聚乙烯醇纖維改性混凝土的制備及耐久性試驗(yàn)

摘 要：針對(duì)普通混凝土材料存在耐鹽蝕和耐干濕循環(huán)性能差的問題，提出用聚乙烯醇纖維對(duì)混凝土進(jìn)行改性。研究了聚乙烯醇纖維對(duì)混凝土影響機(jī)理，并以抗壓強(qiáng)度和耐鹽蝕為指標(biāo)，對(duì)聚乙烯醇摻量進(jìn)行優(yōu)化。試驗(yàn)結(jié)果表明，聚乙烯醇混凝土早期強(qiáng)度有一定下降，后期強(qiáng)度明顯增加。當(dāng)聚乙烯醇摻量為0.2%時(shí)，混凝土綜合性能最高。在此條件下，混凝土7 d抗壓強(qiáng)度為34.5 MPa；28 d抗壓強(qiáng)度為47.5 MPa；經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室清水和基礎(chǔ)鹽溶液浸泡干濕循環(huán)處理和室外鹽漬土地掩埋處理，相對(duì)質(zhì)量和相對(duì)動(dòng)彈模量較為穩(wěn)定，表現(xiàn)出較好的耐鹽蝕性能。

關(guān)鍵詞：耐鹽蝕混凝土； 聚乙烯醇；纖維混凝土；相對(duì)質(zhì)量變化

中圖分類號(hào)：TQ342+.61

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）11-0145-04

Preparation and durability test of polyvinyl alcohol fiber modified concrete

XIN Zhaodong

（Institute of Chinese Peoples Armed Police Force，Beijing 100020

）

Abstract：In view of the poor salt corrosion resistance and dry wet cycle resistance of ordinary concrete materials，the concrete was modified with polyvinyl alcohol fiber.The influence mechanism of polyvinyl alcohol fiber on concrete was studied，and the polyvinyl alcohol content was optimized based on the compressive strength and salt corrosion resistance.The test results showed that the strength of polyvinyl alcohol fiber modified concrete decreased in the early stage and increased obviously in the later stage.When the polyvinyl alcohol content was 0.2%，the rcompressive strength of concretewas the best.Under these conditions，the 7 d and 28 d compressive strength of concrete were34.5 MPa and 47.5 MPa respectively;After soaking in laboratory water and basic salt solution，the relative mass and relative dynamic modulus were stable and the salt corrosion resistance was good.

Key words：salt corrosion resistant concrete;polyvinyl alcohol;fiber concrete;relative mass change

混凝土是目前最常用的鋪裝材料。但普通混凝土作為公路建材，在一些特殊地域使用時(shí)，受鹽蝕和干濕循環(huán)的影響，易出現(xiàn)開裂、脫塊的現(xiàn)象，造成極大的安全隱患。增強(qiáng)鹽漬地區(qū)混凝土路面的耐性是目前亟待解決的問題，對(duì)此，部分學(xué)者也進(jìn)行了很多研究。如針對(duì)鹽漬混凝土耐久性的問題，提出多種防護(hù)措施對(duì)混凝土進(jìn)行處理［1］；通過聚乙烯醇纖維對(duì)混凝土進(jìn)行改性［2］;研究了纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的增強(qiáng)效果［3-4］。以上學(xué)者的研究表明，纖維對(duì)混凝土的耐久性和力學(xué)性均明顯高于普通混凝土，但纖維摻量還有優(yōu)化空間?；诖耍谖墨I(xiàn)［5］的試驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)聚乙烯醇纖維耐鹽蝕混凝土配比進(jìn)行優(yōu)化。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

主要材料：P·O42.5水泥，康輝耐材；砂子（II級(jí)），西旺礦產(chǎn);減水劑（AR）， 清?；ぃ环勖夯遥↖I級(jí)），麗輝礦產(chǎn)；聚乙烯醇纖維（AR）， 路克材料；卵石（I級(jí)），馳霖礦產(chǎn)。

