荷載作用對(duì)聚丙烯纖維鋰渣混凝土氯離子滲透性的影響研究

溫勇，李文婷，鄧喆

（新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830047）

荷載作用對(duì)聚丙烯纖維鋰渣混凝土氯離子滲透性的影響研究

溫勇，李文婷，鄧喆

（新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830047）

混凝土結(jié)構(gòu)在荷載作用下會(huì)引起混凝土內(nèi)部微裂縫的發(fā)生與發(fā)展，形成滲透通道，從而影響氯離子滲透性．本文通過(guò)研究不同摻量下聚丙烯纖維和鋰渣的混凝土在單次荷載和循環(huán)荷載作用下（抗壓極限荷載的10%、20%、30%）模擬混凝土的實(shí)際承載情況，通過(guò)測(cè)試加載后的混凝土氯離子電通量，研究荷載大小對(duì)混凝土滲透性的影響．結(jié)果表明：1次加載和循環(huán)加載對(duì)混凝土氯離子滲透性均產(chǎn)生較為顯著的影響；混凝土的氯離子滲透性隨著鋰渣粉摻量的增加而降低；而隨著聚丙烯纖維摻量的增加而緩慢增大．

混凝土；聚丙烯纖維；鋰渣；1次加載；循環(huán)加載；電通量

鋼筋混凝土因其良好的力學(xué)性能和低廉的成本被廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)各領(lǐng)域中．但在實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于設(shè)計(jì)者對(duì)混凝土材料的耐久性問(wèn)題認(rèn)識(shí)不足，導(dǎo)致很多混凝土結(jié)構(gòu)在未達(dá)到規(guī)定的設(shè)計(jì)使用年限就需大量維修，甚至提前拆除，造成了巨大的資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失．影響鋼筋混凝土材料耐久性的因素很多，鋼筋銹蝕是其中最為主要的[1]．通常，由于氯離子擴(kuò)散至鋼筋表面后引起的鋼筋的電化學(xué)銹蝕最為普遍、直接和嚴(yán)重[2]．

為有效的改善外部介質(zhì)對(duì)混凝土的侵蝕劣化作用并延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，通常需要在混凝土耐久性設(shè)計(jì)和材料的選擇階段充分考慮使用足夠的混凝土保護(hù)層厚度和高品質(zhì)的混凝土．混凝土保護(hù)層厚度的增加能夠帶來(lái)一定的益處，雖然這種做法能夠有效阻礙侵蝕性介質(zhì)的侵入并延長(zhǎng)初始破壞產(chǎn)生的時(shí)間[3]．然而事實(shí)上，由于力學(xué)性能和現(xiàn)實(shí)原因，保護(hù)層厚度的增加是有限的．為達(dá)到混凝土的理想力學(xué)性能與優(yōu)異的耐久性，近年來(lái)的關(guān)于改善混凝土耐久性能的研究較多集中于礦物摻合料和纖維的應(yīng)用．

礦物摻合料的使用可以增強(qiáng)氯離子結(jié)合能力[4]，降低混凝土氯離子滲透性[5]．鋰渣粉是將從鋰輝石中提煉鋰鹽生產(chǎn)過(guò)程中大量排出的固體工業(yè)廢棄物磨細(xì)制成的具有一定火山灰活性的礦物摻合料．新疆地區(qū)是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)鋰鹽的重要基地之一，鋰渣粉產(chǎn)量較高并主要應(yīng)用于混凝土中[6]．然而，由于國(guó)內(nèi)外對(duì)鋰渣粉對(duì)混凝土耐久性的影響研究較少，尤其是對(duì)混凝土氯離子滲透性的影響研究甚少，這在一定程度上限制了鋰渣的廢物利用及其在工程建設(shè)中的推廣．

氯離子由混凝土表面通過(guò)擴(kuò)散滲透進(jìn)入混凝土中是一個(gè)持續(xù)多年的緩慢變化過(guò)程．通過(guò)將數(shù)以萬(wàn)計(jì)的纖維均勻分布于混凝土中，可以減少混凝土中裂縫數(shù)量、長(zhǎng)度和寬度，降低生成貫通裂縫的可能性，改善混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，從而使得混凝土中骨料和水泥砂漿界面更加密實(shí)，從而降低了混凝土的氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)，使抗氯離子滲透性能得到加強(qiáng)．清華大學(xué)張君等[7]對(duì)混凝土梁施加彎曲荷載，然后采用NaCl溶液連續(xù)浸泡或干濕循環(huán)方法對(duì)混凝土梁進(jìn)行氯離子侵蝕，通過(guò)測(cè)定混凝土裂縫處的氯離子含量，研究比較了開裂狀態(tài)下聚丙烯纖維與鋼纖維混凝土的抗氯離子侵蝕性能，結(jié)果是干濕循環(huán)后的氯離子侵蝕均較連續(xù)NaCl浸泡后的更為嚴(yán)重，而且多因素作用下比單因素氯離子侵蝕更為厲害，在相同條件下，聚丙烯纖維的性能更優(yōu)于鋼纖維，他們兩者都要強(qiáng)于基準(zhǔn)混凝土，可見纖維的抗裂作用對(duì)于提高混凝土抗氯離子滲透性能起到了很大的作用．

