 g/cm3。細骨料為灞河中砂，細度模數(shù)為2.8，表觀密度為2.65 g/cm3，堆積密度為1.44 g/cm3。拌合水為試驗室自來水。選用減水率為30%的聚羧酸高性能減水劑。

表1 膠凝材料的化學(xué)組成(kg/m3)

表2 膠凝材料的物理性能

表3 玄武巖纖維和聚丙烯纖維的物理力學(xué)性能

基于課題組前期研究[23]，得到了BPFRC的最優(yōu)配合比，如表4所示。其中，a-b-c中，a表示纖維種類，BC、PC、BPC分別表示單摻玄武巖纖維、單摻聚丙烯纖維以及混雜纖維；b表示混凝土強度；c表示纖維摻量(體積摻量)。如BPC-30-0.1：基準(zhǔn)強度C30下，混雜纖維摻量為0.1%(0.05%BC+0.05%PC)。

表4 混凝土配合比

1.2 孔結(jié)構(gòu)測試

考慮到飽和稱重法測試孔隙率精確度不足，本文選用壓汞法測試混凝土的孔隙率，待混凝土試件養(yǎng)護90 d后，將混凝土試塊放在壓力機上劈開，隨機選用較小的混凝土試樣，測試孔結(jié)構(gòu)的大小。選用Auto Pore IV 9500型壓汞儀，測試不同纖維種類、混雜方式、摻量及水膠比下BPFRC的孔隙率和孔結(jié)構(gòu)分布。

1.3 改進交流電阻率測試方法

采用改進二電極交流電法[21-22]測BPFRC飽和電阻率，該方法克服了直流電壓下混凝土接觸部分發(fā)生極化反應(yīng)的缺點，并提高了測試的精確度。各配合比制作3個試塊，尺寸為100 mm×100 mm×50 mm，并在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護90 d；將試塊真空飽和完成后進行電阻率測試，其測試裝置如圖1所示。將試塊夾在試驗槽之間，端部與電極接觸，用螺栓固定試驗槽，試塊與試驗槽之間的縫隙用密封膠密封；密封膠固化后，將試驗槽平放，使注射口向上，注入3% NaCl；最后，連接試驗槽與交流測量設(shè)備，在設(shè)備上直接得到交流電阻值，并由式(1)計算BPFRC電阻率:

圖1 交流電阻率測試儀器

(1)

式中：L為試塊高度，取值50 mm；R為電阻實測值；A為試塊截面積，取值100 mm×100 mm；ρ為BPFRC電阻率，kΩ·cm。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 BPFRC孔結(jié)構(gòu)分析

通過對混凝土孔結(jié)構(gòu)的測試，得到了BPFRC的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，如圖2(a)、(b)所示。C30基準(zhǔn)強度下，NC-30、BC-30-0.1、PC-30-0.1、BPC-30-0.1、BPC-30-0.2的總孔隙率分別為13.51%、14.05%、15.38%、14.59%、15.62%，相較于NC-30，BPFRC總孔隙率略有提高。而從圖2(b)可見，相較于NC-30，除BPC-30-0.2外，BPFRC無害孔(孔徑≤20 nm)較少，而其少害孔(孔徑≤50 nm)較多，多害孔(孔徑>200 nm)較少，增加50 nm以下的少害孔和減少200 nm以上的多害孔可改善和提高混凝土的性能[24]，這表明纖維的摻入優(yōu)化了混凝土的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)。最可幾孔徑是混凝土中形成連通孔道的最小孔徑值，NC-30、BC-30-0.1、PC-30-0.1、BPC-30-0.1、BPC-30-0.2的最可幾孔徑分別為54.5、50.4、54.5、54.4、55.5 nm，對比發(fā)現(xiàn)，BC-30-0.1、PC-30-0.1、BPC-30-0.1的最可幾孔徑均不大于NC-30，進一步驗證了適當(dāng)比例的纖維細化了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，增加了少害孔的數(shù)量。相較于NC-30，BPC-30-0.2無害孔(孔徑≤20 nm)和少害孔(孔徑≤50 nm)較少，最可幾孔徑較大，這表明纖維摻入比例過高，BPFRC中纖維間距較小并且出現(xiàn)重疊，導(dǎo)致BPFRC中纖維與水泥漿體粘結(jié)能力變差，產(chǎn)生了較多的多害孔(孔徑>200 nm)。

圖2 BPFRC孔結(jié)構(gòu)

