預加荷載下聚丙烯纖維混凝土抗滲機理研究

梁寧慧 嚴如 田碩 劉新榮 許益華 郭哲奇

摘? ?要：為研究預加荷載作用下聚丙烯纖維混凝土（polypropylene fiber reinforced concrete，PFRC）的抗滲性能，選用1種聚丙烯粗纖維和2種聚丙烯細纖維進行單摻和混摻，在5種荷載水平下進行了氯離子擴散系數試驗，分析了不同混摻比例下PFRC試件在不同荷載水平作用下的氯離子擴散系數變化規律. 采用壓汞法和電鏡掃描研究了纖維混摻和荷載大小對混凝土微觀孔結構的影響. 結果表明：在5種軸向荷載水平下混摻多尺寸PFRC試件A8的氯離子擴散系數分別降低了93.9%、90.8%、77.5%、63.5%和66.5%，均為降低幅度最大的一組，混摻PFRC的抗滲性能優于素混凝土和單摻PFRC;同時粗細纖維混摻可以形成三維空間網架結構，能在不同階段產生協同作用，有效地提高混凝土在不同荷載水平作用下的抗滲性能.

關鍵詞：聚丙烯纖維混凝土;混摻;抗滲性能;預加荷載;氯離子

中圖分類號：TU528.32? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

Study on Anti-permeability Mechanism of PFRC under Preloading

LIANG Ninghui1，2，YAN Ru1，2，TIAN Shuo1，2，LIU Xinrong1，2，XU Yihua1，2，GUO Zheqi1，2

（1. College of Civil Engineering，Chongqing University，Chongqing 400045，China;

2. Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area of

Ministry of Education（Chongqing University），Chongqing 400030，China）

Abstract：To study the anti-permeability mechanism of polypropylene fiber reinforced concrete （PFRC） under preloading，one type of coarse polypropylene fiber and two types of fine polypropylene fibers were selected to add into concrete. The diffusion coefficient of chloride ion of hybrid PFRC under five different preloading levels was analyzed by chloride diffusion coefficient test. The mercury intrusion porosimetry （MIP） and the scanning electron microscopy （SEM） were used to investigate the effect of fiber hybridization and preloading level on the micropore structure and permeability of concrete. The test results showed that the chloride diffusion coefficient of PFRC specimen A8 under five preloading levels decreased by 93.9%，90.8%，77.5%，63.5% and 66.5%，respectively，all of which have the largest reduction，indicating that the anti-chloride ion permeability of hybrid PFRC was superior to plain concrete and the concrete reinforced with one kind of fiber. Moreover，multi-scale fiber hybridization with coarse and fine fibers can form a three-dimensional spatial network structure，resulting in a synergistic effect at different levels，and the anti-permeability of concrete under different loading levels was effectively improved.

Key? words：polypropylene fiber reinforced concrete（PFRC）;hybridization;impermeability;preloading;chloride ion

耐久性能不足是導致混凝土結構服役壽命銳減的主要原因之一，提高結構構件在設計使用年限內的安全性和耐久性，已成為學術界和工程界重點關注的問題[1]. 在氯鹽環境中，混凝土構件在荷載作用下產生的損傷微裂紋會成為氯離子的侵入通道，加速混凝土構件內鋼筋銹蝕，造成構件耐久性能劣化[2-3]. 研究表明：纖維的摻入可以抑制荷載作用下混凝土裂縫的產生并延緩其發展，能有效提高混凝土的抗氯離子滲透性能，改善其耐久性能[4-5]. 聚丙烯纖維化學性質穩定，與混凝土材料親和性較好，具有造價低、質輕、摩擦因數高和耐腐蝕等優點，在工程中得到了廣泛應用[6].

目前，國內外對于聚丙烯纖維混凝土（polypropylene fiber reinforced concrete，PFRC）的抗滲性能已有較多研究. 徐曉雷等[7]研究發現：當聚丙烯纖維體積摻量為0.15%時，對混凝土抗滲性能提升最大. Wang等[8]研究表明：聚丙烯纖維能夠顯著提高C50高性能混凝土的抗滲性能. 何亞伯等[9]研究表明：當應力比在0.2以下時，氯離子擴散系數出現略微下降;應力比超過0.2時，氯離子擴散系數隨荷載增大而增大，而纖維的摻入改善了混凝土裂紋形態及分布，減小了裂紋尖端的應力集中. 孫家瑛[10]研究了植物纖維素纖維和聚丙烯纖維對混凝土在荷載作用下滲透性能的影響，結果表明：在一定荷載范圍內，纖維混凝土的抗滲能力有所提高，當荷載超過混凝土破壞荷載30%左右時，其抗滲能力隨之下降. 張云國等[11]通過研究發現：未施加荷載時，摻入聚丙烯纖維可以降低混凝土氯離子擴散系數，但施加荷載后聚丙烯纖維無法顯著改善混凝土抗氯離子滲透能力. 文獻[12]將不同尺寸的聚丙烯纖維按一定比例混摻到混凝土中，試驗結果表明：多尺寸聚丙烯纖維能夠發揮協調作用，對混凝土抗裂性能提升較為顯著，粗細纖維的混摻可在不同時期發揮阻裂效果.

