干濕循環(huán)作用下氯離子在聚丙烯纖維混凝土中傳輸性能研究

解國梁，申向東，姜 偉，張 斌

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)土木水利學(xué)院，大慶 163319；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

0 引 言

混凝土因?yàn)槠鋬?yōu)異的性能而成為現(xiàn)代應(yīng)用最為廣泛的建筑材料[1]，但由于其服役環(huán)境的復(fù)雜性和多變性，導(dǎo)致一些混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中由于耐久性不足而提前退役。面對(duì)持續(xù)提高的建筑發(fā)展水平，混凝土建筑設(shè)計(jì)理念亦將混凝土耐久性作為終極追求目標(biāo)[2]。而對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性造成破壞的最大因素之一便是鋼筋銹蝕，氯離子引起鋼筋銹蝕已經(jīng)嚴(yán)重威脅到混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性[3-4]。

普通混凝土具有脆性大、易開裂等缺陷，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不利。而聚丙烯纖維具有優(yōu)良的抗拉強(qiáng)度、較好的阻裂強(qiáng)化作用，是一種新型混凝土增強(qiáng)材料，可顯著減少混凝土結(jié)構(gòu)原生裂縫，增大混凝土結(jié)構(gòu)抗氯離子滲透能力[5-6]。因而利用聚丙烯纖維制作聚丙烯纖維混凝土是抵抗氯離子侵蝕，提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的有效途徑。馬保國等[7]利用NEL試驗(yàn)方法研究了不同摻量及尺寸的聚丙烯纖維對(duì)硅灰混凝土抗氯離子侵蝕性能的影響，結(jié)果表明：纖維摻量對(duì)混凝土氯離子滲透性能影響最大，較低摻量的聚丙烯纖維可以有效降低氯離子的滲透性能，而摻量較高時(shí)，氯離子滲透性能反而上升。Ramezanianpour等[8]研究了聚丙烯纖維對(duì)混凝土耐久性的影響，并進(jìn)行了快速氯化物滲透試驗(yàn)(RCPT)，結(jié)果表明：聚丙烯纖維可以堵塞孔隙，從而降低氯離子滲透率，且最佳聚丙烯纖維摻量為0.7 kg·m-3。理想摻量的聚丙烯纖維不僅提高了混凝土抗壓、抗拉強(qiáng)度，而且降低了氯離子擴(kuò)散及其滲透性能。王晨飛等[9]研究了不同聚丙烯纖維摻量對(duì)氯離子擴(kuò)散性能的影響，結(jié)果表明：混凝土內(nèi)部氯離子含量隨聚丙烯纖維摻量的增加而增大，氯離子結(jié)合能力及氯離子擴(kuò)散系數(shù)也隨纖維摻量的增大而增加。王磊等[10]研究了干濕循環(huán)作用下不同聚丙烯纖維摻量對(duì)混凝土抗氯離子侵蝕性能的影響，結(jié)果表明：聚丙烯纖維摻量對(duì)混凝土氯離子滲透有著很大影響，在聚丙烯纖維摻量為0.1%(體積分?jǐn)?shù))時(shí)，混凝土抗氯離子滲透性能提升最為明顯，但是過量聚丙烯纖維的摻入反而會(huì)起到相反的作用。

目前，已有部分水庫、大壩工程采用聚丙烯纖維摻入制作聚丙烯纖維混凝土(polypropylene fiber concrete， PFC)[11]，以降低混凝土早期原生裂縫及減少后生裂縫的數(shù)量和寬度。隨著聚丙烯纖維混凝土應(yīng)用越來越為廣泛，對(duì)其耐久性能的研究也引起大量學(xué)者的關(guān)注[12-14]。本文針對(duì)聚丙烯纖維體積摻量(下同)0%、0.15%、0.30%、0.45%的混凝土進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，探究不同聚丙烯纖維摻量對(duì)不同干濕循環(huán)周期作用下混凝土氯離子傳輸?shù)挠绊?，分析氯離子含量、氯離子結(jié)合能力及氯離子擴(kuò)散系數(shù)的變化規(guī)律，為聚丙烯纖維混凝土耐久性研究與應(yīng)用提供理論支撐。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料及配合比

