酸雨侵蝕作用下纖維混凝土損傷劣化規(guī)律研究

于建超

(圍場(chǎng)滿族蒙古族自治縣金盛建筑工程檢測(cè)有限公司，河北 承德 068450)

1 概述

我國(guó)酸雨面積區(qū)占國(guó)土面積40%，已成為全球第三大酸雨區(qū)[1]。酸雨會(huì)對(duì)人體健康、生態(tài)系統(tǒng)及建筑設(shè)備產(chǎn)生不利影響，目前已成為一個(gè)區(qū)域性的環(huán)境問(wèn)題。混凝土由于其在材料成本、力學(xué)性能和用途廣泛等方面的優(yōu)勢(shì)，廣泛運(yùn)用在民用和工業(yè)建筑領(lǐng)域[2]。但對(duì)處于酸雨區(qū)的建筑物，受到酸雨的侵蝕其耐久性會(huì)下降。酸雨對(duì)無(wú)機(jī)非金屬材料的腐蝕是由H+溶解侵蝕和SO2-4 膨脹侵蝕共同作用造成的。混凝土中的膠凝材料由于酸雨的侵蝕會(huì)發(fā)生復(fù)雜的物理及化學(xué)變化，導(dǎo)致混凝土逐層剝落及力學(xué)性能下降，對(duì)建筑行業(yè)有潛在的危險(xiǎn)性。因此有效預(yù)防酸雨環(huán)境對(duì)混凝土的侵蝕十分重要。

目前針對(duì)混凝土抗酸雨侵蝕問(wèn)題主要集中在礦物摻合料方面[3-5]，對(duì)纖維混凝土的研究報(bào)道相對(duì)罕見(jiàn)。纖維可細(xì)化混凝土微觀構(gòu)造，有效制約微裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展，從而提高混凝土韌性，改善混凝土抗?jié)B、抗凍等耐久性能[6]。何銳等[7]進(jìn)行了纖維混凝土抗腐蝕性試驗(yàn)，結(jié)果證明纖維可有效延遲試塊的破壞和剩余應(yīng)力的消除，能顯著提高混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能。寇佳亮等[8]采用硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)對(duì)高延性混凝土(HDFC) 進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，發(fā)展150 次后HDFC 仍具有高強(qiáng)度、良好的韌性以及裂縫控制能力。王學(xué)志等[9]對(duì)比單摻纖維混凝土以玄武巖-聚丙烯混雜纖維混凝土進(jìn)行耐腐蝕試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)1∶2 摻量混雜纖維混凝土在28 d 耐蝕系數(shù)提高最為明顯，遠(yuǎn)優(yōu)于單摻纖維混凝土系列。其他研究人員也對(duì)混凝土進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究[10-13]，普遍認(rèn)為纖維對(duì)混凝土耐久性能增強(qiáng)效果明顯。混摻不同彈性模量、抗拉強(qiáng)度的纖維使其發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn)對(duì)混凝土研究領(lǐng)域是熱門方向。

湖南省是我國(guó)中南部地區(qū)酸雨污染重災(zāi)區(qū)，本文通過(guò)模擬湖南酸雨環(huán)境進(jìn)行混凝土酸雨侵蝕試驗(yàn)，以鋼纖維、PP 纖維摻量為變化因素，將循環(huán)周期內(nèi)測(cè)得的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、動(dòng)彈性模量以及質(zhì)量損失率進(jìn)行損傷規(guī)律分析并解釋損傷機(jī)理。再通過(guò)綜合損傷變量公式建立酸雨侵蝕作用下纖維混凝土損傷模型。以期為纖維混凝土的研究和實(shí)際工程建設(shè)提供參考。

