南疆盐渍土地区聚乙烯醇纤维混凝土损伤研究★

2021-05-24王洪宇亓泽霖

山西建筑 2021年10期

王洪宇王成操静亓泽霖

(1.塔里木大学南疆岩土工程研究中心，新疆阿拉尔 843300；2.塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆阿拉尔 843300)

1 概述

新疆南疆地区大面积分布着盐渍土，气候恶劣，昼夜温差大(通常在12 ℃以上，最大可达35.8 ℃)，降水量远小于蒸发量(平均降雨量44.6 mm～60.8 mm，年蒸发量为1 980 mm～2 602 mm)，自然灾害频繁[1-3]。盐渍土环境加上严酷的自然气候使阿克苏地区既有混凝土建筑物长年经受干湿循环、盐类腐蚀等侵害，而且多种侵害会有复合作用和联动损伤，严重降低混凝土建筑物的使用寿命，给当地经济社会快速健康发展带来严重的经济负担。因此，如何有效解决本地区特殊气候和盐渍土壤环境下混凝土的腐蚀劣化病害已成为亟待解决的问题。

聚乙烯醇纤维是一种新型合成纤维，其抗酸抗碱、高弹模、亲水、能与水泥基体很好的粘结[4-6]，在混凝土中添加聚乙烯醇纤维能够很好的改善混凝土的抗拉、裂和防渗性能[7-9]，Dong Hyun[10]研究发现由于聚乙烯醇纤维具有更强的氢键，从而能够更好地抵抗微裂纹和裂纹扩展，这将在一定程度上改善混凝土开裂导致的外界有害物质的侵入。在聚乙烯醇纤维混凝土的抗盐侵蚀性能研究上，刘曙光[11]通过试验显示聚乙烯醇纤维的加入增加了混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能；黄加圣[12]进行了干湿循环条件下聚乙烯醇纤维混凝土硫酸盐耐久性研究，研究显示由于聚乙烯醇纤维有很强的耐碱腐蚀能力，混凝土中的纤维并不会由于硫酸盐的腐蚀作用而失效，当混凝土受到侵蚀破坏时，纤维可以有效的对混凝土的开裂、孔洞的扩张起到约束作用，从而增强了混凝土对侵蚀作用的抵抗能力。

南疆地区既有混凝土建筑物长期遭受复合盐侵蚀下的干湿循环作用，现有关于聚乙烯醇纤维混凝土抗盐侵蚀性能的研究往往都主要集中在单一氯盐或硫酸盐的作用。因此，本文紧密结合南疆地区的气候条件和盐渍土壤环境，分别开展室内干湿循环试验和现场暴露试验，研究盐蚀—干湿循环作用下聚乙烯醇纤维混凝土抗复合盐侵蚀性能。可丰富聚乙烯醇纤维混凝土复合盐侵蚀耐久性研究内容，并为有效解决本地区工程结构混凝土的盐蚀病害问题提供解决思路或方法。

2 土质分析

以南疆典型盐渍土区域的阿拉尔市8团为例，在盐分较重的冬春季进行取样，并在阿拉尔市天平建材检测中心对土壤中有害离子的含量进行检测分析，检测结果见表1。

表1 土壤易溶盐含量 g/kg

表2 复合盐溶液种类及溶液浓度

3 试验

3.1 原材料

水泥：库车红狮水泥有限公司生产的P.O42.5级普通硅酸盐水泥，烧失量为4.26%；粉煤灰采用新沪热电厂生产的Ⅲ级粉煤灰，烧失量为6.2%；粗细集料均由温宿县同顺砂石料厂提供，其中细集料属中砂，细度模数为2.7；粗集料为5 mm～40 mm连续级配卵石；减水剂采用阿拉尔市正达商混站提供的高性能减水剂，减水率为27%；聚乙烯醇纤维为上海臣启化工科技有限公司生产，具体规格见表3。