同時，由圖4可得，BC-30-0.1、BC-40-0.1、BC-50-0.05總孔隙率分別為14.05%、11.59%、8.05%，不同基準(zhǔn)強度下，隨著BPFRC強度等級的提高，總孔隙率依次下降，其中，無害孔(孔徑≤20 nm)的數(shù)量增加，多害孔數(shù)量(孔徑>200 nm)減少，少害孔(孔徑≤100 nm)數(shù)量變化不明顯。另外，測試得到BC-30-0.1、BC-40-0.1、BC-50-0.05的最可幾孔徑分別為50.4、52.3、52.3 nm，最可幾孔徑略有提高，而總孔隙率變化較大，在此總孔隙率對BPFRC的性能影響更為顯著。

圖4 BPFRC電阻率預(yù)測

2.2 BPFRC電阻率分析

選用改進二電極交流電法測試了BPFRC電阻率，得到了BPFRC電阻率，如圖3所示。C30基體下，相較于NC-30，PC-30-0.1、BC-30-0.1、BPC-30-0.1、BPC-30-0.2電阻率分別提高了11.3%、20.5%、29.4%、-23.0%。相較于NC-30，除BPC-30-0.2外，纖維的摻入有效提高了混凝土電阻率，其原因如下：混凝土水化伴隨著大量的干縮裂縫，降低了混凝土的密實程度，而玄武巖纖維的摻加在混凝土內(nèi)部形成一種亂向分布體系，能夠抑制和阻礙各種微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，有效地抑制連通裂縫的產(chǎn)生，改善混凝土的密實性，如2.1節(jié)分析，少害孔(孔徑≤50 nm)數(shù)量增加，多害孔(>200 nm)數(shù)量減少，最可幾孔徑減小，提高了混凝土電阻率[25]。另外，在混凝土拌制過程中，會產(chǎn)生分層離析現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土中引入大量的氣孔，提高了混凝土的孔隙率，降低了混凝土的密實度，而摻入聚丙烯纖維可以在混凝土中對骨料具有“承托”作用，顯著改善混凝土的分層離析現(xiàn)象，使得混凝土中少害孔(孔徑≤50 nm)增加，多害孔(>200 nm)減少，提高了混凝土電阻率。另外，在纖維摻量均為0.1% 時，相較于聚丙烯纖維，玄武巖纖維提高混凝土電阻率更為明顯，其原因如下：相較于聚丙烯纖維，玄武巖纖維單絲直徑較小，在摻量均為0.1%時，其單絲更多，在混凝土基體中分布更密集，在混凝土水化過程中更有效的限制初始裂縫的產(chǎn)生及擴展，從圖2(b)可見，BC-30-0.1中無害孔(孔徑≤20 nm)和少害孔(孔徑≤50 nm)的總比例明顯多于PC-30-0.1，改善了混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，提高了混凝土的密實性，增大了混凝土的電阻率。

圖3 BPFRC電阻率

相較于對照組NC-30，在混凝土中混摻適量體積(0.1%)的玄武巖纖維和聚丙烯纖維時，可以有效提高混凝土電阻率；而當(dāng)摻量達到0.2%時，降低了混凝土電阻率。下面對此結(jié)論進行分析：纖維的摻入提高了混凝土的密實程度，而混雜纖維且摻量為0.1%時綜合了兩種纖維的優(yōu)點，少害孔(孔徑≤50 nm)數(shù)量增多，多害孔(>200 nm)數(shù)量減少，進一步提高了混凝土的密實程度，提高了混凝土的電阻率。而對于混雜纖維且摻量為0.2%的混凝土，由于纖維摻量過大，混凝土內(nèi)纖維間距較小，產(chǎn)生重疊現(xiàn)象，如圖2(a)、(b)所示，混凝土孔隙率提高，無害孔(孔徑≤20 nm)數(shù)量減少，多害孔(>200 nm)數(shù)量增多，密實度下降嚴重，電阻率降低。

同時，不同強度下，相較于BC-30-0.1，BC-40-0.1、BC-50-0.05電阻率分別提高了18.3%和44.8%。對此試驗結(jié)論，本文進行了如下分析：根據(jù)2.1節(jié)實驗數(shù)據(jù)可得，相較于BC-30-0.1，BC-40-0.1增加了水泥和礦渣摻量，總孔隙率下降，無害孔(孔徑≤20 nm)的數(shù)量增加，使得其結(jié)構(gòu)更加致密，界面結(jié)構(gòu)得到改善，提高了混凝土電阻率；而BC-50-0.05則增加了水泥和礦渣摻量，降低了粉煤灰和硅灰的摻量，從而在保證工作性能的基礎(chǔ)上，減少了多余水分蒸發(fā)產(chǎn)生的毛細孔，以及增大磨細礦渣的含量一方面改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu)和級配，如圖2(a、b)所示，總孔隙率下降，無害孔(孔徑≤20 nm)數(shù)量增加，多害孔(>200 nm)數(shù)量減少，使孔細化，提高了混凝土的電阻率。

