鹽凍耦合作用下摻纖維面板混凝土耐久性研究

雷 妍，王瑞駿，李 陽，陶 喆

(西安理工大學 水利水電學院，陜西 西安 710048)

1 研究背景

隨著經濟社會建設的不斷發展，我國在沿海、高寒等地區建設了許多混凝土工程，而混凝土受嚴寒氣候影響易發生凍脹破壞[1]。如公伯峽面板堆石壩在冬季氣溫很低時，水面以上面板混凝土溫度較低，水面以下混凝土溫度相對較高，使得分界面上溫度差異較大，導致面板混凝土開裂[2]。山西西龍池抽水蓄能電站的面板受氣溫影響，導致面板開裂，甚至造成泄漏[3]。由此可見，面板混凝土的凍融劣化性能研究具有重要意義[4-6]。

研究表明，環境中的鹽含量也會對面板混凝土凍融破壞產生影響。鹽溶液滲透進面板混凝土后，會與水泥等材料發生物理化學反應，使內部結構受損，影響混凝土的正常使用壽命[7]。劉永前等[8]比較了混凝土試件在3%和5%兩種不同濃度的NaCl溶液中凍融后的情況，結果發現3%的氯鹽溶液對試件的鹽凍損傷破壞更嚴重。類似地，楊森[9]選用了5%、10%、15%濃度的NaCl溶液，進行了不同氯鹽濃度下混凝土試件的鹽凍循環對比試驗，試驗結果表明，5%濃度的NaCl溶液對試件的鹽凍侵蝕最嚴重。由此可見，不同鹽濃度對混凝土凍融循環的影響不同[10]。

在面板混凝土中摻入纖維，可以增加混凝土試件的延展性，減少微裂縫的產生，從而提高試件的耐久性[11-14]。白敏等[15]發現將鋼纖維摻入混凝土試件中可大大提高試件的抗拉和抗折強度，但對其抗壓強度改善較差。張延年等[16]也發現摻入鋼纖維到混凝土中，不僅能提高試件的抗壓和劈拉強度，而且能減輕試件的破壞程度，并且鋼纖維體積增大，則拉壓比也逐漸增大。纖維摻量對混凝土性能有明顯影響，Wang等[17]研究了聚丙烯纖維的含量對粉煤灰混凝土力學性能的影響，結果發現摻入纖維的量越多，試件的抗壓和抗拉強度越高。然而王瑞珍等[18]發現，過量的纖維含量對混凝土的工作性能效果不明顯，纖維最佳摻量能更好地提高混凝土性能。楊益等[19]對摻鋼纖維和玄武巖纖維的混凝土進行了抗凍性能研究，發現摻入體積率為1.5%鋼纖維和0.05%玄武巖纖維的混凝土抗凍性能最優。不同纖維種類對混凝土性能的影響也是不同的，張克純[20]發現聚丙烯纖維對混凝土抗滲、抗裂和抗壓性能增強的的作用高于玄武巖纖維。

從目前的研究成果來看，對于摻纖維面板混凝土的研究主要圍繞其力學性能方面，然而對鹽凍耦合作用下摻纖維面板混凝土耐久性研究方面的成果較少，相關的損傷機理研究也不夠深入。為此，本文采用不同纖維種類及其不同摻量的面板混凝土在不同氯鹽濃度下進行凍融循環試驗，并對凍融前后的試件進行電鏡掃描分析，以期為面板混凝土抗鹽凍耐久性研究提供依據。

2 試驗概況

2.1 試驗原材料

本次試驗采用42.5R強度等級的普通硅酸鹽水泥(P·O)，摻合料為Ⅱ級粉煤灰。細骨料為灞河中砂，細度模數為2.5，粗骨料為粒徑5～30 mm的碎石材料。纖維采用聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維和鋼纖維，聚丙烯和聚丙烯腈纖維的性能指標見表1，鋼纖維的性能指標見表2。減水劑為聚羧酸系高性能減水劑，引氣劑為三萜皂甙高性能引氣劑。

表1 試驗用聚丙烯和聚丙烯腈纖維性能指標

表2 試驗用鋼纖維性能指標

2.2 試驗配合比設計

本試驗根據混凝土面板堆石壩設計規范以及已建工程的實際參數確定實驗配合比，具體配合比見表3。本試驗控制3種纖維為變量，其中聚丙烯和聚丙烯腈纖維的摻量分別為0.5、1.0和1.5 kg/m3，鋼纖維的摻量分別為30、50和70 kg/m3。

表3 摻纖維面板混凝土試驗配合比

2.3 試驗主要設備和方法

本試驗所用設備主要有TDR-28V型混凝土快速凍融試驗機、WAW-1000型萬能試驗機和VEGA3-TESCAN型掃描電鏡試驗儀等。

本試驗依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)和《混凝土物理力學性能試驗方法》(GB/T 50081—2019)進行。試驗方法與步驟如下：