水泥為冀東牌42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；粗骨料為5～20 mm的碎石，表觀密度2 570 kg/m3，堆積密度1 550 kg/m3；細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.7的普通河砂，顆粒級(jí)配良好的Ⅱ區(qū)中砂；粉煤灰采用Ⅱ級(jí)粉煤灰；減水劑采用聚羧酸高效減水劑，減水率21%；纖維采用聚丙烯纖維，具體指標(biāo)見表1，試驗(yàn)配合比及基本性能見表2。

表1 聚丙烯纖維主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of polypropylene fiber

表2 混凝土配合比及基本性能指標(biāo)Table 2 Basic performance and mix proportion of test concrete

1.2 試驗(yàn)方法

采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)，待試件成型24 h后進(jìn)行拆模，將拆模后的試件放入標(biāo)準(zhǔn)條件(溫度(20±2) ℃，相對(duì)濕度95%以上)下養(yǎng)護(hù)28 d。養(yǎng)護(hù)完成后，將試塊放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中浸泡4 d，而后在85 ℃的恒溫烘干箱中干燥1 d，此為一個(gè)干濕循環(huán)，每干濕循環(huán)30 d為一個(gè)測(cè)量周期，每個(gè)測(cè)量周期結(jié)束對(duì)溶液進(jìn)行一次更換，最大干濕循環(huán)120 d?；炷谅入x子含量測(cè)定取樣采用混凝土打磨機(jī)逐層取粉，在混凝土深度10 mm之前，每1 mm進(jìn)行一次取樣，當(dāng)深度大于10 mm時(shí)，每2 mm進(jìn)行一次取樣。取樣后粉末過篩置入(105±5) ℃烘干箱中烘干2 h備用，混凝土自由氯離子含量和總氯離子含量檢測(cè)參照《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》JTS/T 236—2019水溶萃取法和酸溶萃取法進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 自由氯離子含量變化情況

自由氯離子(Cf)是一種可以在混凝土內(nèi)部擴(kuò)散的離子，當(dāng)其透過混凝土保護(hù)層到達(dá)鋼筋表面并聚集到一定濃度時(shí)，則會(huì)引起鋼筋銹蝕，因而抗氯離子侵蝕性是混凝土耐久性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。圖1是自由氯離子含量隨深度變化的曲線關(guān)系。從圖1可見，混凝土中自由氯離子含量隨著混凝土深度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。在深度3 mm處氯離子含量達(dá)到最大值，而隨著深度的持續(xù)增加，氯離子含量逐漸下降。當(dāng)深度繼續(xù)增加，氯離子含量下降趨勢(shì)變緩，逐漸趨于水平。分析其原因,氯離子侵入混凝土主要分兩個(gè)階段三個(gè)區(qū)域進(jìn)行，干燥的混凝土表層接觸到溶液時(shí)，溶液由于毛細(xì)吸收作用進(jìn)入混凝土內(nèi)部，即“燈芯”效應(yīng)[15]，隨著溶液逐漸累積，混凝土內(nèi)部逐漸飽和。干燥時(shí)混凝土表層水分蒸發(fā)，混凝土孔隙氯離子濃度增大，多次干濕循環(huán)導(dǎo)致混凝土表層某區(qū)域處形成高濃度氯離子區(qū)。氯離子含量上升階段便是對(duì)流區(qū)，主要以毛細(xì)吸收和水分蒸發(fā)對(duì)流遷移。經(jīng)過氯離子高濃度區(qū)域之后，氯離子傳輸方式由毛細(xì)吸收變換為擴(kuò)散的方式，從高濃度區(qū)域逐漸向混凝土深處擴(kuò)散，這便是氯離子擴(kuò)散區(qū)，氯離子含量隨著深度逐漸下降，氯離子主要以擴(kuò)散的方式向內(nèi)部傳輸。而在混凝土內(nèi)部較深區(qū)域，外界氯離子傳輸未滲入其中，其氯離子主要是隨原材料進(jìn)入，在氯離子含量曲線上表現(xiàn)為水平。