主要設(shè)備：HZJ-A型混凝土振動(dòng)臺(tái)（大宏儀器）；JS500型混凝土攪拌機(jī)（建新機(jī)械）；YAW-200T型壓力試驗(yàn)機(jī)（普業(yè)機(jī)電）；DT-20型動(dòng)彈性模量測(cè)定儀（海盛世慧）。

1.2 試驗(yàn)方法

（1）提前對(duì)混凝土攪拌機(jī)進(jìn)行清洗，然后對(duì)攪拌機(jī)進(jìn)行掛漿處理；

（2）根據(jù)配合比，依次將粗細(xì)骨料、水泥和粉煤灰干拌60 s，待物料充分混合，在攪拌的狀態(tài)下均勻撒入聚乙烯醇纖維，繼續(xù)加拌60 s；

（3）將混有減水劑的水放入攪拌機(jī)中充分?jǐn)嚢瑁?/p>

（4）將纖維混凝土分2次倒入提前刷油的模具內(nèi)，第一次倒入混凝土后，將模具置于 HZJ-A型混凝土振動(dòng)臺(tái)上振實(shí)，振動(dòng)時(shí)間為15 s，然后將另一半混凝土倒入，繼續(xù)振實(shí)15 s；

（5）振動(dòng)結(jié)束后將混凝土表面抹平，覆蓋保鮮膜后置于通風(fēng)干燥環(huán)境靜置1 d。脫模后編號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至指定齡期。配合比見表1。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 抗壓強(qiáng)度測(cè)試

通過壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)材料抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。

抗壓強(qiáng)度表達(dá)式：

f=F/A（1）

式中：f為抗壓強(qiáng)度，MPa；F為受壓荷載，kN；A為受壓面積，mm2。

1.3.2 動(dòng)彈性模量測(cè)試

通過動(dòng)彈性模量測(cè)定儀測(cè)試材料動(dòng)彈性模量。

1.3.3 鹽蝕-干濕循環(huán)試驗(yàn)

將尺寸為100 mm×100 mm×400 mm 的棱柱體豎直半浸泡在侵蝕溶液中，7 d后取出后在室外干燥環(huán)境中進(jìn)行晾曬，晾曬時(shí)間為8 d。以此過程作為一個(gè)循環(huán)，對(duì)材料相對(duì)質(zhì)量變化和相對(duì)動(dòng)彈量變化進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強(qiáng)度

由圖1可知，混凝土內(nèi)部聚乙烯醇纖維用量增加，所有齡期混凝土抗壓強(qiáng)度均為V字變化。0.2%聚乙烯醇混凝土7 d和28 d 抗壓強(qiáng)度均明顯高于基準(zhǔn)混凝土。隨纖維用量的增加，纖維在混凝土內(nèi)部均勻分散，在受外界荷載時(shí)，纖維與骨料協(xié)同受力，當(dāng)能量傳遞到纖維上后，由于纖維高彈高模特點(diǎn)，對(duì)能量有一定的消耗作用，因此混凝土的抗壓強(qiáng)度有一定的提升［6-7］。繼續(xù)提升體系內(nèi)混凝土纖維摻量，混凝土抗壓強(qiáng)度反而有一定下降，這是因?yàn)檫^量纖維會(huì)在纖維內(nèi)部聚集，這就增加了混凝土內(nèi)部孔隙，影響了混凝土致密性，進(jìn)而影響了混凝土抗壓強(qiáng)度［8-9］。

同時(shí)由圖1可知，3 d纖維混凝土抗壓強(qiáng)度均明顯低于基準(zhǔn)混凝土，這說明纖維在養(yǎng)護(hù)早期對(duì)混凝土產(chǎn)生不良的影響。最佳纖維摻量條件下，混凝土7 d和28 d抗壓強(qiáng)度分別為34.5 MPa和47.5 MPa，較基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度分別提高了6.2%和6.9%。