綜上所述，纖維的摻入可以抑制混凝土裂縫開展，提升混凝土的抗滲性能. 但目前研究多集中于單摻聚丙烯纖維混凝土，對于不同尺寸的聚丙烯纖維混摻對混凝土抗滲性能的影響研究較少，同時對于施加荷載后，聚丙烯纖維對混凝土抗滲性能的提升效果存在爭議. 因此，本文選用3種尺寸的聚丙烯纖維進行單摻和不同比例的混摻，通過氯離子滲透試驗研究了荷載大小和聚丙烯纖維尺寸對混凝土抗滲性能的影響，并運用壓汞法和掃描電鏡，探究了混摻多尺寸PFRC的抗滲機理.

1? ?試驗概況

1.1? ?試驗材料

水泥選用P·O 42.5重慶小南海普通硅酸鹽水泥. 細骨料選用細度模數為0.8、堆積密度為1 294 kg/m3的特細砂和細度模數為2.9、堆積密度為1 530 kg/m3的天然水洗河砂，二者質量比例為2 ∶ 8. 粗骨料選用粒徑為5～10 mm和10～25 mm的石灰石碎石，質量比例為4 ∶ 6，其表觀密度分別為2 680 kg/m3和2 690 kg/m3. 減水劑采用聚羧酸減水劑，減水率為15%～30%. 試驗采用的兩種聚丙烯細纖維（FF1、FF2）和一種聚丙烯粗纖維（CF1）的外觀形狀如圖1所示，性能參數見表1.

1.2? ?配比參數

混凝土強度等級為C30，試驗基準配合比為：水泥380 kg/m3，水175 kg/m3，砂701 kg/m3，石灰石碎石1 144 kg/m3，減水劑3.8 kg/m3. 根據試驗研究及工程經驗，細纖維單摻最佳摻量為0.9 kg/m3，粗纖維單摻最佳摻量為6.0 kg/m3. 為保證各組試驗結果的可比性，各試驗組的配合比保持一致，混摻聚丙烯纖維的總量為6.0 kg/m3. 試驗采用3種尺寸的聚丙烯纖維進行單摻及混摻，各組試件纖維摻量見表2.

1.3? ?試驗過程

1.3.1? ?NEL氯離子擴散系數試驗

試驗采用NEL氯離子擴散系數法測定聚丙烯纖維混凝土的滲透性能. 該方法是基于離子擴散和電遷移的一種飽鹽電導率法，結果可靠性、穩定性較好[13]. 參照《纖維混凝土結構技術規程》[14]，混凝土試件澆筑共兩批、第一批9組尺寸為100 mm × 100 mm × 100 mm的立方體試件，每組3個試件. 第一批試件經標準養護28 d后進行混凝土立方體抗壓強度測試，各組試件的立方體抗壓強度見表3.

將第二批尺寸為150 mm × 150 mm × 150 mm立方體混凝土試件，采用單軸加載的方式進行預壓，分別施加0、0.2、0.4、0.6、0.8倍的極限抗壓荷載. 混凝土承受的軸向荷載水平用λ表示，即混凝土試件承受荷載F與極限荷載Fcu的比值，表達式為：

試件取樣以0.5 MPa/s的速率將立方體混凝土試件加載至對應荷載并維持荷載30 min后，使用鉆芯機垂直于試件受壓方向進行鉆芯，并使用磨平機打磨試件，在鉆芯打磨過程中取試件中間部分，避免表面浮漿層的影響，保證上下表面平整，同時使用千分尺量取試件中心厚度，得到Φ100 mm × 50 mm的試件，將試件放入4 mol/L的NaCl鹽溶液中并靜置8 h，飽鹽后，使用NEL型混凝土滲透性電測儀測量試樣的氯離子擴散系數. 真空飽水設備為UJS型智能混凝土真空飽水機，滲透性電測儀為NEL-PEU型混凝土滲透性電測儀. 試驗試件制作如圖2所示.