通常，實(shí)際環(huán)境中服役的混凝土結(jié)構(gòu)都會(huì)承受不同類型的荷載作用，荷載會(huì)引起混凝土中孔結(jié)構(gòu)和微裂縫發(fā)生變化，從而影響到氯離子滲透性[8-10]．因此，本文針對(duì)新疆區(qū)域性礦物摻合料—鋰渣粉，探討了1次加載和循環(huán)加載作用下對(duì)聚丙烯纖維鋰渣混凝土抗氯離子滲透性的影響．

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：選用新疆天山水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5水泥；細(xì)集料：烏拉泊水庫(kù)上游烏魯木齊河的水洗砂，細(xì)度模數(shù)2.86，含泥量1.3%，表觀密度2640 kg/m3；粗集料：卵石，5～16mm連續(xù)級(jí)配，壓碎指數(shù)3.2%，含泥量0.7%，表觀密度2 680 kg/m3．鋰渣粉：試驗(yàn)中所用的鋰渣粉由新疆烏魯木齊鋰業(yè)有限公司生產(chǎn)．聚丙烯纖維：江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的潤(rùn)強(qiáng)絲?-I聚丙烯纖維．減水劑：聚羧酸減水劑．水：自來(lái)水．

1.2 混凝土配合比

混凝土配合比按C40強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，鋰渣粉等量取代水泥，設(shè)計(jì)配合比見表1．

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 加載試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用電通量法對(duì)加載之后的試塊進(jìn)行氯離子滲透試驗(yàn)，所用儀器為DTL-A氯離子電通量測(cè)試儀．

表1 混凝土配合比Tab.1 Mix designof the concrete

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 1 次加載對(duì)混凝土電通量的影響

圖1a）為1次加載后纖維摻量對(duì)鋰渣混凝土電通量隨應(yīng)力比的影響情況．由圖1a）可見，在鋰渣替代水泥恒定為20%的鋰渣混凝土中，聚丙烯纖維以0.6 kg/m3、1.0 kg/m3和1.4 kg/m33個(gè)水平的摻量摻入鋰渣混凝土后，隨1次荷載的應(yīng)力比由10%增加至30%時(shí)，各組混凝土試件的電通量值均呈增大趨勢(shì)，可見荷載作用對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙、裂縫等缺陷的影響是顯著地．試驗(yàn)結(jié)果表明，用鋰渣替代水泥后，能夠顯著降低混凝土的電通量值；而在鋰渣以20%的水平替代水泥后，改變聚丙烯纖維的摻量后，混凝土卻表現(xiàn)出了隨著纖維摻量的增加，電通量值也有所增大的趨勢(shì)．

圖1 一次加載對(duì)聚丙烯纖維鋰渣混凝土電通量的影響Fig.1 Influenceof theelectric flux ofpolypropylene fibers reinforced concrete containing lithium slag underonce loading

當(dāng)應(yīng)力比低于10%時(shí)，未摻鋰渣和聚丙烯纖維的C4-0組混凝土試件的電通量值由1260C增加至1824C，變化幅度為44.8%；而用20%的鋰渣替代水泥和摻入不同質(zhì)量的聚丙烯纖維后，混凝土試件的電通量值增加幅度在22%～28%之間，相較于空白對(duì)比組而言，增幅有所降低．當(dāng)應(yīng)力比超過(guò)10%時(shí)，各組混凝土試件的增幅明顯；以應(yīng)力比10%時(shí)的電通量值為基點(diǎn)，C4-20-6、C4-20-10和C4-20-14這3組試件在應(yīng)力比為30%時(shí)的電通量值分別增大了3.24、2.92和2.61倍，由此可見，隨著聚丙烯纖維摻量的增大，混凝土試件的電通量增幅有所下降，表明聚丙烯纖維在較大的荷載作用下，可以一定程度的抑制混凝土內(nèi)部缺陷的增加．

圖1b）為1次加載后鋰渣摻量對(duì)纖維混凝土電通量隨應(yīng)力比的影響情況．由圖1b）可見，鋰渣的摻入能夠有效的降低荷載作用后混凝土的電通量值，并且隨著鋰渣摻量的增加電通量降低的效果更為顯著．當(dāng)聚丙烯纖維摻量固定為1.0 kg/m3時(shí)，鋰渣替代水泥摻量變化后，各組混凝土試件隨應(yīng)力比的變化而表現(xiàn)出的改變與圖1a）的特征相似．