2 試驗(yàn)方案

2．1 試驗(yàn)原材料及配合比

水泥選用石井牌P．C32．5 復(fù)合硅酸鹽水泥，經(jīng)測(cè)定水泥體積安定性合格;粉煤灰選用湖南寶隆科技發(fā)展有限公司提供的Ⅱ級(jí)粉煤灰，其比表面積為396 m2/kg;膠凝材料化學(xué)組分見(jiàn)表1。減水劑選用FDN-1 高效減水劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2．3%。試驗(yàn)所用細(xì)骨料為長(zhǎng)沙天然河砂，堆積密度為1 580 kg/m3，表觀密度2 479 kg/m3;天然粗骨料為長(zhǎng)沙本地出售的天然碎石子，采用三種間斷級(jí)配:4．75 mm ～9．5 mm，9．5 mm ～16 mm，16 mm ～19 mm;水選用中南林業(yè)科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)室普通自來(lái)水;鋼纖維和聚丙烯(PP) 纖維主要性能詳見(jiàn)表2。模擬酸雨溶液由濃硝酸、硫酸鈉及蒸餾水混合配置而成，保持濃硝酸與硫酸鈉質(zhì)量比為1∶6[14];采用上海雷磁便攜式酸度計(jì)PHBJ-260 測(cè)量酸雨溶液pH值。取鋼纖維摻量、PP 纖維摻量作為正交試驗(yàn)變量條件進(jìn)行兩水平兩因素正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。PP 纖維體積摻量分別為0．05%，0．1%; 鋼纖維體積摻量分別為2%，4%; 水灰比(質(zhì)量比) 為0．38。正交因素配合比見(jiàn)表3。

表1 膠凝材料各化學(xué)組成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表2 纖維主要物理性能參數(shù)

2．2 試驗(yàn)過(guò)程及方法

按照表3 預(yù)先設(shè)計(jì)好的配合比制備試件，配制建筑工程較常用的C30 混凝土。按照配合比計(jì)算出準(zhǔn)確的材料用量，將水泥、砂、石子、鋼纖維和粉煤灰同時(shí)倒入攪拌機(jī)中進(jìn)行干拌，45 s 后添入75%的水轉(zhuǎn)為濕拌，再將分散開(kāi)的PP 纖維加入并攪拌均勻，最后把剩余的水和減水劑倒入攪拌機(jī)內(nèi)充分?jǐn)嚢?80 s，保證纖維在混凝土中均勻分布。攪拌結(jié)束后將混凝土倒入10 cm ×10 cm ×10 cm模具中，經(jīng)振動(dòng)臺(tái)振實(shí)成型間隔24 h 后進(jìn)行脫模處理，然后將混凝土放自動(dòng)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d。

表3 混凝土正交配合比

依據(jù)湖南省環(huán)境檢測(cè)中心站[15]監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析，湖南省14 個(gè)地區(qū)酸雨pH 年均值不大于5．0，酸雨頻率大于50%。本試驗(yàn)通過(guò)蒸餾水、濃硝酸和硫酸鈉配置酸雨溶液。硫酸鈉用來(lái)調(diào)節(jié)SO2-4 濃度，濃硝酸用來(lái)調(diào)節(jié)pH 值，pH 值取5．0。將養(yǎng)護(hù)完成的試塊全浸泡在酸雨溶液中，浸泡8 d 后取出晾干2 d 為一個(gè)干濕循環(huán)，每?jī)纱胃蓾窠惶鏋橐淮未笱h(huán)。該方法較湖南降雨過(guò)程相似，全浸泡等同于混凝土抵抗酸雨腐蝕過(guò)程，晾干等同于雨后混凝土自然環(huán)境狀態(tài)。在全浸泡過(guò)程中混凝土內(nèi)部堿性物質(zhì)會(huì)與溶液中強(qiáng)酸根離子中和反應(yīng)致使溶液pH 上升，為了保持pH 值及SO2-4 濃度不變，每隔12 h 使用酸度計(jì)測(cè)定溶液pH 值，并還原至起始值。每進(jìn)行一次大循環(huán)重新配置酸雨溶液，共計(jì)進(jìn)行10 次大循環(huán)。

參考GB/T 50746—2012 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范[16]相關(guān)規(guī)定，在試驗(yàn)起始階段測(cè)量混凝土的質(zhì)量、動(dòng)彈性模量、抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，每進(jìn)行一次大循環(huán)測(cè)定其相應(yīng)變化值。大循環(huán)過(guò)程中若試塊質(zhì)量損失率超過(guò)5%或動(dòng)彈性模量損失率超過(guò)40%，表明試塊遭受破壞，結(jié)束該組試驗(yàn)。混凝土在酸雨侵蝕試驗(yàn)中，質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量能夠較好的反映混凝土損傷劣化程度，相應(yīng)計(jì)算公式如式(1) ，式(2) 所示:

其中，Qf為質(zhì)量損失率;Er為相對(duì)動(dòng)彈性模量;G0為起始階段試件的質(zhì)量;Gn為酸雨侵蝕n次大循環(huán)后試件的質(zhì)量;f0為起始階段橫向共振頻率;fn為酸雨侵蝕n次大循環(huán)后試件橫向共振頻率。