1.3.2? ?壓汞試驗及電鏡掃描試驗

混凝土的孔結構特征直接影響混凝土抗滲性能[15-16]，為研究聚丙烯纖維尺寸和荷載大小對混凝土微觀孔結構的影響、探究多尺寸PFRC的抗滲機理，進行了壓汞和電鏡掃描試驗. 壓汞試驗采用A0、A3、A6、A8四組尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的混凝土立方體試件，分別對各組試件施加λ = 0、λ = 0.4和λ = 0.8的荷載進行120 min預壓. 預壓后選取完整、無人為損傷、大小約為5 mm的細顆粒，經無水乙醇浸泡處理1 d后取出，在100 ℃恒溫烘箱中烘至恒重后，進行壓汞試驗. 壓汞儀選用Pore-master-33型全自動壓汞儀.

電鏡掃描試樣取自立方體抗壓強度測試后試件中心的碎塊，制成大小約為1 cm3的試塊，經無水乙醇浸泡、烘干、噴金后，置于TESCAN-7718型電鏡掃描儀下觀察.

2? ?氯離子擴散系數試驗結果與分析

2.1? ?結果分析

9組混凝土試件在不同荷載水平作用下的氯離子擴散系數如圖3所示.

由圖3可知，未施加軸向荷載時，添加纖維的A1～A8試件的氯離子擴散系數均比素混凝土A0低，即聚丙烯粗細纖維的摻入均能提高混凝土抗氯離子滲透能力. A1～A8的氯離子擴散系數相較A0分別降低了32.6%、27%、10.7%、37.8%、72.9%、93.3%、88%和93.9%，其中混摻纖維的A4～A8試件比單摻聚丙烯纖維的A1～A3試件的氯離子擴散系數低50%左右，即不同尺寸聚丙烯纖維混摻對混凝土抗滲性能的提升優于聚丙烯纖維單摻.

隨著荷載的增加，氯離子擴散系數呈現逐漸增大的趨勢. 在荷載水平λ由0增加到0.2的過程中，各組試件的氯離子擴散系數變化不大，此時混凝土尚處在彈性階段，自身結構有一定的抵抗能力和恢復能力. 在荷載水平λ超過0.4之后，各組試件的氯離子擴散系數的增幅顯著提高，這是由于在荷載水平λ達到0.4之后，在荷載作用下試件內部開始產生微裂紋并逐漸貫通形成通道，導致混凝土內部的氯離子擴散速度顯著增加. 對比單摻纖維的A1、A2和A3試件可以發現，在荷載水平λ低于0.4時，單摻粗纖維的A3混凝土試件的氯離子擴散系數高于單摻細纖維的A1和A2，表明在低荷載水平下細纖維對于混凝土抗滲性能的提升優于粗纖維，一方面細纖維的摻入能有效控制混凝土的塑性收縮，減少混凝土的初始孔洞[17];另一方面，當荷載較低時，混凝土內部主要以微裂紋為主，而此時細纖維由于其較小的直徑，能較好地抑制微裂紋的擴展. 荷載水平在0.6以后，A0～A6試件的氯離子擴散系數出現了陡增現象，即出現了臨界應力現象. A1試件在λ = 0.2、0.4、0.6、0.8四種荷載水平作用下，相較于未加荷載時，氯離子擴散系數增長率分別為11.26%、55.89%、95.31%、314.07%. 當荷載水平達到臨界應力后，界面處產生的裂縫與砂漿中的裂縫相互貫通，裂縫發展很不穩定，呈快速擴展趨勢，混凝土的抗滲性能大幅下降[18].

多尺寸聚丙烯纖維混摻A8試件相對于A0試件在λ = 0、0.2、0.4、0.6、0.8五種軸向荷載水平作用下的氯離子擴散系數分別降低了93.9%、90.8%、77.5%、63.5%、66.5%，均為降低幅度最大的一組，這表明不同尺寸的聚丙烯纖維混摻能夠產生正向效應. 不同尺寸的聚丙烯纖維混摻能在不同的荷載階段發揮阻裂作用，發揮協同作用，可以更有效地提高混凝土試件在各個荷載水平下的抗氯離子滲透性能. A7、A8均為多尺寸纖維混凝土，但A8在五種軸向荷載水平作用下的氯離子擴散系數均低于A7，但A7、A8在五種軸向荷載水平作用下的氯離子擴散系數降低幅度相差最大不超過10%，說明在纖維類型相同、總摻量相同的情況下，不同的混雜比例對混凝土的氯離子擴散系數也有所影響，但影響幅度有限.