表3 聚乙烯醇纤维性能指标

基准配合比采用阿克苏本地区既有混凝土结构中常用的混凝土强度等级C35的配合比，详见表4。分设聚乙烯醇纤维体积掺量为0%，0.1%，0.2%，0.3%，来确定南疆地区盐渍土环境下混凝土中掺入聚乙烯醇纤维提高抗复合盐侵蚀性能的最佳体积掺量。

表4 混凝土基准配合比

3.2 实验方案

按《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》试件制作尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，浇筑24 h后拆模并放入标准养护室养护28 d。室内干湿循环试验采用自然环境下的干湿交替，相较于放入试件箱内的干湿循环试验，自然环境下更贴合现场混凝土所处实际环境，以此通过对比室内外数据得出的混凝土寿命预测加速系数K值更可靠。试验采用立式半浸泡(200 mm)放置在溶液中，液面以上端部记为A，液面以下端部分记为B，如图1a)所示。试件先在溶液中浸泡7 d，之后取出按原立式放置在室外环境中8 d，将此15 d作为一个侵蚀龄期。为了试验结果对比，室外现场暴露试验是将试件半埋确定复合盐溶液的盐渍土处，暴露空气端部记为A，埋入土中端部记为B，如图1b)所示，同时保证各试件间距不小于30 cm，每30 d取出试件作为一个侵蚀龄期。试验每次龄期后进行试件外观现象观察、质量和A，B动弹性模量测定。

试验参数选取相对质量Mr和相对动弹性模量Er为混凝土性能评价指标[17]，计算公式如下：

(1)

其中，Mr为经过n次循环后试件的相对质量；Mn为n次循环后试件的质量；M0为初始测得的试件质量。

(2)

其中，Er为经过n次循环后试件的相对动弹性模量；En为n次循环后试件的动弹性模量；E0为初始测得的动弹性模量。

4 试验结果分析

4.1 混凝土试件外观变化

随着侵蚀龄期的加长，试件在室内外试验下外观现象皆有变化。其中，室内干湿循环试件的破坏程度与溶液的浓度呈正相关，同侵蚀龄期下水中试件变化不大，盐溶液下试件随溶液浓度增大破坏程度愈大。30 d混凝土的外观与养护完毕时无明显变化仅有极微量的表皮剥落，开始出现不明显的雪花状物质[18];至60 d混凝土在复合盐溶液浸泡水平面处出现明显的雪花状物质，且随着溶液浓度的增加雪花状物质积累越明显，0%掺量试件养护面已经开始出现裂纹纹理；至90 d时雪花状物质已布满整个B端，也随着溶液浓度的增加雪花状物质积累越明显，被10倍溶液浸泡试件已经出现颗粒状结晶，试件养护面裂纹纹理变多变深相互贯通，已经出现不同程度的水泥浆体脱落导致骨料的裸露(见图2)。

现场暴露试验在前期和干湿循环试验外观现象相似，先在试件中线处有雪花状物质出现然后随着试验进行雪花状物质越来越多，但是跟干湿循环试验不同的是试件只在交界面处雪花状物质聚积较多，在埋置的余下部分几乎没有雪花状物质。综合来看室外现场暴露试验混凝土的损伤多发生在土层与空气交界面处，此处盐分容易聚积受侵蚀最强烈(见图3)。

4.2 干湿循环试验结果分析

室内干湿循环试件损伤随溶液浓度增加愈强烈，所以本文着重介绍10倍复合盐溶液下试件参数变化，如图4～图7所示。

由图4，图5可以看出，四种掺量试件总体趋势相同，在第一次干湿循环后质量下降较为明显，随后趋于平稳，又有些许上升。从整体相对质量参数可知，PVA 0.2%掺量的相对质量下降较小且波动最为平缓，PVA 0.1%掺量相对质量无论在清水下，还是在复合盐溶液下波动变化都最为明显，PVA 0%和PVA 0.3%掺量介于两者之间。