3 結(jié)果與分析

3．1 相對(duì)動(dòng)彈性模量與質(zhì)量損失率

酸雨侵蝕大循環(huán)過(guò)程中硫酸根會(huì)侵蝕混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，干濕循環(huán)條件能加速酸根離子向其內(nèi)部的傳輸過(guò)程，內(nèi)部孔隙長(zhǎng)期經(jīng)受酸雨腐蝕會(huì)生成裂縫，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能降低。相對(duì)動(dòng)彈性模量(Er) 以及質(zhì)量損失率(Qf) 能夠很好的反映混凝土耐久性的劣化程度。圖1，圖2 分別為不同配比纖維混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量、質(zhì)量損失率和酸雨溶液侵蝕大循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線圖。

圖1 相對(duì)動(dòng)彈性模量

圖2 質(zhì)量損失率

從圖1 可以看出酸雨侵蝕作用下混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量經(jīng)循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低。在酸雨干濕循環(huán)侵蝕初期，不同試件曲線下降波動(dòng)幅度較為平穩(wěn)，說(shuō)明酸雨早期侵蝕造成的損傷較小。在循環(huán)次數(shù)達(dá)到3 次后，未摻纖維的試件BM 曲線波動(dòng)幅度開(kāi)始增大，此時(shí)相對(duì)動(dòng)彈性模量損失為2．34%。隨循環(huán)次數(shù)的增加，在5 次大循環(huán)后，試件SCPPC1，SCPPC2，SCPPC3，SCPPC4 等曲線下降速度均加快，此時(shí)試件損傷速率較快。在循環(huán)10 次后，試件BM 相對(duì)動(dòng)彈性模量損失達(dá)到26．75%，損傷最為嚴(yán)重。SCPPC1 組次之，損傷達(dá)到19．14%。試件SCPPC4 損失量最小，僅為10．22%，仍具有較強(qiáng)的抗酸雨侵蝕能力。整體來(lái)看，纖維混凝土較普通混凝土相比動(dòng)彈性模量損失較小，纖維的摻入能夠改善酸雨侵蝕后期相對(duì)動(dòng)彈性模量的劣化速率。相較于其他三組，體積摻量4%鋼纖維、體積摻量0．1%PP 纖維的SCPPC4 組效果最好。這是由于酸雨在纖維混凝土侵蝕末期，離子與水泥水化產(chǎn)物共同作用生成膨脹物質(zhì)，造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)破裂導(dǎo)致動(dòng)彈性模量降低。鋼纖維的加入能夠有效抑制裂縫的萌生及擴(kuò)展，PP 纖維在混凝土內(nèi)部形成均勻分散的纖維網(wǎng)，改善了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低了鋼纖維的下沉力，二者共同作用減緩了侵蝕速率，對(duì)混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能起到積極作用;與SCPPC1 和SCPPC2 對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鋼纖維摻量的提高能明顯延緩動(dòng)彈性模量劣化速率，而僅提高PP 纖維的摻量對(duì)動(dòng)彈性模量的影響效果不大。

圖2 為不同纖維摻量的混凝土質(zhì)量損失率與酸雨侵蝕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。觀察發(fā)現(xiàn)質(zhì)量損失率的變化與相對(duì)動(dòng)彈性模量有一定相關(guān)性，多個(gè)數(shù)據(jù)比較可看出，10 次循環(huán)次數(shù)后BM 組質(zhì)量損失最嚴(yán)重，達(dá)到了1． 10%。SCPPC1，SCPPC2 次之，分別為:0．98%，0．96%，SCPPC3，SCPPC4 損失最小，質(zhì)量損失為0．80%和0．75%。纖維摻量對(duì)質(zhì)量損失影響較明顯，體積摻量4%鋼纖維、體積摻量0．1%PP 纖維的混雜方式使得混凝土較BM 組相比質(zhì)量損失減少了35%。綜合以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，相對(duì)于BM 基準(zhǔn)組，摻加PP 纖維可在一定程度上降低質(zhì)量損失，但鋼纖維起決定作用，兩種纖維適量摻加具有互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，改善混凝土內(nèi)部孔隙，使得試件抗酸雨侵蝕能力明顯增強(qiáng)。當(dāng)鋼纖維、PP 纖維體積摻量分別為4%，0．1%時(shí)，抑制質(zhì)量損失的效果最好。