(1)將摻纖維的面板混凝土試件置于混凝土標準養護箱中養護24 d，然后轉移至(20±3)℃的清水中浸泡4 d，共28 d養護齡期。

(2)當試件達到設定齡期時，先用抹布清潔試件表面，隨后測量試件初始質量和抗壓強度，并進行凍融前電鏡掃描分析。

(3)開展鹽凍循環試驗，將2.0%、3.5%和5.0%濃度的NaCl溶液分別倒入試件盒中浸沒試件，使得溶液液面高于試件頂部20 mm；將試件盒放入凍融試驗機里，將試件中心溫度按規范設定為-18～5 ℃、凍融液溫度設定為-25～20 ℃。

(4)每4 h為一次凍融循環，每隔25次鹽凍循環試驗周期將試件取出，擦拭試件表面，測量鹽凍損傷后試件的質量損失率和抗壓強度，并進行凍融后電鏡掃描分析。

本試驗采用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件測定質量損失率，每組配合比制作9個棱柱體試件，按公式(1)計算質量損失率[21]，取3個相同試件試驗結果的平均值作為標準值。

(1)

式中：Wn為n次凍融后試件的質量損失率，%；G0為凍融前試件的質量，kg；Gn為n次凍融后試件的質量，kg。

本試驗采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件測定抗壓強度，每組配合比共制作81個立方體試件，并按公式(2)計算抗壓強度[14]。

(2)

式中：fcu為試件的抗壓強度，MPa；P為試件破壞荷載，N；A為試件的承壓面積，mm2。

本試驗采用VEGA3-TESCAN型掃描電鏡試驗儀對摻纖維面板混凝土進行微觀分析。取凍融前后被壓碎試件的樣品，用噴金機在樣品表面噴金以提高成像質量，隨后放入載物盤，并用導電銀漿連通載物盤與樣品，等待銀漿干燥后放到掃描電鏡中觀察。

3 結果與分析

3.1 質量損失率分析

圖1為摻纖維面板混凝土在3種氯鹽濃度(2.0%、3.5%、5.0%)環境下質量損失率隨鹽凍循環次數的變化曲線。

由圖1可看出，隨著鹽凍循環次數的增加，摻纖維面板混凝土質量損失率呈現先減小后增大的趨勢。在0～25次鹽凍循環過程中，摻纖維面板混凝土質量損失率減小，即混凝土質量增加。產生這一現象的原因是混凝土試件受到鹽凍侵蝕后，內部產生微裂紋，使得試件滲透性增強，部分凍融液進入混凝土內部，導致試件質量增加。在25～100次鹽凍循環時，摻聚丙烯腈纖維混凝土試件的質量損失率比摻聚丙烯纖維增長的慢，這可能是因為聚丙烯腈纖維對試件的抗凍效果較聚丙烯纖維好。隨著鹽凍循環次數增加，摻纖維面板混凝土受到氯鹽和凍融侵蝕的共同作用，試件表皮剝落，并在侵蝕后期對試件質量影響較大，從而導致其質量損失率增加。

圖1 不同氯鹽濃度下摻纖維面板混凝土質量損失率隨鹽凍循環次數的變化曲線

氯鹽濃度對鹽凍耦合作用影響較大，在相同鹽凍循環次數下，氯鹽濃度為2.0%的摻纖維面板混凝土試件的質量損失率最低，氯鹽濃度為3.5%的試件質量損失率最高，受到的鹽凍侵蝕最嚴重。而氯鹽濃度為5.0%時的侵蝕作用比濃度為3.5%時的侵蝕作用小，這是因為當氯鹽濃度較大時，鹽溶液冰點降低，從而減少了結冰量，對混凝土抗凍有利。

圖2為各纖維種類不同摻量面板混凝土在3.5%氯鹽濃度下質量損失率隨鹽凍循環次數的變化曲線。

圖2 各纖維種類不同摻量面板混凝土在3.5%氯鹽濃度下質量損失率隨鹽凍循環次數的變化曲線

由圖2(a)、圖2(b)可知，在同樣的鹽凍循環次數下，隨著聚丙烯和聚丙烯腈兩種纖維摻入量的增加，面板混凝土試件的質量損失率先減小后增大。這是因為這兩種纖維可減緩混凝土中微裂縫的擴展，并且對砂漿具有黏結作用，減少了試件的表皮剝落，使得質量損失率減小。另外，而當這兩種纖維含量增加到1.5 kg/m3時，過量的纖維黏結在一起，形成團聚現象，造成結構內部缺陷。同時致使黏結應力分布不均勻，結構內部微裂紋擴展，加快了試件的侵蝕程度，使得摻量為1.5 kg/m3的聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維面板混凝土的質量損失率高于摻量為1.0 kg/m3的質量損失率。

由圖2(c)可看出，鋼纖維摻量越大，則質量損失率增大越緩慢，這是因為鋼纖維同樣具有黏結性，能吸引砂漿聚集，限制了微裂縫的進一步發展，并且鋼纖維并未出現團聚現象，或團聚現象不占主導作用，有利于摻纖維面板混凝土的抗鹽凍侵蝕。

