复合盐蚀环境下混杂纤维混凝土的抗渗性研究

张爱菊，李子成，李志宏

（1.石家庄铁路职业技术学院 河北省高校建筑结构应用技术研发中心，河北 石家庄 050041；2.天津大学 先进陶瓷与加工技术教育部重点实验室，天津 300072）

0 引言

隧道已经成为四通八达交通网络中必不可少的结构工程，然而在某些隧道及地下等潮湿环境的工程，由于围岩地下水各种离子及压力差的存在，渗水是隧道常见的工程病害之一[1]。隧道工程中混凝土包括围岩表面的初衬喷射混凝土和二衬浇筑混凝土，其中二衬混凝土是隧道工程防渗抗裂的重要防线之一，因此需要混凝土具备良好的防水抗渗能力。混凝土是由粗细骨料及水泥等胶凝材料体系凝结硬化成的复合材料，在凝结硬化过程中不可避免的会形成孔隙及微观缺陷。纤维材料具有良好的阻裂作用，在混凝土的胶结材料中加入纤维能够有效减少微裂纹的产生及扩展，优化混凝土材料的微观结构，从而改善混凝土的性能。

纤维能有效提高混凝土的力学性能及耐久性，其中包括钢纤维[2]、玻璃纤维[3]、聚丙烯纤维[4]、玄武岩纤维[5]及碳纤维[6]等各类单一纤维混凝土。然而单掺纤维对混凝土性能的改善存在局限性。因此近几年采用纤维增强混凝土性能的研究重点更倾向于不同种类及尺寸的混杂纤维，由此出现了钢纤维-聚丙烯纤维混杂[7]、玄武岩纤维-聚丙烯纤维混杂[8]、玻璃纤维-聚丙烯纤维混杂[9]、纤维素纤维-聚乙烯醇纤维混杂[10]等，其中钢-聚丙烯混杂纤维及玄武岩-聚丙烯混杂纤维综合了不同类型纤维的高强度、高韧性等优点，成为混杂纤维混凝土研究领域的关注热点。然而，基于实际服役环境下对混杂纤维混凝土抗渗性的研究鲜见报道，同时缺乏不同混杂纤维对混凝土抗渗性改变效果的对比数据。基于此，本文依托四川省巴万高速公路隧道工程，研究了钢纤维（SF）、玄武岩纤维（BF）以及聚丙烯纤维（PF）混杂方式及掺量对复合盐溶液侵蚀后混凝土渗水高度及氯离子含量的影响。

1 试验

1.1 原材料

水泥：鼎鑫P·O42.5水泥，标准稠度用水量28.4%，28 d抗压强度51.3MPa；粗骨料：5～31.5mm连续级配天然碎石，表观密度2.75 g/cm3；细骨料：天然河砂，细度模数2.8，中砂，表观密度2.63 g/cm3；粉煤灰：煤电厂的优质Ⅰ级粉煤灰，比表面积645 m2/kg；减水剂：聚羧酸系高性能减水剂，减水率32%；复合盐溶液：参考项目所在地的地下水离子含量配制复合盐侵蚀溶液，含6%NaCl、5%Na2SO4及2%NaHCO3的混合溶液；纤维：波浪线钢纤维、束状单丝聚丙烯纤维、短切玄武岩纤维，主要技术性能见表1。

表1 钢纤维、聚丙烯纤维及玄武岩纤维的技术性能

1.2 试验配比

不掺纤维的素混凝土编号为OC，配合比（kg/m3）为：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（砂）∶m（石）∶m（水）∶m（减水剂）=420∶75∶630∶1470∶173∶4.95，在此基础上掺加纤维，混杂纤维混凝土编号及纤维体积掺量见表2。

表2 混杂纤维混凝土编号及纤维掺量

1.3 试验方法

混杂纤维混凝土拌合物利用强制式搅拌机拌合，采用先干拌后湿拌的搅拌工艺。

渗水试验依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》，制作抗渗圆台体试件，每组6个，标准条件养护至28 d，然后采用干湿交替方式进行复合盐溶液侵蚀。室温下在复合盐溶液浸泡16 h，60℃烘干8 h为1个周期，侵蚀周期60次，侵蚀期间定期补液，侵蚀结束后60℃烘干72 h冷却至室温进行渗水试验。抗渗性采用HP-4.0型混凝土抗渗仪测试，水压一次增加至（1.20±0.05）MPa保持24 h，然后将试件劈开测试渗水高度。