根據(jù)ASTM C1202標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)混凝土滲透性的參考標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)價(jià)聚丙烯鋰渣混凝土的氯離子滲透性，各配合比混凝土試件測(cè)試結(jié)果見表2．

由表2結(jié)果可見，當(dāng)應(yīng)力比低于10%時(shí)，混凝土主要處于彈性階段，卸載后，變形基本上完全恢復(fù)，故電通量變化不大；當(dāng)應(yīng)力比超過(guò)10%時(shí)，混凝土塑性變形開始出現(xiàn)，內(nèi)部原生裂縫開始擴(kuò)展，新生裂縫有所形成，并逐漸發(fā)展成為貫通裂縫，并且裂縫基本上穩(wěn)定存在，因此電通量表現(xiàn)出線性增加趨勢(shì)．而鋰渣粉摻入后有效降低混凝土電通量可能是因?yàn)殇囋鼉?nèi)部孔隙較多，有著較大的內(nèi)比表面積，有利于吸附溶液中導(dǎo)電離子，增強(qiáng)了混凝土抗氯離子滲透性．而聚丙烯纖維摻量的增加引起鋰渣混凝土電通量值的增加說(shuō)明聚丙烯纖維與混凝土界面較為薄弱，有可能部分成為氯離子擴(kuò)散的通道．但聚丙烯纖維摻入后可使混凝土在較高荷載作用后表現(xiàn)出有利于降低電通量的趨勢(shì)．

表2 1次加載后聚丙烯纖維鋰渣混凝土的滲透性Tab.2 The permeability of polypropylene fibers reinforced concrete containing lithium slag under once loading

2.2循環(huán)加載對(duì)混凝土電通量的影響

圖2a）為循環(huán)加載后纖維摻量對(duì)鋰渣混凝土電通量隨應(yīng)力比的影響情況．從圖2a）中可以發(fā)現(xiàn)，與1次加載相似，不同配合比下的混凝土，隨應(yīng)力比的增加，電通量同樣呈增加趨勢(shì)．當(dāng)應(yīng)力比低于10%時(shí)，變化亦較為平緩，并且混凝土電通量值隨著聚丙烯纖維摻量的增加呈規(guī)律性增大；但當(dāng)應(yīng)力比超過(guò)10%時(shí)，變化幅度增加明顯，并且聚丙烯纖維摻量為1.4 kg/m3的試件在循環(huán)荷載作用后，電通量值低于聚丙烯纖維摻量為1.0 kg/m3的混凝土試件，這種趨勢(shì)在應(yīng)力比為30%時(shí)表現(xiàn)更為明顯，聚丙烯纖維摻量為1.4 kg/m3的試件在循環(huán)荷載作用后電通量值最低．可見，聚丙烯纖維摻入混凝土后，在荷載水平較低的情況下，由于聚丙烯纖維與混凝土界面存在較為薄弱的區(qū)域，一定程度上產(chǎn)生了纖維摻量增加，電通量值也有所增加的趨勢(shì)；但隨著荷載水平提高后，聚丙烯纖維抑制混凝土內(nèi)部裂縫的擴(kuò)展與兩相界面產(chǎn)生薄弱區(qū)域相比較，抑制裂縫可能起到了主導(dǎo)作用，因此在應(yīng)力比20%以上后，聚丙烯纖維摻量的增加使得混凝土電通量反倒有所降低．

圖2 循環(huán)加載對(duì)聚丙烯纖維鋰渣混凝土電通量的影響Fig.2 Influence of the electric flux of polypropylene fibers reinforced concrete containing lithium slag under cyclic loading

圖2b）為循環(huán)加載后鋰渣摻量對(duì)纖維混凝土電通量隨應(yīng)力比的影響情況．由圖2b）可見，在應(yīng)力比由0%～30%的變化范圍內(nèi)，各配合比混凝土試件的電通量值表現(xiàn)出隨著鋰渣摻量的增加而降低的趨勢(shì)，這與圖2a）聚丙烯纖維摻量改變對(duì)鋰渣混凝土試件在循環(huán)荷載作用后電通量值的變化情況有所差異．