3．2 抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度

圖3，圖4 為纖維混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度在模擬酸雨溶液中不同循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線。在初始階段，未摻加纖維的BM 組抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均較摻加纖維的低，分別為33．5 MPa 和2．39 MPa。這說(shuō)明鋼纖維、PP 纖維的摻入對(duì)混凝土抗壓、抗拉強(qiáng)度的提升有利。鋼纖維體積摻量4%、PP 纖維體積摻量0．1%對(duì)混凝土抗壓、抗拉的提升最為明顯，提升率分別為20． 90%，50．21%。這得益于纖維的混摻改變了混凝土基體原有結(jié)構(gòu)，宏觀上抑制了裂縫的發(fā)展。在相同酸雨侵蝕循環(huán)次數(shù)下，各組試件強(qiáng)度從大到小分別為: SCPPC4 >SCPPC3 >SCPPC2 >SCPPC1 >BM。從試驗(yàn)開(kāi)始到循環(huán)10 次試驗(yàn)結(jié)束，BM 抗壓、抗拉強(qiáng)度損失率各為15． 82%，18．41%，摻有纖維的各組強(qiáng)度損失并不大。說(shuō)明酸雨侵蝕混凝土?xí)r，纖維的摻入能增強(qiáng)其強(qiáng)度和抗酸蝕能力。鋼纖維與PP 纖維協(xié)同作用形成巨大纖維網(wǎng)布結(jié)構(gòu)[17]，一方面增強(qiáng)骨料與砂漿間的結(jié)合度，有效改變了內(nèi)部應(yīng)力分布。另一方面纖維網(wǎng)減緩了硫酸根離子濃度從混凝土表面到內(nèi)部的速率，控制微裂縫生成的數(shù)量。最終在不同層面上減弱裂痕損傷，促進(jìn)混凝土強(qiáng)度的提升。比較SCPPC1，SCPPC2 和SCPPC3，SCPPC4 的強(qiáng)度變化曲線，纖維混凝土拉壓強(qiáng)度變化率較相似，說(shuō)明在鋼纖維摻量固定的狀況下，PP 纖維可小幅度提高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度。綜合以上分析可以看出，將體積摻量4%鋼纖維、體積摻量0．1%PP 纖維混雜摻進(jìn)混凝土中能夠有效提升混凝土因酸雨侵蝕導(dǎo)致的強(qiáng)度下降問(wèn)題。

圖3 抗壓強(qiáng)度

圖4 抗拉強(qiáng)度

4 纖維混凝土酸雨侵蝕損傷模型分析

混凝土在酸雨侵蝕等環(huán)境因素作用下，除自定義損傷變量外，還可用相對(duì)動(dòng)彈性模量、質(zhì)量損失率等指標(biāo)評(píng)價(jià)其損傷劣化程度。為了更好的研究纖維混凝土受酸雨侵蝕的損傷度，采用綜合損傷度定義進(jìn)行評(píng)判。材料在遭受損傷破壞時(shí)，其表面的有效面積通常無(wú)法精準(zhǔn)測(cè)出。根據(jù)陳健云應(yīng)變等價(jià)理論[18]可近似描述受損材料的損傷度。該理論認(rèn)為有效應(yīng)力對(duì)無(wú)損材料引起的應(yīng)變和受損材料引起的應(yīng)變等價(jià)，如式(3) ，式(4) 所示。

其中，ε為等價(jià)應(yīng)變;σ為實(shí)際應(yīng)力;EN為酸雨侵蝕n次大循環(huán)后動(dòng)彈性模量;E為初始動(dòng)彈性模量;D為損傷度;Er為相對(duì)動(dòng)彈性模量。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，試件在受損過(guò)程中，相對(duì)動(dòng)彈性模量(Er) 以及質(zhì)量損失率(Qf) 變化較為明顯，同時(shí)引入Er和Qf能夠更好的保證損傷變量的可靠性，定義綜合損傷度Dω如式(5) 所示。

酸雨侵蝕過(guò)程中，混凝土表面水泥層會(huì)產(chǎn)生較多微裂縫引起表層脫落，加快了硫酸根離子的入侵速率。這些不可逆損傷常常引起相對(duì)動(dòng)彈性模量降低、混凝土質(zhì)量下降、強(qiáng)度降低等性能改變。現(xiàn)將Qf和Er代入式(4)及式(5) 中，混凝土損傷度隨酸雨侵蝕循環(huán)次數(shù)增加的變化規(guī)律如圖5，圖6 所示。