圖1 自由氯離子含量隨深度變化曲線Fig.1 Variation curves of free chloride ion contentchanging with depth

圖2是混凝土不同深度處自由氯離子含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)隨聚丙烯纖維摻量變化的關(guān)系圖。從圖2可以看出，整體上隨著纖維摻量的增大，相同深度處自由氯離子含量呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。聚丙烯纖維摻量為0.15%時(shí)自由氯離子含量達(dá)到最低，摻量0.45%時(shí)自由氯離子含量最大。在3 mm處聚丙烯纖維摻量0%的基準(zhǔn)組P1的Cf為0.25%，而P2組混凝土Cf為0.22%，相對(duì)P1組下降了13.04%，P4的Cf為0.30%，相對(duì)P1組上升了20%。由此可見，適量聚丙烯纖維摻入有利于混凝土結(jié)構(gòu)抗氯離子侵蝕，而過量聚丙烯纖維的摻入為氯離子滲透提供了便利條件。一方面少量聚丙烯纖維的摻入能夠密實(shí)混凝土結(jié)構(gòu)，減少混凝土在成型硬化過程中的泌水，從而減小混凝土孔隙結(jié)構(gòu)泌水造成的收縮應(yīng)力。另一方面，聚丙烯纖維相對(duì)混凝土漿體彈性模量較高，纖維與漿體之間的粘接力可降低混凝土早期開裂，從而有利于混凝土結(jié)構(gòu)抵抗氯離子侵蝕。而隨著混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)度的持續(xù)增加，聚丙烯纖維對(duì)其作用有限。持續(xù)大量聚丙烯纖維的摻入導(dǎo)致纖維分布不均，混凝土內(nèi)部連通孔隙增多，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)抗氯離子滲透性能產(chǎn)生不利影響。

圖2 自由氯離子含量隨聚丙烯纖維摻量變化圖Fig.2 Graph of free chloride ion content changingwith polypropylene fiber content

2.2 氯離子結(jié)合能力

自由氯離子(Cf)對(duì)鋼筋混凝土耐久性的影響得到普遍認(rèn)可，結(jié)合氯離子(Cb)并不穩(wěn)定，在一定條件下會(huì)失穩(wěn)釋放，具有與自由氯離子(Cf)相同的擴(kuò)散能力和腐蝕性[16]。圖3是聚丙烯纖維混凝土結(jié)合氯離子含量(Cb)隨深度的變化關(guān)系，由圖3可見，隨著測(cè)量深度的增加，結(jié)合氯離子含量呈下降趨勢(shì)，而后趨向于水平。結(jié)合氯離子下降段和水平段的氯離子分別來自外界滲入和混凝土自帶氯離子，而混凝土自帶氯離子在28 d完成氯離子的結(jié)合[17]，即在外界氯離子滲入之前已基本完成對(duì)自帶氯離子的結(jié)合，因而導(dǎo)致在曲線后半段呈現(xiàn)水平趨勢(shì)。各試驗(yàn)組混凝土自由氯離子含量和總氯離子含量之間有著較好的線性關(guān)系，結(jié)合胡蝶等[18]研究發(fā)現(xiàn)，則認(rèn)為氯離子的結(jié)合能力和深度關(guān)系不大。結(jié)合氯離子含量隨深度增大逐漸減小主要是混凝土中自由氯離子含量減小導(dǎo)致。

圖3 結(jié)合氯離子隨深度變化曲線Fig.3 Variation curves of binding chloride ion with depth

利用Cb與Cf之間良好的線性吸附關(guān)系，得出氯離子結(jié)合能力R與線性吸附系數(shù)α之間的等式關(guān)系[19]如下：

(1)