3.2 抗壓強度分析

圖3為不同氯鹽濃度下摻纖維面板混凝土的抗壓強度隨鹽凍循環次數的變化曲線；圖4為各纖維種類不同摻量面板混凝土在3.5%氯鹽濃度下抗壓強度隨鹽凍循環次數的變化曲線。

圖3 不同氯鹽濃度下摻纖維面板混凝土的抗壓強度隨鹽凍循環次數的變化曲線

圖4 各纖維種類不同摻量面板混凝土在3.5%氯鹽濃度下抗壓強度隨鹽凍循環次數的變化曲線

由圖3可知，隨著鹽凍循環次數的增長，各組的抗壓強度逐漸降低，只是下降速率和下降幅度有所不同?？箟簭姸戎灾饾u降低，是因為鹽凍次數越多，試件受到的侵蝕越嚴重，試件內部結構破壞也越嚴重?？傮w來看，浸泡在3.5%氯鹽濃度中的試件抗壓強度下降最快，O、A2、B2、C2這4組試件的抗壓強度分別降低了32.25%、25.05%、23.05%、15.70%。氯鹽濃度為2%時的試件抗壓強度降低最少，受到的侵蝕程度最輕。

由圖4可知，雖然隨著鹽凍循環次數增加，各組試件的抗壓強度逐漸降低，但是摻入纖維的面板混凝土試件比普通面板混凝土的抗壓強度要高。在200次鹽凍循環時，A1、B1、C1組試件的抗壓強度比普通面板混凝土試件分別提高了9.45%、12.36%和33.45%。這是因為纖維能增強砂漿與骨料的黏結性，并且纖維具有一定的延展性，能減少微裂紋的產生，使得試件抗壓強度更高。另外，隨著聚丙烯和聚丙烯腈纖維摻量的增加，面板混凝土抗壓強度先增大后降低，在這兩種纖維含量為1.0 kg/m3時，抗壓強度最大。原因是這兩種纖維摻入到一定量時，會形成團聚效應，導致內部結構破壞，降低了試件的抗壓強度。而隨著鋼纖維摻量的增加，試件的抗壓強度不斷增大，當其摻量為70 kg/m3時，抗壓強度最大。這是因為鋼纖維同樣具有黏結作用，并且不產生團聚現象，或團聚現象不明顯，使其改善作用占主導地位，有利于摻纖維面板混凝土的抗鹽凍侵蝕。

3.3 電鏡掃描分析

圖5為摻鋼纖維面板混凝土試件在0、50、100、200次鹽凍循環后的電鏡掃描圖。

圖5 摻鋼纖維面板混凝土試件在不同鹽凍循環次數后的電鏡掃描圖

由圖5(a)可知，鹽凍循環前摻鋼纖維面板混凝土試件表面較平整，僅有部分微裂紋，這主要是由于混凝土凝結時內外溫差、干濕程度不同而導致的溫度變形與干縮變形。圖5(b)與圖5(a)相比，試件水化程度進加深，絮狀、針狀的水化產物(C-S-H)增多，表面更加粗糙，微裂紋擴展為裂縫，且數量增加。此時為侵蝕初期，凍融侵蝕占主導地位，而鋼纖維在混凝土基體中起到橋接作用，使得試件的整體侵蝕程度較輕。從圖5(c)可看出，試件表面裂縫長度擴展，寬度也增大。這主要是因為氯鹽和凍融作用進一步侵蝕混凝土試件內部，造成更嚴重的破壞。從圖5(d)來看，試件表皮砂漿脫落，結構疏松，裂縫寬度進一步增大，形成貫穿性裂縫，影響了混凝土結構的完整性。這主要是因為裂縫數量增多，氯離子更加迅速地進入到試件內部，在凍融侵蝕和氯鹽侵蝕共同作用下，加速了試件的損傷破壞。整體來看，鹽凍過程中裂縫數量及寬度變化規律與宏觀性能(質量損失率與抗壓強度)變化規律基本一致。

4 結 論

通過鹽凍耦合作用下摻纖維面板混凝土耐久性的試驗研究，得出以下主要結論：

(1)隨著鹽凍循環次數的增加，摻纖維面板混凝土試件的質量損失率先減小后增大，其抗壓強度則持續下降。

(2)氯鹽濃度對鹽凍耦合作用影響較大，氯鹽濃度為3.5%時試件的質量損失率最大，抗壓強度也降低最快，鹽凍破壞最為嚴重，其次是5%濃度，而2.0%氯鹽濃度的鹽凍損傷最小。

(3)當聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維摻量增加時，面板混凝土試件的質量損失率先減小后增大，抗壓強度先增大后降低。當鋼纖維摻量增加時，試件的質量損失率隨之減小，抗壓強度隨之增大。

(4)電鏡掃描試驗結果表明，在鹽凍過程中混凝土基體裂縫寬度及數量隨著循環次數的增加而增大，摻入纖維對混凝土起到了一定的橋接作用。微觀試驗結果變化規律與質量損失率及抗壓強度變化規律基本一致。

聚丙烯、聚丙烯腈及鋼纖維作為增強抗凍材料在混凝土實際應用中具有明顯的環保、經濟效益，今后可以進一步開展混摻鋼纖維與織物纖維面板混凝土抗鹽凍及其他耐久性劣化機理研究。