喷射纤维混凝土在硫酸盐腐蚀环境下的劣化规律

2019-03-23梁树锋

石家庄铁道大学学报(自然科学版) 2019年1期

梁树锋

(中铁十八局集团建筑安装工程有限公司，天津 300308)

0 引言

当前，混凝土材料和结构设计方法正处在由单性能设计向多性能设计的过渡阶段。关于侵蚀环境条件下混凝土结构耐久寿命问题已成为国内外工程技术人员关注的热点［1-5］。

目前，随着湿喷技术的发展、应用和推广，以及单层喷锚支护结构形式越来越受到地下结构研究人员的青睐，喷射纤维混凝土在隧道锚喷支护中的应用越来越广泛，国内外的隧道工程大量采用喷射纤维混凝土作为隧道的永久衬砌。大量的研究资料表明，在喷射纤维混凝土的应用中，主要以钢纤维为主。但由于钢纤维存在用量大、成本高、易腐蚀等缺点，严重影响了钢纤维混凝土的推广和进一步应用。鉴于此大量学者开始研究可以替代钢纤维的聚丙烯粗纤维，聚丙烯粗纤维具有易分散、造价低、耐腐蚀的优点，且其力学性质与钢纤维相差无几［6-8］。

邓宗才等［9］进行了粗合成纤维混凝土抗弯韧性、疲劳特性、冲击动载特性试验研究;王伯昕等［10］研究了粗合成纤维混凝土抗裂与抗冲击性能;赵军等［11］展开了高温后聚丙烯纤维高强混凝土力学性能。而对用于单层衬砌的喷射聚丙烯粗纤维混凝土的耐腐蚀性能研究甚少。

本文相关研究旨在探明聚丙烯粗纤维混凝土耐腐蚀性能和劣化规律，为聚丙烯粗纤维在实际隧道锚喷支护结构中的应用提供一些理论和技术支撑。

1 聚丙烯粗纤维混凝土配合比设计

水泥采用P．O42．5，密度3 060 kg/m3、细度1．46;粗骨料采用粒径为5～12 mm碎石(紧密堆积密度1 625 kg/m3，表观密度2 719 kg/m3;细骨料采用机制砂，细度模数2．75、紧密堆积密度1 980 kg/m3、表观密度2 680 kg/m3;硅粉采用优协92U硅粉，SiO2含量92%，含水率2%，比表面积20 000 m2/kg;聚丙烯粗纤维采用深圳维克粗纤维，型号WK-8，长度30 mm，直径0．73 mm，平均抗拉强度456 MPa，数量55 990根/kg。试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，混凝土试件养生方式为标准养生。

据文献［12］～文献［13］的研究，综合考虑配合比的经济性、简易性、适用性，设计聚丙烯粗纤维混凝土和基准混凝土的配合比，根据经验水胶比选定为0．48，根据密度填充试验得砂率为50%，聚丙烯粗纤维和外加剂作为外掺材料不计入混凝土配合比中，基准混凝土表观密度为2 350 kg/m3，单方基准混凝土材料用量为:水泥390 kg、硅灰40 kg、砂子854 kg、石子860 kg、拌合水206 kg。单方喷射混凝土外加剂和粗纤维掺量见表1。

表1 单方喷射混凝土外加剂和纤维掺量

2 纤维掺量对混凝土性能的影响

2．1 纤维掺量对混凝土抗压强度的影响

试验中为了确保喷射纤维混凝土的质量，同时为保证纤维在混凝土中均匀分布，充分发挥其骨架作用，决定采用水泥裹砂法搅拌混凝土并适当的延长搅拌时间以确保纤维在混凝土中分散并能均匀分布。具体搅拌工艺如图1所示:先将纤维、砂子、70%的拌合用水和减水剂同时投入搅拌机中搅拌30 s，然后向搅拌机中投入水泥搅拌30 s，最后将碎石和剩余的30%的拌合用水投入到搅拌机中搅拌120 s。