2.2? ?數學模型

同時由圖3可以看出，混凝土氯離子擴散系數D與荷載水平λ呈近似滿足二次函數關系，即

D = D0（1 + aλ + bλ2）? ? ? ? ?（2）

式中：D0是無荷載時混凝土的氯離子擴散系數;λ為荷載水平;a、b為擬合常數. 根據上述關系式，對A0～A8混凝土試件的氯離子擴散系數與荷載水平之間的關系式進行擬合，可以得到不同纖維摻量下混凝土試件隨荷載水平變化的氯離子擴散系數方程，各方程的相關參數見表4.

由表4可以看出，按照式（2）擬合所得的氯離子擴散方程系數的R2值均在0.92以上，擬合相關度較高，也驗證了運用式（2）表達氯離子擴散系數隨荷載水平的變化關系是比較準確的.

3? ?孔結構分析

通過壓汞試驗可以得到不同荷載水平下的孔徑分布曲線，縱坐標為進汞體積增量與孔徑的對數之比（dV/dlgr），橫坐標為孔徑r，如圖4所示. 曲線所對應的峰值即為最可幾孔徑，它表示混凝土試樣中出現概率最大的孔徑. 根據壓汞試驗結果還可以得到不同應力比下的混凝土試件的孔隙率、平均孔徑和孔徑分布等孔結構參數，見表5. 混凝土按孔徑分為以下3類：孔徑<20 nm為對抗滲性能幾乎無影響的無害孔，孔徑 20～100 nm為對抗滲性能影響較小的少害孔，孔徑>100 nm為對抗滲性能影響較大的有害孔和多害孔[19].

3.1? ?未加載時孔徑分布

由表5可以看出，在未加載時，摻入纖維對混凝土孔隙率影響很小，5組試件孔隙率均在3.3%左右. 對比A0、A1、A3的孔結構參數可知，A1、A3的最可幾孔徑和平均孔徑均小于A0，表明摻入粗細聚丙烯纖維減小了混凝土內部孔隙的尺寸. 從孔徑分布上看，A0的有害孔與多害孔占比達到了41.22%，而A1、A3僅為31.46%和33.27%，有害孔占比減少了9.76%和7.95%，同時A1的無害孔的孔徑占比增加了5%，而粗纖維A3組僅略有增加，提升了1.37%，即聚丙烯粗纖維主要通過減小有害孔、多害孔的占比來提升混凝土的抗滲性能，而聚丙烯細纖維還能減小孔隙孔徑增加無害孔占比、進一步增強混凝土密實度. 同時，當不同尺寸的聚丙烯纖維混摻時，A6和A8的無害孔占比均得到了進一步的增加，分別較A1增加了3.31%和5.59%，表明不同尺寸的聚丙烯纖維混摻在混凝土內部形成的纖維網架能更好地改善混凝土內部的孔隙結構，提升混凝土結構的密實度，更進一步地提升混凝土的抗滲性能.

3.2? ?加載后孔徑分布

隨著荷載水平的增大，5組試件的孔隙率、最可幾孔徑、平均孔徑和有害孔與多害孔占比均隨之增大，無害孔占比下降，這與氯離子滲透試驗結果比較吻合，說明荷載會增加混凝土內部的孔隙尺寸和數量，導致混凝土抗滲性能下降.

圖5、圖6分別給出了不同荷載水平下，纖維混摻與孔隙率和最可幾孔徑的關系變化圖. 由圖5可知，隨著荷載水平的增加，纖維混摻的不同表現出了一定的差異，素混凝土的增長幅度最大，單摻粗纖維混凝土次之，多尺寸聚丙烯纖維混凝土增長幅度最小. 當λ = 0.4時，A0、A1、A3、A6、A8試件的孔隙率較未加荷載分別增長了23.23%、17.96%、17.21%、14.79%和10.06%;當λ = 0.8時，A0、A1、A3、A6、A8試件的孔隙率較未加載分別增長了93.75%、83.62%、70.46%、62.73%和44.32%.

由圖6可知，最可幾孔徑變化規律與孔隙率類似，纖維混凝土試件在不同荷載水平下的最可幾孔徑均小于素混凝土，細纖維對低荷載水平下微小孔隙的發展影響較大，粗纖維能更有效地抑制較高荷載水平下大孔隙的發展. 當荷載水平λ = 0.8時，A0、A1、A3、A6、A8的最可幾孔徑增幅分別為106.69%、110.17%、90.23%、69.43%和30.38%，多尺寸纖維混摻表現較優.