通過式(1)計(jì)算得出各組混凝土氯離子結(jié)合能力，如表3所示。從表3中數(shù)據(jù)可以看出，隨著聚丙烯纖維摻量的增大，R呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，P2組R值相對(duì)P1組降低了7.69%，P4組R值相對(duì)P1增大了26.92%。分析其原因是：0.15%聚丙烯纖維的摻入，堵塞了混凝土水分和氯離子的傳輸通道，并且由于基體內(nèi)部錯(cuò)綜復(fù)雜纖維的橋接作用，抑制了混凝土在成型及損傷時(shí)裂縫的延伸擴(kuò)展，分散裂縫尖端的應(yīng)力集中。而隨著聚丙烯纖維持續(xù)摻入，纖維結(jié)團(tuán)造成混凝土內(nèi)部孔隙增多，這些孔隙和裂紋為水分和氯離子的傳輸帶來便利，使得混凝土內(nèi)部自由氯離子含量增多，氯離子結(jié)合C-S-H凝膠幾率增大，同時(shí)孔隙表面對(duì)氯離子的物理吸附作用也更加顯著。

表3 氯離子結(jié)合能力RTable 3 Chloride binding capacity R

以聚丙烯纖維摻量為橫坐標(biāo)，氯離子結(jié)合能力為縱坐標(biāo)，通過數(shù)據(jù)擬合，得出聚丙烯纖維摻量0%～0.45%范圍內(nèi)，氯離子結(jié)合能力R與纖維摻量x之間的關(guān)系為：

R=0.89x2-0.24x+0.26

(2)

聚丙烯纖維摻量和氯離子結(jié)合能力關(guān)系擬合結(jié)果見圖4，相關(guān)系數(shù)為0.99，擬合相關(guān)性良好。通過式(2)便可得出在聚丙烯纖維摻量范圍內(nèi)的特定摻量下，混凝土氯離子的結(jié)合能力。

圖4 聚丙烯纖維摻量和氯離子結(jié)合能力關(guān)系Fig.4 Relationship between polypropylene fiber contentand chloride binding capacity

2.3 氯離子擴(kuò)散系數(shù)

氯離子擴(kuò)散系數(shù)D作為反應(yīng)混凝土抵抗氯離子侵蝕的重要指標(biāo)，對(duì)混凝土耐久性研究具有重要意義[20-21]。依據(jù)混凝土擴(kuò)散區(qū)氯離子含量并結(jié)合Fick第二擴(kuò)散定律，得到各組混凝土干濕循環(huán)不同周期下的擴(kuò)散系數(shù)D值。圖5是干濕循環(huán)一定周期下，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)D隨聚丙烯纖維摻量變化關(guān)系圖。從圖中曲線可以看出，干濕循環(huán)前期，隨著聚丙烯纖維摻量的增大，擴(kuò)散系數(shù)D呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。干濕循環(huán)30 d時(shí)，摻量0.15%時(shí)達(dá)到最低值7.46×10-6mm2·s-1，相對(duì)于P1降低了5.93%，摻量0.45%時(shí)達(dá)最大值10.83×10-6mm2·s-1，相對(duì)P1增大了36.57%。在干濕循環(huán)前期，少量聚丙烯纖維的摻入優(yōu)化了混凝土內(nèi)部孔隙，水分及氯離子傳輸通道受阻，因而導(dǎo)致在干濕循環(huán)30 d時(shí)曲線隨摻量增大首先呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。而隨著聚丙烯纖維摻量的持續(xù)增大，纖維在混凝土內(nèi)部分散性較差、易于結(jié)團(tuán)，影響混凝土結(jié)構(gòu)的密實(shí)性，引入毛細(xì)孔及薄弱界面區(qū)，氯離子易于在基體內(nèi)部傳輸擴(kuò)散。因此干濕循環(huán)前期30 d時(shí)曲線隨聚丙烯纖維摻量增大而出現(xiàn)上升的趨勢(shì)。隨著干濕循環(huán)周期的持續(xù)進(jìn)行，氯離子擴(kuò)散系數(shù)曲線逐漸趨于水平，干濕循環(huán)后期呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。干濕循環(huán)120 d時(shí)，曲線隨聚丙烯纖維摻量增大呈下降趨勢(shì)，摻量0%的基準(zhǔn)組氯離子擴(kuò)散系數(shù)值最大為3.98×10-6mm2·s-1，而P4組達(dá)到最小值2.17×10-6mm2·s-1，比P1組小45.48%。摻聚丙烯纖維的試驗(yàn)組氯離子擴(kuò)散系數(shù)均小于未摻纖維的基準(zhǔn)組，較P1基準(zhǔn)組平均下降了29.48%，說明在干濕循環(huán)作用后期，聚丙烯纖維的摻入有利于混凝土抵抗氯離子的侵入。分析其原因：干濕循環(huán)作用下不斷有鹽晶及蒸氣壓對(duì)混凝土造成破壞，混凝土中原生裂縫的寬度及長(zhǎng)度都在持續(xù)增長(zhǎng)，而且不斷有新生裂縫的形成，給混凝土中氯離子傳輸提供了通道。摻入聚丙烯纖維的混凝土，由于纖維與混凝土基體之間存在粘接力，纖維的橋接作用將斷裂處的應(yīng)力作用傳輸給未開裂部分。并且纖維可以緩和應(yīng)力集中，改變裂縫延伸路徑，增大裂縫延伸所耗能量，減少裂縫數(shù)量及長(zhǎng)度。纖維的阻裂作用大于其帶來更多孔隙的不利影響，因而有利于抵抗氯離子的侵入。