圖5 損傷度D 變化曲線

圖6 綜合損傷度Dω 變化曲線

如圖5 所示損傷度D曲線波動(dòng)變化與圖6 相比呈正相關(guān)關(guān)系，圖6 中由于綜合損傷度Dω考慮了質(zhì)量損失，故波幅較圖5 相比稍大，但考慮質(zhì)量損失率Qf并不會(huì)影響損傷度的變化大趨勢(shì)。通過(guò)式(5) 可以看出，質(zhì)量損失在計(jì)算的過(guò)程中占比很低，纖維混凝土酸雨侵蝕損傷模型依舊由動(dòng)彈性模量變化為主導(dǎo)。圖6 可以看出不同纖維摻量混凝土綜合損傷度曲線隨循環(huán)次數(shù)增加呈不同趨勢(shì)上升，基準(zhǔn)組BM 損傷度波動(dòng)曲線最大。在酸雨侵蝕早期，各類型試件損傷度上升過(guò)程較為平緩。當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到3 次后，曲線逐漸開(kāi)始產(chǎn)生大波動(dòng)。圖5 中的試件較圖6 相比上升幅度較緩，這是因?yàn)閳D6 將質(zhì)量損失率考慮在內(nèi)的原因。在循環(huán)次數(shù)達(dá)到10 次后，SCPPC3 和SCPP4 綜合損傷度曲線變化逐漸變緩，兩者Dω分別為0．20 和0．14。SCPPC1 和SCPPC2 次之，BM 組損傷度上升速率最大，說(shuō)明此時(shí)試件損傷較大，此時(shí)Dω為0．60。綜合來(lái)看，SCPPC4 綜合損傷度最小，由此分析可得，式(5) 所推出的綜合損傷度評(píng)價(jià)混凝土試件損傷劣化規(guī)律與相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失率變化較一致，可較好反映試件損傷度與循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。

為了驗(yàn)證式(4) ，式(5) 所推損傷模型的精準(zhǔn)度，建立如式(6) 所示多項(xiàng)式函數(shù)對(duì)混凝土損傷度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

其中，a，b，c均為擬合參數(shù);Dn為循環(huán)n次后的試件損傷度。

將損傷度D及綜合損傷度Dω所得數(shù)據(jù)代入式(6)進(jìn)行擬合得到下列擬合驗(yàn)算結(jié)果如表4，表5 所示。

表4 損傷度D 多項(xiàng)式函數(shù)相關(guān)系數(shù)

表5 損傷度Dω 多項(xiàng)式函數(shù)相關(guān)系數(shù)

綜合表4，表5 數(shù)據(jù)可知，損傷度D及綜合損傷度Dω兩類變量定義的多項(xiàng)式函數(shù)相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了0．99 以上，說(shuō)明兩種損傷模型擬合程度良好。利用此類模型可以很好的預(yù)測(cè)酸雨侵蝕環(huán)境下纖維混凝土劣化程度。

5 結(jié)論

本研究通過(guò)模擬試驗(yàn)研究了酸雨對(duì)鋼-PP 纖維混凝土抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、質(zhì)量損失及動(dòng)彈性模量損傷劣化規(guī)律研究，可以得出如下結(jié)論:

1) 酸雨侵蝕混凝土的過(guò)程主要是由溶液中H+溶解侵蝕和SO2-4 膨脹侵蝕共同作用導(dǎo)致。長(zhǎng)期受到酸雨侵蝕的混凝土力學(xué)強(qiáng)度會(huì)大幅度降低。鋼-PP 纖維的加入可以顯著提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，并能有效抑制酸雨長(zhǎng)期作用下對(duì)混凝土力學(xué)性能的損傷劣化效果。2) 隨著混凝土在酸雨溶液干濕循環(huán)次數(shù)的增加，其質(zhì)量損失率及動(dòng)彈性模量均在不斷降低。摻有纖維的混凝土試件組質(zhì)量損失和力學(xué)強(qiáng)度明顯低于BM 基準(zhǔn)組。其中摻入體積摻量4%鋼纖維、體積摻量0．1%PP 纖維的SCPPC4 組抵抗酸雨侵蝕能力最好，耐久性最優(yōu)。3) 基于試驗(yàn)所得的質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)彈性模量數(shù)據(jù)對(duì)綜合損傷度進(jìn)行定義，結(jié)果表明混摻纖維可以抑制損傷度的發(fā)展。根據(jù)損傷度數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式函數(shù)擬合，其擬合公式相關(guān)系數(shù)均在0．99 以上，對(duì)鋼-PP 纖維混凝土的損傷劣化預(yù)測(cè)有較好的可信度。