荷载作用对聚丙烯纤维锂渣混凝土氯离子渗透性的影响研究

温勇，李文婷，邓喆

（新疆大学建筑工程学院，新疆乌鲁木齐 830047）

荷载作用对聚丙烯纤维锂渣混凝土氯离子渗透性的影响研究

温勇，李文婷，邓喆

（新疆大学建筑工程学院，新疆乌鲁木齐 830047）

混凝土结构在荷载作用下会引起混凝土内部微裂缝的发生与发展，形成渗透通道，从而影响氯离子渗透性．本文通过研究不同掺量下聚丙烯纤维和锂渣的混凝土在单次荷载和循环荷载作用下（抗压极限荷载的10%、20%、30%）模拟混凝土的实际承载情况，通过测试加载后的混凝土氯离子电通量，研究荷载大小对混凝土渗透性的影响．结果表明：1次加载和循环加载对混凝土氯离子渗透性均产生较为显著的影响；混凝土的氯离子渗透性随着锂渣粉掺量的增加而降低；而随着聚丙烯纤维掺量的增加而缓慢增大．

混凝土；聚丙烯纤维；锂渣；1次加载；循环加载；电通量

钢筋混凝土因其良好的力学性能和低廉的成本被广泛应用于工程建设各领域中．但在实际混凝土结构设计中，由于设计者对混凝土材料的耐久性问题认识不足，导致很多混凝土结构在未达到规定的设计使用年限就需大量维修，甚至提前拆除，造成了巨大的资源浪费和经济损失．影响钢筋混凝土材料耐久性的因素很多，钢筋锈蚀是其中最为主要的[1]．通常，由于氯离子扩散至钢筋表面后引起的钢筋的电化学锈蚀最为普遍、直接和严重[2]．

为有效的改善外部介质对混凝土的侵蚀劣化作用并延长混凝土结构的使用寿命，通常需要在混凝土耐久性设计和材料的选择阶段充分考虑使用足够的混凝土保护层厚度和高品质的混凝土．混凝土保护层厚度的增加能够带来一定的益处，虽然这种做法能够有效阻碍侵蚀性介质的侵入并延长初始破坏产生的时间[3]．然而事实上，由于力学性能和现实原因，保护层厚度的增加是有限的．为达到混凝土的理想力学性能与优异的耐久性，近年来的关于改善混凝土耐久性能的研究较多集中于矿物掺合料和纤维的应用．

矿物掺合料的使用可以增强氯离子结合能力[4]，降低混凝土氯离子渗透性[5]．锂渣粉是将从锂辉石中提炼锂盐生产过程中大量排出的固体工业废弃物磨细制成的具有一定火山灰活性的矿物掺合料．新疆地区是国内生产锂盐的重要基地之一，锂渣粉产量较高并主要应用于混凝土中[6]．然而，由于国内外对锂渣粉对混凝土耐久性的影响研究较少，尤其是对混凝土氯离子渗透性的影响研究甚少，这在一定程度上限制了锂渣的废物利用及其在工程建设中的推广．

氯离子由混凝土表面通过扩散渗透进入混凝土中是一个持续多年的缓慢变化过程．通过将数以万计的纤维均匀分布于混凝土中，可以减少混凝土中裂缝数量、长度和宽度，降低生成贯通裂缝的可能性，改善混凝土内部的孔结构，从而使得混凝土中骨料和水泥砂浆界面更加密实，从而降低了混凝土的氯离子表观扩散系数，使抗氯离子渗透性能得到加强．清华大学张君等[7]对混凝土梁施加弯曲荷载，然后采用NaCl溶液连续浸泡或干湿循环方法对混凝土梁进行氯离子侵蚀，通过测定混凝土裂缝处的氯离子含量，研究比较了开裂状态下聚丙烯纤维与钢纤维混凝土的抗氯离子侵蚀性能，结果是干湿循环后的氯离子侵蚀均较连续NaCl浸泡后的更为严重，而且多因素作用下比单因素氯离子侵蚀更为厉害，在相同条件下，聚丙烯纤维的性能更优于钢纤维，他们两者都要强于基准混凝土，可见纤维的抗裂作用对于提高混凝土抗氯离子渗透性能起到了很大的作用．

通常，实际环境中服役的混凝土结构都会承受不同类型的荷载作用，荷载会引起混凝土中孔结构和微裂缝发生变化，从而影响到氯离子渗透性[8-10]．因此，本文针对新疆区域性矿物掺合料—锂渣粉，探讨了1次加载和循环加载作用下对聚丙烯纤维锂渣混凝土抗氯离子渗透性的影响．