圖5 氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨纖維摻量變化關(guān)系Fig.5 Relationship between chloride ion diffusioncoefficient and fiber content

Thomas氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間變化的時(shí)變模型如式(3)[22]：

(3)

式中：D0為時(shí)間t0時(shí)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)；Dt為時(shí)間t時(shí)氯離子擴(kuò)散系數(shù)；m為時(shí)間依賴性系數(shù)。

通過式(3)對(duì)測(cè)得氯離子擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行擬合，可得到各組混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)時(shí)間依賴系數(shù)，如表4所示，時(shí)間依賴系數(shù)擬合圖見圖6。從圖6各組混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)走勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著干濕循環(huán)周期的增長(zhǎng)，呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是由于隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行，混凝土內(nèi)部不斷水化密實(shí)，并且纖維的橋接能力增強(qiáng)，因而抗氯離子侵蝕能力增大。而由表4可見，試驗(yàn)組的混凝土?xí)r間依賴性系數(shù)均大于未摻纖維的基準(zhǔn)組，說明摻纖維之后混凝土抗氯離子侵蝕能力提高，減弱了干濕循環(huán)作用對(duì)混凝土的破壞作用。

圖6 時(shí)間依賴系數(shù)擬合圖Fig.6 Time-dependent coefficient fitting diagram

表4 時(shí)間依賴性系數(shù) mTable 4 Time dependence coefficient m

3 結(jié) 論

(1)自由氯離子含量隨深度增大而先增后減，在3 mm處形成氯離子高濃度區(qū)。0.15%(體積分?jǐn)?shù))聚丙烯纖維的摻入降低了混凝土中自由氯離子含量，但過量聚丙烯纖維的摻入容易結(jié)團(tuán)引入薄弱界面，導(dǎo)致混凝土中氯離子含量增大。

(2)聚丙烯纖維的摻入提高了混凝土氯離子結(jié)合能力，在聚丙烯纖維體積摻量0%～0.45%范圍內(nèi)，氯離子結(jié)合能力與聚丙烯纖維摻量之間存在較好的二次函數(shù)關(guān)系。

(3)以氯離子擴(kuò)散系數(shù)為指標(biāo)，聚丙烯纖維的摻入有利于混凝土抵抗氯離子侵蝕，并且在干濕循環(huán)后期，摻量越大效果越好。摻聚丙烯纖維的混凝土?xí)r間依賴系數(shù)大于未摻纖維的混凝土。