3 BPFRC電阻率模型

影響混凝土電阻率的因素眾多，主要有濕度、溫度、摻合料、齡期等[26-27]，研究者建立了諸多的模型，其中，宋華模型[26]主要考慮了礦物摻合料的影響，Sol-gaard模型[27]主要考慮了鋼纖維這一影響因素，而對玄武巖-聚丙烯纖維增強混凝土的電阻率，國內(nèi)外未曾有人研究，本文引入α、β、γ、χ、ε等參數(shù)，考慮纖維種類、摻量、混雜方式及水膠比對BPFRC電阻率的影響，建立公式(2)。

(2)

式中：α、β、γ、χ分別為水膠比、玄武巖纖維、混雜纖維及聚丙烯纖維對混凝土電阻率的影響系數(shù)；ε為常數(shù)；VB、VP分別為玄武巖纖維和聚丙烯纖維的體積摻量，%；ω/b為混凝土水膠比，對于C30、C40和C50混凝土分別取為0.44、0.38和0.29。

考慮到纖維摻量0.2%時，電阻率下降，BPFRC性能降低，實際工程中不采取，因此去掉本組數(shù)據(jù)，通過得到的18組數(shù)據(jù)擬合得到了BPFRC電阻率模型，其相關(guān)系數(shù)大于0.97，如公式(3)所示：

(3)

式(3)為真空保水情況下采用改進二電極交流電法得到的BPFRC電阻率模型，實際環(huán)境中，電阻率受到環(huán)境溫度、孔隙水飽和度的影響，Hope[28]經(jīng)過試驗研究和理論推導(dǎo)得到混凝土電阻率溫度影響系數(shù)，如式(4)所示。Gjoerv[29]對不同孔隙水飽和度的混凝土電阻率進行了試驗研究，本文對其試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到了孔隙水飽和度與混凝土電阻率的關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.99，如式(5)所示。而對混凝土孔隙水飽和度，其與混凝土所處環(huán)境濕度有關(guān)，Sun[30]采用式(6)、(7)來估算環(huán)境相對濕度和孔隙水飽和度的關(guān)系。

(4)

ρS=ρS-1.7567

(5)

S=RH-0.15(RH=50%～90%)

(6)

S=5RH-3.85(RH>90%)

(7)

最終，考慮到纖維、摻合料、水膠比、溫度、濕度等因素的影響，建立BPFRC電阻率模型，如式(8)、(9)所示。該BPFRC電阻率模型的擬合結(jié)果與試驗結(jié)果的一致性較好，各擬合結(jié)果與試驗結(jié)果的相關(guān)系數(shù)大于0.9，模型考慮的影響因素較多，此模型可較為方便地應(yīng)用于BPFRC電阻率的預(yù)測。

(8)

(9)

4 結(jié) 論

制備了玄武巖-聚丙烯纖維增強混凝土(BPFRC)，研究了不同水膠比及纖維種類、摻量、混雜方式等影響因素下BPFRC的電阻率和孔隙率，得到的主要結(jié)論如下：

(1)采用改進二電極交流電法測試BPFRC電阻率，該方法克服了直流電法易發(fā)生極化反應(yīng)以及在長時間電壓作用下溶液產(chǎn)生熱量，干擾試驗數(shù)據(jù)的缺點。

(2)C30基準(zhǔn)強度下，相較于NC-30，BPFRC孔隙率略有提升，除了BPC-30-0.2，BPFRC無害孔較少，少害孔較多，最可幾孔徑較小，而BPC-30-0.2無害孔和少害孔均較少，最可幾孔徑較大；隨著BPFRC強度提高，孔隙率減小，無害孔增多，多害孔減少。

(3)C30基準(zhǔn)強度下，相較于NC-30，PC-30-0.1、BC-30-0.1、BPC-30-0.1電阻率分別提高了11.3%、20.5%、29.4%、-23.0%；相較于BC-30-0.1、BC-40-0.1、BC-50-0.05，電阻率分別提高了18.3%和44.8%。

(4)基于本文測試數(shù)據(jù)，考慮了環(huán)境溫度、濕度、纖維、水膠比等因素建立了BPFRC電阻率模型。