1 试验

1.1 原材料

水泥：选用新疆天山水泥厂生产的P.O42.5水泥；细集料：乌拉泊水库上游乌鲁木齐河的水洗砂，细度模数2.86，含泥量1.3%，表观密度2640 kg/m3；粗集料：卵石，5～16mm连续级配，压碎指数3.2%，含泥量0.7%，表观密度2 680 kg/m3．锂渣粉：试验中所用的锂渣粉由新疆乌鲁木齐锂业有限公司生产．聚丙烯纤维：江苏苏博特新材料股份有限公司生产的润强丝®-I聚丙烯纤维．减水剂：聚羧酸减水剂．水：自来水．

1.2 混凝土配合比

混凝土配合比按C40强度等级进行设计，锂渣粉等量取代水泥，设计配合比见表1．

1.3 试验方法

1.3.1 加载试验

本试验采用电通量法对加载之后的试块进行氯离子渗透试验，所用仪器为DTL-A氯离子电通量测试仪．

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

2 试验结果及分析

2.1 1 次加载对混凝土电通量的影响

图1a）为1次加载后纤维掺量对锂渣混凝土电通量随应力比的影响情况．由图1a）可见，在锂渣替代水泥恒定为20%的锂渣混凝土中，聚丙烯纤维以0.6 kg/m3、1.0 kg/m3和1.4 kg/m33个水平的掺量掺入锂渣混凝土后，随1次荷载的应力比由10%增加至30%时，各组混凝土试件的电通量值均呈增大趋势，可见荷载作用对于混凝土结构内部孔隙、裂缝等缺陷的影响是显著地．试验结果表明，用锂渣替代水泥后，能够显著降低混凝土的电通量值；而在锂渣以20%的水平替代水泥后，改变聚丙烯纤维的掺量后，混凝土却表现出了随着纤维掺量的增加，电通量值也有所增大的趋势．

图1 一次加载对聚丙烯纤维锂渣混凝土电通量的影响Fig.1 Influenceof theelectric flux ofpolypropylene fibers reinforced concrete containing lithium slag underonce loading

当应力比低于10%时，未掺锂渣和聚丙烯纤维的C4-0组混凝土试件的电通量值由1260C增加至1824C，变化幅度为44.8%；而用20%的锂渣替代水泥和掺入不同质量的聚丙烯纤维后，混凝土试件的电通量值增加幅度在22%～28%之间，相较于空白对比组而言，增幅有所降低．当应力比超过10%时，各组混凝土试件的增幅明显；以应力比10%时的电通量值为基点，C4-20-6、C4-20-10和C4-20-14这3组试件在应力比为30%时的电通量值分别增大了3.24、2.92和2.61倍，由此可见，随着聚丙烯纤维掺量的增大，混凝土试件的电通量增幅有所下降，表明聚丙烯纤维在较大的荷载作用下，可以一定程度的抑制混凝土内部缺陷的增加．

图1b）为1次加载后锂渣掺量对纤维混凝土电通量随应力比的影响情况．由图1b）可见，锂渣的掺入能够有效的降低荷载作用后混凝土的电通量值，并且随着锂渣掺量的增加电通量降低的效果更为显著．当聚丙烯纤维掺量固定为1.0 kg/m3时，锂渣替代水泥掺量变化后，各组混凝土试件随应力比的变化而表现出的改变与图1a）的特征相似．

根据ASTM C1202标准中对混凝土渗透性的参考标准来评价聚丙烯锂渣混凝土的氯离子渗透性，各配合比混凝土试件测试结果见表2．

由表2结果可见，当应力比低于10%时，混凝土主要处于弹性阶段，卸载后，变形基本上完全恢复，故电通量变化不大；当应力比超过10%时，混凝土塑性变形开始出现，内部原生裂缝开始扩展，新生裂缝有所形成，并逐渐发展成为贯通裂缝，并且裂缝基本上稳定存在，因此电通量表现出线性增加趋势．而锂渣粉掺入后有效降低混凝土电通量可能是因为锂渣内部孔隙较多，有着较大的内比表面积，有利于吸附溶液中导电离子，增强了混凝土抗氯离子渗透性．而聚丙烯纤维掺量的增加引起锂渣混凝土电通量值的增加说明聚丙烯纤维与混凝土界面较为薄弱，有可能部分成为氯离子扩散的通道．但聚丙烯纤维掺入后可使混凝土在较高荷载作用后表现出有利于降低电通量的趋势．