氯离子含量试验参照JGJ/T 322—2013《混凝土中氯离子含量检测技术规程》进行，成型100 mm×100 mm×100 mm立方体混凝土试件，成型后标准条件养护28 d，待表面自然干燥后选取1个非成型面作侵蚀面，其它各面涂覆石蜡密封，然后采用上述干湿交替方式进行复合盐溶液侵蚀，侵蚀周期为60 d和120 d，侵蚀期间定期补液，侵蚀结束后60℃烘干72 h冷却至室温。采用混凝土打磨机从侵蚀表面每2 mm深度分层取粉，经研磨、过筛、干燥后用于氯离子含量测试，试验仪器为NJCL-H型氯离子含量检测仪。

2 结果与讨论

2.1 复合盐侵蚀后SF-PF混凝土的渗水高度（见表3）

表3 复合盐侵蚀后SF-PF混凝土的渗水高度 mm

由表3可见：

（1）掺入钢-聚丙烯混杂纤维后混凝土的渗水高度呈整体减小的趋势，说明钢-聚丙烯混杂纤维的掺入能够有效提升混凝土的抗渗性。

（2）在钢纤维掺量为0.4%时，聚丙烯纤维掺量分别为0.1%、0.2%、0.3%的混杂纤维混凝土的渗水高度较素混凝土分别减小了6.2%、24.4%、26.7%，抗渗性提升幅度先增大后减小。在钢纤维掺量分别为0.6%和0.8%时，随着聚丙烯纤维掺量的增加，混凝土的抗渗性变化趋势与以上一致。聚丙烯纤维的适宜掺量为0.2%～0.3%。

（3）在聚丙烯纤维掺量为0.1%时，钢纤维掺量分别为0.4%、0.6%、0.8%的混杂纤维混凝土的渗水高度较素混凝土分别减小了6.2%、11.6%、0.8%，表明钢纤维掺量过多时混凝土的抗渗性提升程度变小，在聚丙烯纤维掺量为0.2%和0.3%时，渗水高度的变化规律与以上结果相似。钢纤维的适宜掺量为0.6%左右，钢纤维掺量过大时会导致混凝土抗渗性下降。由此得出，经过复合盐侵蚀作用，钢纤维与聚丙烯纤维混杂有效降低混凝土的渗水高度，以0.6%钢纤维+0.2%聚丙烯纤维混杂掺入混凝土，其抗渗性能最佳，渗透深度较素混凝土减小32.1%。

（4）对比发现，聚丙烯纤维比钢纤维对混凝土抗渗性的影响程度更大。

2.2 复合盐侵蚀后BF-PF混凝土的渗水高度（见表4）

表4 复合盐侵蚀后BF-PF混凝土的渗水高度 mm

由表4可见：

（1）掺入玄武岩-聚丙烯混杂纤维使得混凝土的渗水高度减小，抗渗性提高。

（2）当玄武岩纤维掺量为0.10%时，随聚丙烯纤维掺量增加，混凝土的渗水高度逐渐减小；当玄武岩纤维掺量为0.15%和0.20%时，随聚丙烯纤维掺量的增加，混凝土的渗水高度先显著减小后稍有增大。聚丙烯纤维掺量为0.10%～0.15%时较合适，掺量过多会导致混凝土抗渗性的提升程度变缓。

（3）当聚丙烯纤维掺量为0.05%时，随玄武岩纤维掺量增加，混凝土的渗水高度逐渐减小；当聚丙烯纤维掺量为0.10%和0.15%时，随玄武岩纤维掺量的增加，混凝土的渗水高度先减小后增大。说明玄武岩纤维掺量也不宜过多，较合适的掺量为0.15%～0.20%。

（4）当玄武岩纤维掺量为0.10%时，聚丙烯纤维掺量分别为0.05%、0.10%、0.15%的混杂纤维混凝土渗水高度较素混凝土分别减小了5.6%、25.0%、30.0%；当聚丙烯纤维掺量为0.05%，玄武岩纤维掺量分别为0.10%、0.15%、0.20%的混杂纤维混凝土渗水高度较素混凝土分别减小了5.6%、13.7%、18.4%。说明与玄武岩纤维相比，聚丙烯纤维对混凝土抗渗性的改善作用更大。

（5）在BF-PF混凝土中，0.15%BF+0.10%PF混凝土的渗水高度最小，较素混凝土减小了36.9%；在SF-PF混凝土中，0.6%SF+0.2%PF混凝土的渗水高度最小，较素混凝土减小了32.1%。说明SF-PF混杂和BF-PF混杂都能有效改善混凝土的抗渗性，同时纤维掺量是关键因素之一，在最优纤维掺量下，BF-PF混杂对混凝土抗渗性的改善效果略优于SF-PF混杂。