2.2 室內(nèi)鹽蝕-干濕循環(huán)試驗(yàn)

2.2.1 相對(duì)質(zhì)量變化

混凝土作為建筑材料使用時(shí)，需要面對(duì)各種復(fù)雜的環(huán)境侵害，因此需要對(duì)材料耐鹽蝕-干濕循環(huán)性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見圖2。

由圖2（a）可知，經(jīng)過清水浸泡后，四種試件的變化規(guī)律較為類似。這是因?yàn)榻?jīng)過清水浸泡的試件相當(dāng)于只受到干濕循環(huán)的影響。對(duì)比4種試件可知，雖然變化規(guī)律較為接近，但纖維摻量為0.2%的混凝土的相對(duì)質(zhì)量較高，且較為穩(wěn)定。由圖2（b）可知，經(jīng)過鹽溶液浸泡處理后，混凝土相對(duì)質(zhì)量波動(dòng)較大，這就說明混凝土受到鹽溶液侵蝕后，混凝土質(zhì)量損失較為嚴(yán)重。但0.2%纖維混凝土始終維持較為穩(wěn)定的狀態(tài)，這就說明在鹽溶液浸泡侵蝕的條件下，0.2%纖維混凝土的質(zhì)量損失較小，表現(xiàn)出良好的耐鹽蝕-干濕循環(huán)性能。

2.2.2 相對(duì)動(dòng)彈模量結(jié)果

圖3為混凝土試件相對(duì)動(dòng)彈模量變化。

通過圖3（a）可知，在本試驗(yàn)構(gòu)建的試驗(yàn)環(huán)境下，纖維混凝土的動(dòng)彈性模量始終高于基準(zhǔn)混凝土。當(dāng)浸泡時(shí)間較短，動(dòng)彈性模量隨纖維摻量的增加而增加。

清水環(huán)境下，混凝土的動(dòng)彈性模量波動(dòng)較小。清水浸泡，混凝土試件只受干濕循環(huán)的影響。鹽溶液浸泡，循環(huán)次數(shù)較少時(shí)，鹽離子在試件表面附著，少部分進(jìn)入試件內(nèi)部，增強(qiáng)了混凝土試件的密實(shí)性，進(jìn)而提升了混凝土的動(dòng)彈性模量。隨循環(huán)次數(shù)的增加，大量鹽離子進(jìn)入體系內(nèi)部，產(chǎn)生物理和化學(xué)反應(yīng)， 使混凝土動(dòng)彈性模量變高［12-13］。同時(shí)，大量鹽離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部后，增加了反應(yīng)物，當(dāng)體系內(nèi)纖維摻量超過0.2%后，反應(yīng)物過多，混凝土內(nèi)部的密實(shí)性反而被破壞，材料動(dòng)彈性模量開始下降，這就造成了0.2%纖維混凝土和0.3%纖維混凝土在干濕循環(huán)后期，動(dòng)彈性模量出現(xiàn)較大波動(dòng)。但整體來說，0.2%纖維混凝土穩(wěn)定性更好，且波動(dòng)不明顯，表現(xiàn)出較好的耐鹽蝕-干濕循環(huán)性能。

2.3 室外鹽蝕試驗(yàn)

通過上述試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度和室內(nèi)耐鹽蝕干濕循環(huán)性能，但就混凝土的使用環(huán)境，還需進(jìn)行室外鹽蝕試驗(yàn)，以進(jìn)一步驗(yàn)證材料的耐久性［14-15］。因此，模擬室外公路環(huán)境，對(duì)上述制備的材料進(jìn)行耐久性試驗(yàn)。