对不同掺量聚丙烯粗纤维混凝土进行了抗压强度试验研究，试验结果如表2所示。

表2 不同纤维掺量的喷射混凝土抗压强度试验结果

图1 喷射纤维混凝土搅拌工艺流程

由表2可知，当基准混凝土中掺入一定量的聚丙烯粗纤维后可提高混凝土抗压强度，增强效果取决于纤维掺量。当聚丙烯粗纤维掺入量为6%时，混凝土早期强度和后期强度均有所降低;当掺入量为8%时，粗纤维混凝土后期抗压强度增强效果明显，这时纤维的阻裂作用起主导作用，纤维混凝土的抗压强度逐步提高，增强效果明显;当掺入量为10%时，纤维对混凝土的抗压强度开始下降，由于纤维体积率的提高，纤维与混凝土的界面过渡区的面积逐步增大，界面过渡区的负作用也开始逐渐显现。在基准混凝土配比确定的情况下，当纤维掺入量为8%时，纤维对混凝土的力学提高最显著且经济性适中。

2．2 纤维掺量对混凝土抗腐蚀性能的影响

为研究常年有地下水且水中含有硫酸根离子的隧道环境下喷射凝混土的耐腐蚀性能，将混凝土试件放入硫酸盐浓度为10%的溶液中浸泡，进行长期浸泡条件下喷射混凝土的抗硫酸腐蚀性能及其规律试验研究，试验结果如表3和图2所示。

长期浸泡条件下混凝土抗压强度耐蚀系数K=R2/R1。其中，R2为混凝土在溶液中浸泡后的抗压强度;R1在清水中浸泡后的抗压强度。

表3 长期浸泡条件下喷射混凝土抗硫酸盐腐蚀试验结果

由表3可知，在4种喷射混凝土中，只有C10配比耐蚀性能未达到150 d，其中J1、C6、C8在浸泡150 d后分别富余6．11%、0．65%、2．78%，其中J1配比富余量最大，这是因为在浸泡后期对耐腐蚀系数起决定作用的是喷射混凝土中的过渡相，掺入纤维后对于腐蚀后期的混凝土来讲，增大了过渡相的体积，故J1在浸泡后期的抗腐蚀性能优于喷射粗纤维混凝土。

由图2可知，基准配合比随着浸泡天数的增加，耐蚀系数逐渐降低;C8配比喷射纤维混凝土的耐蚀系数在浸泡前60 d中最大增长7%左右，当浸泡超过60 d后，耐蚀系数迅速降低。这主要因为混凝土劣化程度与环境水中的SO42－浓度以及喷射混凝土的内部结构有关。28 d龄期强度可间接证明C8配比喷射纤维混凝土孔隙率远远小于基准混凝土，所以在浸泡前60 d中，环境中的SO42－进入喷射混凝土内部缓慢且浓度较低，生成的物质主要以针状的钙矾石为主，在腐蚀初始结晶物很少，混凝土的孔隙和空洞被这些结晶物填充而变得密实，此时，混凝土的强度甚至比未受侵蚀的混凝土强度有所增加。而对于基准混凝土，内部结构的孔隙率远远大于喷射粗纤维混凝土，SO42－迅速进入喷射混凝土内部，孔隙内部的SO42－浓度较大，主要以钙矾石、石膏结晶侵蚀破坏为主，所以基准混凝土的耐蚀系数在浸泡前60 d中，抗压耐蚀系数逐渐降低。

一般情况下喷射混凝土微结构由骨料、水泥浆体、过渡相组成且过渡相是整个结构中的最薄弱的一个环节，在基准混凝土中掺入粗纤维，虽改善了整个结构的孔隙状态，但同时也增加了过渡区的体积。在持续的结晶作用下，浸泡60 d后喷射粗纤维混凝土的孔隙和毛细孔壁产生很大张力之后，喷射粗纤维混凝土水泥石结构组分破坏，其强度下降速度远大于基准混凝土。