SF-PF混杂和BF-PF混杂能够有效提高混凝土的抗渗性，究其原因，一方面，混杂纤维减少了混凝土内部原生裂缝的数量，并有效抑制了裂纹的扩展。这是由于纤维的存在使混凝土内部水分迁移困难，干燥收缩程度减小，同时纤维能有效防止粗骨料沉降，保持混凝土整体均匀性，进一步降低收缩。此外，不同种类及尺度的混杂纤维在混凝土内部呈立体三维网络分布，产生叠加强化效应，从而起到限缩阻裂效应。另一方面，混杂纤维优化了混凝土内部的孔结构。不同种类及尺度的混杂纤维在混凝土基体中均匀分布形成三维空间网络结构，有效阻断孔道的连续性，抑制连通孔的产生，增加孔道的曲折度，降低孔隙的连通性，从而提高混凝土的抗渗性。但是要控制混杂纤维的掺量，当纤维掺量过高时，纤维间较易发生结团重叠，导致混凝土整体均匀性密实度降低，进而造成混凝土抗渗性的降低。

另外，在最优纤维掺量下，BF-PF混杂对混凝土抗渗性的改善效果略优于SF-PF混杂。这可能是由不同纤维的自身特性引起的，钢纤维属于金属材料，而玄武岩纤维是硅酸盐矿物，其与混凝土的水泥胶结体系具有更好的相容性和粘结性，因此BF-PF混凝土的微观结构得以进一步优化，抗渗性增强。

2.3 复合盐侵蚀后混杂纤维混凝土的氯离子含量

图1为复合盐侵蚀60d和120 d的素混凝土和混杂纤维混凝土内部氯离子含量分布。

图1 复合盐侵蚀后混杂纤维混凝土内部氯离子含量

由图1可以看出，素混凝土相同深度的氯离子含量最高，侵蚀60 d时，OC、S6P2、B2P2的氯离子含量稳定深度分别在12、10、10 mm左右。侵蚀120 d时，OC、S6P2、B2P2氯离子含量稳定深度分别在16、12、10mm左右。说明侵蚀过程使素混凝土性能劣化明显，氯离子的渗透深度增大。混杂纤维混凝土的抗氯离子侵蚀能力明显高于素混凝土，随着侵蚀周期延长，钢-聚丙烯纤维混凝土氯离子含量稳定深度略有增加，玄武岩-聚丙烯纤维混凝土稳定深度基本不变。说明混杂纤维的存在利于细化混凝土微观结构，提高致密度，尤其在复合盐的侵蚀环境下混杂纤维对阻碍氯离子渗透具有积极效果。BFPF混凝土在侵蚀60 d和120 d相同深度氯离子含量值较接近，说明BF-PF混杂比SF-PF混杂对阻碍氯离子侵蚀更有优势。

在复合盐干湿交替侵蚀过程中，Cl-、SO42-、HCO3-通过扩散、毛细作用向混凝土基体材料渗透，适宜的混杂纤维种类及掺量有效减少混凝土内部原生裂纹数量及优化混凝土内部孔结构，复合盐溶液HCO3-的碳化作用生成CaCO3沉淀，沉积于水泥基体内部孔隙，改善混凝土内部孔隙结构，提高混凝土的抗渗性。

3 结论

（1）经复合盐溶液侵蚀后，与素混凝土相比，钢-聚丙烯和玄武岩-聚丙烯混杂纤维能降低混凝土的渗水高度，提高混凝土抗渗性。

（2）经复合盐溶液侵蚀后，在BF-PF混凝土中，0.15%BF+0.10%PF混凝土的渗水高度最小，较素混凝土减小了36.9%；在SF-PF混凝土中，0.6%SF+0.2%PF混凝土的渗水高度最小，较素混凝土减小了32.1%。BF-PF混杂比SF-PF混杂对改善混凝土抗渗性更显著。通过对比渗水高度的下降比例发现，聚丙烯纤维较钢纤维、玄武岩纤维对混凝土抗渗性的影响更明显。

（3）复合盐侵蚀环境下，混杂纤维有效阻碍氯离子向混凝土渗透，抗氯离子渗透性排序：玄武岩-聚丙烯纤维混凝土>钢-聚丙烯纤维混凝土>素混凝土。