由图6，图7可以看出，四种掺量在不同溶液下都呈现动弹性模量增加的趋势，在第一次干湿循环后增加最为明显随后趋于平稳波动。但是在复合盐溶液下动弹性模量增加最为明显且在掺有PVA纤维试件动弹性模量增加最明显且几近相同，清水溶液下四种掺量试件动弹性模量波动变化较为明显。

在干湿循环试验下混凝土试件在第一次循环后质量下降较为明显，之后保持在相对平稳的质量波动。原因是初期混凝土在溶液中浸泡有被侵蚀剥落的质量，盐离子还未开始进入混凝土内部或者仅进入表面，加之混凝土经过8 d的室外干环境，在养护室养护后存在的水分丢失，以上多种原因导致混凝土在初期的质量下降最为明显。之后的干湿循环混凝土表皮会有剥落，盐离子也已开始通过试件固有的毛细孔隙[19]进入试件内部开始生成结晶或发生化学反应生成石膏、钙矾石等物质，这在一定程度增加了试件的质量[20]，但仍没有剥落所导致的质量降低多，由于第一次循环后水分不会再像之前一样减少，所以试件质量虽然降低但已没有上次幅度大。之后随着干湿循环的进行试件表面已经有裂缝的产生，水分可以更轻松进入试件内部，导致试件质量出现上升。清水溶液下试件质量上升比复合盐溶液下试件质量上升明显，这是因为复合盐溶液下试件随着试验的进行试件剥落物会更多，一定程度上抵消了盐分水分进入试件内部所造成的质量增加，而清水溶液并不能让试件有更多的剥落。再到后面清水溶液下试件也基本不再上升，而复合盐溶液下试件质量呈波动。也是因为复合盐溶液不止有盐分的进入也有物质的剥落，尤其在90 d时，试件浸泡端已几乎全部布满雪花状物质表明已有较多盐离子进入混凝土内部，表面也吸附更多的盐结晶增加了混凝土的质量。四种掺量PVA 0.1%和PVA 0.3%质量降低，PVA 0%和PVA 0.2%升高，表明在干湿循环初期两掺量试件剥落物更少，抗盐蚀性能更优。

干湿循环试验下试件的动弹性模量和质量有相反的趋势，是先增加再趋于稳定。前期的较大增加是因为混凝土试件在28 d养护后的密实度仍在增加，之后复合盐溶液下试件动弹性模量趋于稳定是随着干湿试验的进行盐结晶开始进入混凝土内部，增加了混凝土内部的密实性导致试件的动弹性模量一直增加。

4.3 室外暴露试验结果分析

现场暴露试验下试件参数变化如图8，图9所示。

由图8可知混凝土试件质量在室外经历前30 d的增长，60 d～180 d的均匀下降和180 d～300 d的先增加再下降的波动变化。PVA 0.3%质量波动最为稳定；PVA 0.1%的质量变化反而最大，每次的质量损失都最为严重；PVA 0%和PVA 0.2%质量变化介于两者之间，四种掺量质量的变化趋势和复合盐干湿循环试验变化趋势接近相同。

由图9可知混凝土试件的动弹性模量在前200 d经历了缓慢下降过程，200 d之后又开始迅速增加，PVA 0.1%和PVA 0.3%动弹性模量增加最为明显，其余两掺量次之。

质量在初期增加是因为试件在放入土壤内就有少量盐分附着，之后质量开始减少表明随着盐分的侵蚀试件在埋置过程中一直有质量的损耗，180 d之后质量增加，表明试件盐分已开始大量进入混凝土内部，侵蚀速度加快，这也导致了240 d之后试件质量开始逐渐减少。动弹性模量在180 d之前都是在缓慢减少，也是因为试件一直在经受盐分的侵蚀导致，后期试件动弹性模量迅速增加是随着侵蚀的加快，盐分进入混凝土内部，生成的石膏、钙矾石或者形成的盐结晶让试件内部越来越密实，导致动弹性模量一直在增加。