表2 1次加载后聚丙烯纤维锂渣混凝土的渗透性Tab.2 The permeability of polypropylene fibers reinforced concrete containing lithium slag under once loading

2.2循环加载对混凝土电通量的影响

图2a）为循环加载后纤维掺量对锂渣混凝土电通量随应力比的影响情况．从图2a）中可以发现，与1次加载相似，不同配合比下的混凝土，随应力比的增加，电通量同样呈增加趋势．当应力比低于10%时，变化亦较为平缓，并且混凝土电通量值随着聚丙烯纤维掺量的增加呈规律性增大；但当应力比超过10%时，变化幅度增加明显，并且聚丙烯纤维掺量为1.4 kg/m3的试件在循环荷载作用后，电通量值低于聚丙烯纤维掺量为1.0 kg/m3的混凝土试件，这种趋势在应力比为30%时表现更为明显，聚丙烯纤维掺量为1.4 kg/m3的试件在循环荷载作用后电通量值最低．可见，聚丙烯纤维掺入混凝土后，在荷载水平较低的情况下，由于聚丙烯纤维与混凝土界面存在较为薄弱的区域，一定程度上产生了纤维掺量增加，电通量值也有所增加的趋势；但随着荷载水平提高后，聚丙烯纤维抑制混凝土内部裂缝的扩展与两相界面产生薄弱区域相比较，抑制裂缝可能起到了主导作用，因此在应力比20%以上后，聚丙烯纤维掺量的增加使得混凝土电通量反倒有所降低．

图2 循环加载对聚丙烯纤维锂渣混凝土电通量的影响Fig.2 Influence of the electric flux of polypropylene fibers reinforced concrete containing lithium slag under cyclic loading

图2b）为循环加载后锂渣掺量对纤维混凝土电通量随应力比的影响情况．由图2b）可见，在应力比由0%～30%的变化范围内，各配合比混凝土试件的电通量值表现出随着锂渣掺量的增加而降低的趋势，这与图2a）聚丙烯纤维掺量改变对锂渣混凝土试件在循环荷载作用后电通量值的变化情况有所差异．

对比图1a）、b），可以发现，循环加载后，C4-0组试件电通量值的变化趋于线性增加，而1次加载后的C4-0组试件电通量值的变化则接近于y=a ebx指数函数的变化趋势；这可能是因为循环荷载作用后混凝土内部原本在1次荷载作用下开裂后又闭合的裂缝存留下来了，这种存留量随着应力比的增大而线性增加，从而使得混凝土试件电通量值线性增加．但随着聚丙烯纤维和锂渣的掺入后，锂渣巨大的内比表面积和纤维的阻裂作用使得混凝土试件即使在循环荷载作用后仍表现出了较好的抗氯离子渗透性．

3 结论

1）荷载能够显著影响混凝土内部孔隙、裂缝等缺陷的生成，因此对混凝土氯离子电通量值的影响也是显著地；锂渣作为矿物掺合料替代水泥后，其自身较大的内比表面积能够有效吸附氯离子，显著降低混凝土氯离子电通量值．

2）在1次荷载和循环荷载作用下，聚丙烯纤维的掺入在较低应力比条件下，混凝土电通量值常表现出随着聚丙烯纤维掺量的增加而增大的趋势；但在较高应力比条件下，随着聚丙烯纤维掺量的增加表现出抑制混凝土电通量值增大的趋势，体现出了聚丙烯纤维阻裂的作用．

[责任编辑 代俊秋]

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

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[3]李梅，温勇，张广泰，等．矿物掺合料对混凝土抗氯离子渗透性的影响综述[J]．材料导报，2013，27（6）：107-110

[4]吴相豪，周金岩，李怀垣．环境因素影响粉煤灰混凝土固化氯离子能力的试验研究[J]．粉煤灰，2011，5：280-285．

[5]何松晟，高玮，汪磊．矿物掺合料对混凝土抗氯离子渗透性影响研究[J]．武汉工业学院学报，2011，4：80-83．

[6]曾祖亮．锂渣粉的来源和锂渣粉混凝土的增强抗渗机理探讨[J]．四川有色金属，2000（4）：49-52．

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[责任编辑 田丰]

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

国家自然科学基金（51268055）

温勇（1975-），男（汉族），副教授，Email：wenyong_9731@126.com．

数字出版日期：2014-12-22数字出版网址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20141222.0925.003.htm l