2.3.1 相對(duì)質(zhì)量變化

室外相對(duì)質(zhì)量變化情況如圖4所示。

通過觀察圖4可知，所有試件隨放置時(shí)間的增加，相對(duì)質(zhì)量變化趨勢(shì)均為波浪形變化，纖維混凝土下降至150 d時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，開始緩慢的上升。而基準(zhǔn)混凝土在180 d時(shí)，相對(duì)質(zhì)量才開始出現(xiàn)上升，在210 d時(shí)相對(duì)質(zhì)量開始下降。在所有試件中，0.3%纖維混凝土相對(duì)質(zhì)量損失變化較小，其次為0.2%纖維混凝土。這個(gè)變化說明了0.2%和0.3%纖維混凝土在外界空氣中質(zhì)量損失較少，具備較好的環(huán)境耐性。

2.3.2 相對(duì)動(dòng)彈量分析

室外

動(dòng)彈性模量變化情況如圖5所示。

由圖5可知，隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，四種試件的動(dòng)彈性模量均表現(xiàn)出先略微下降再快速上升的變化趨勢(shì)。養(yǎng)護(hù)時(shí)間為150 d前，混凝土動(dòng)彈性模量損失基本保持一致，在養(yǎng)護(hù)后期，相對(duì)動(dòng)彈性模量開始增加時(shí)，不同試件相對(duì)動(dòng)彈性模量增加速率開始出現(xiàn)差別，270 d養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)，相對(duì)動(dòng)彈性模量差別較為明顯。摻0.2%纖維混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量在養(yǎng)護(hù)前期快速下降，在150 d后又快速的上升，直至齡期超過270 d時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈性模量明顯高于基準(zhǔn)混凝土。

同時(shí)對(duì)比圖5和圖3（b）可知，室內(nèi)試驗(yàn)和室外試驗(yàn)混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量變化也有一定差別。出現(xiàn)這個(gè)變化的主要原因在于，室外試驗(yàn)鹽離子濃度相對(duì)較小，鹽離子開始僅在試件周圍附著，侵蝕混凝土外表層結(jié)構(gòu)。隨反應(yīng)的進(jìn)行，混凝土周圍鹽離子堆積，鹽分對(duì)混凝土的侵蝕加速，這就導(dǎo)致了更多鹽離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部，與混凝土內(nèi)部水化產(chǎn)生反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物填充了混凝土內(nèi)部孔隙，增強(qiáng)了混凝土密實(shí)性，進(jìn)而增強(qiáng)了混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量。但反應(yīng)時(shí)間的增加，混凝土內(nèi)部堆積了反應(yīng)物，破壞了混凝土整體性，混凝土動(dòng)彈性模量下降。0.2%纖維混凝土的動(dòng)彈性模量損失較少， 表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性能。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）聚乙烯醇纖維影響混凝土早期強(qiáng)度，但可以增強(qiáng)混凝土后期強(qiáng)度。當(dāng)聚乙烯醇摻量為0.2%時(shí)，對(duì)混凝土的增強(qiáng)效果最好，此時(shí)混凝土7 d抗壓強(qiáng)度為34.5 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為47.5 MPa;

（2）室內(nèi)鹽蝕-干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果表明，聚乙烯醇纖維為0.2%的混凝土試件經(jīng)過清水和鹽蝕干濕循環(huán)后，相對(duì)質(zhì)量變化較少，動(dòng)彈性模量變化幾乎較為穩(wěn)定，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和抗鹽蝕性能;

（3）室外鹽蝕土壤試驗(yàn)結(jié)果表明，隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，所有試件的相對(duì)質(zhì)量變化規(guī)律較為類似。0.2%纖維混凝土質(zhì)量損失較小，穩(wěn)定性良好。養(yǎng)護(hù)210 d后，0.2%纖維動(dòng)彈性模量最高，表現(xiàn)出良好的耐鹽蝕性能。

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收稿日期：2023-06-10；修回日期：2023-09-21

作者簡(jiǎn)介：辛照東（1983-），男，工程師，研究方向：土木工程與新材料應(yīng)用;E-mail：xinzhaodong1983@126.com。

引文格式：辛照東.聚乙烯醇纖維改性混凝土的制備及耐久性試驗(yàn)［J］.粘接，2023，50（11）：145-148.