另一方面，5組試件中，A8試件在所有荷載水平下的孔隙率、最可幾孔徑、平均孔徑和有害孔與多害孔占比均為最小. 在荷載水平λ = 0.8時，A8比A0 的孔隙率降低了26.97%，最可幾孔徑、平均孔徑和有害孔與多害孔占比分別降低了52.82%、22.21%和32.77%，這表明多尺寸聚丙烯纖維能夠發揮不同尺寸纖維混摻的優勢，均勻分散的多尺寸聚丙烯纖維在承受荷載作用時可發揮自身橋接作用，能更好地控制荷載作用下混凝土內部裂縫的萌發和發展，更有效地提升混凝土的抗滲性能.

4? ?多尺寸PFRC抗滲機理分析

纖維與水泥基體之間的黏結力主要分為機械咬合力和摩擦黏結力[20].? 圖7所示為在5 000×時拍攝的在0.8荷載水平作用后的多尺寸纖維混凝土A8試件中的細纖維與混凝土基體的過渡層界面，可以看出，細纖維表面存在大量顆粒狀水化產物，能夠產生化學黏聚力，使得混凝土基體更為密實，因此細纖維能夠減少混凝土基體初始缺陷，細化孔徑. 由圖1（c）中可以看到粗纖維表呈波浪狀，這能夠保證粗纖維與水泥基體之間緊密結合，產生較大的摩擦黏結力，使得粗纖維能夠分擔混凝土基體開裂時的荷載，延緩裂紋發展. 圖8所示為1 000×時拍攝的在0.8荷載水平作用后A8試件的內部微觀結構，可以看出，混凝土內部遍布著孔隙和微裂紋，粗細聚丙烯纖維則無規律地均勻分散在混凝土基體與孔隙和微裂紋之間. 混凝土基體內的粗細纖維相互搭接，形成了具有較好整體性的三維空間網架結構，一方面可以降低混凝土拌和料的離析程度，對骨料起到一定承托作用，減少因骨料沉降而形成的泌水通道;另一方面可以降低混凝土的孔隙率，大幅減少有害孔與多害孔占比，提升無害孔占比，改善混凝土的孔結構，提高混凝土的抗氯離子滲透性能.

在荷載作用下，混凝土內部開始產生微裂紋，裂紋尖端出現拉應力集中，使得微裂紋繼續發展成逐漸貫通的、滲透性較高的裂縫. 多尺寸PFRC在低荷載水平下微裂紋產生時，細纖維可分擔裂紋尖端的應力，抑制微裂紋的發展. 隨著荷載增大，微裂紋將橫穿細纖維持續擴展，此時細纖維由于與水泥基體之間存在較大的摩擦力，將發揮橋接作用，承擔基體開裂后的荷載，因此細纖維可以抑制混凝土在低荷載水平下裂縫產生與發展，減小混凝土的孔隙率和孔徑大小，提高混凝土在低荷載水平下的抗滲性能. 當荷載增大到一定程度時，部分細纖維由于無法承受過大的力而被拔出或拔斷，此時粗纖維由于與混凝土基體黏結強度和自身承載力更高，將接替細纖維繼續承擔荷載，阻礙裂縫的發展與貫通，因此粗纖維對高荷載水平下裂縫發展與貫通的抑制作用更明顯，能提高混凝土在高荷載水平下的抗滲性能.

5? ?結? ?論

1）聚丙烯纖維能夠提高混凝土在不同荷載水平下的抗氯離子滲透性能，混摻組A8試件在λ = 0、0.2、0.4、0.6、0.8五種荷載水平下的氯離子擴散系數均為降低幅度最大的一組，其抗滲性能優于素混凝土和單摻聚丙烯纖維混凝土.

2）聚丙烯細纖維對微小孔隙的抑制作用較為顯著，在荷載水平低于0.4時，微小孔隙較多，此時細纖維能更有效地降低混凝土的孔隙率和孔徑大小;粗纖維對大孔隙抑制作用較為明顯，在荷載水平高于0.6時，混凝土的平均孔徑和最可幾孔徑均增大，此時粗纖維能更有效地降低混凝土的孔隙率和孔徑大小.

3）不同尺寸的聚丙烯纖維混摻可以形成三維空間網架結構，使得粗細纖維產生協同作用，更有效地抑制不同受荷階段、不同孔徑孔隙的產生與發展，提高混凝土在各個荷載水平下的抗滲性能.

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