對(duì)比圖1a）、b），可以發(fā)現(xiàn)，循環(huán)加載后，C4-0組試件電通量值的變化趨于線性增加，而1次加載后的C4-0組試件電通量值的變化則接近于y=a ebx指數(shù)函數(shù)的變化趨勢(shì)；這可能是因?yàn)檠h(huán)荷載作用后混凝土內(nèi)部原本在1次荷載作用下開裂后又閉合的裂縫存留下來(lái)了，這種存留量隨著應(yīng)力比的增大而線性增加，從而使得混凝土試件電通量值線性增加．但隨著聚丙烯纖維和鋰渣的摻入后，鋰渣巨大的內(nèi)比表面積和纖維的阻裂作用使得混凝土試件即使在循環(huán)荷載作用后仍表現(xiàn)出了較好的抗氯離子滲透性．

3 結(jié)論

1）荷載能夠顯著影響混凝土內(nèi)部孔隙、裂縫等缺陷的生成，因此對(duì)混凝土氯離子電通量值的影響也是顯著地；鋰渣作為礦物摻合料替代水泥后，其自身較大的內(nèi)比表面積能夠有效吸附氯離子，顯著降低混凝土氯離子電通量值．

2）在1次荷載和循環(huán)荷載作用下，聚丙烯纖維的摻入在較低應(yīng)力比條件下，混凝土電通量值常表現(xiàn)出隨著聚丙烯纖維摻量的增加而增大的趨勢(shì)；但在較高應(yīng)力比條件下，隨著聚丙烯纖維摻量的增加表現(xiàn)出抑制混凝土電通量值增大的趨勢(shì)，體現(xiàn)出了聚丙烯纖維阻裂的作用．

[責(zé)任編輯 代俊秋]

[1]METHAPK，MONTEIROPJM．ConcreteM icrostructure，Properties，and Materials[M]．3 rded．New York：TheM cGraw-HillCompanies，Inc，2006．

[2]李偉文，冷發(fā)光，邢峰．不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土氯離子滲透性研究[J]．混凝土，2003，5：29-30+62．

[3]李梅，溫勇，張廣泰，等．礦物摻合料對(duì)混凝土抗氯離子滲透性的影響綜述[J]．材料導(dǎo)報(bào)，2013，27（6）：107-110

[4]吳相豪，周金巖，李懷垣．環(huán)境因素影響粉煤灰混凝土固化氯離子能力的試驗(yàn)研究[J]．粉煤灰，2011，5：280-285．

[5]何松晟，高瑋，汪磊．礦物摻合料對(duì)混凝土抗氯離子滲透性影響研究[J]．武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，4：80-83．

[6]曾祖亮．鋰渣粉的來(lái)源和鋰渣粉混凝土的增強(qiáng)抗?jié)B機(jī)理探討[J]．四川有色金屬，2000（4）：49-52．

[7]張君，鐘海濤，居賢春，等．開裂后延性材料與鋼纖維混凝土抗氯離子侵蝕對(duì)比[J]，建筑材料學(xué)報(bào)，2012，15（2）：152-157

[8]OSEINIM，BINDIGANAVILEV，BANTHIA N．Theeffectofmechanicalstresson perm eability ofconcrete：A review[J]．Cem ConcrCompos，2009，31（4）：213-220．

[9]葉其業(yè)，杜乃紅，張珩瑜．混凝土氯離子滲透試驗(yàn)研究[J]．中國(guó)港灣建設(shè)，2011，4：35-37．

[10]孟振亞，劉加平，劉建忠，等．礦物摻合料的摻入對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能影響的評(píng)價(jià)與研究[J]．混凝土，2010，7：28-30+33．

[責(zé)任編輯 田豐]

Influenceof the chloride ion permeability of polypropylene fibers reinforced concrete containing lithium slag under load

WEN Yong，LIWen-ting，DENG Zhe

(College of CivilConstruction,Xinjiang University,Xinjiang Urum chi830047,China)

Load cancauseinternalmicro cracksof concreteand the formationofpermeable tunnels.And then load affects thechloride ionpermeability.Theactual loadingconditionsof concretearesimulatedby imposingonce loadingand cyclic loading(10%,20%,30%ofultimatecompressive load)oneach testpiece.Thechloride ion permeability ofburdening concrete ismeasured by theelectric flux of concrete.The resultsof load affectconcretepermeability arestudied.The test results show that both once loading and cyclic loading have significant im pacts on the chloride penetration of concrete. Thepermeabilityofconcrete chloride ion showsdownw ard trendw ith lithium slag powders increases,and thepermeability of concrete chloride ion tend to increase slow ly while polypropylene fibers increases.

concrete;polypropylene fibers;lithium slag;once loading;cyclic loading;electric flux

TU 528.572

A

1007-2373(2014)06-0054-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2014.06.014

2014-09-05

國(guó)家自然科學(xué)基金（51268055）

溫勇（1975-），男（漢族），副教授，Email：wenyong_9731@126.com．

數(shù)字出版日期：2014-12-22數(shù)字出版網(wǎng)址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20141222.0925.003.htm l