干湿交替机制下PVA纤维增强混凝土抗硫酸盐侵蚀性能试验研究

马 楠， 王 琳， 李迎乐

(1. 郑州经贸学院土木建筑学院，河南 郑州 451191; 2. 西南交通大学建筑与设计学院，四川 成都 610000;3. 机械工业第六设计研究院有限公司，河南 郑州 450052)

0 引 言

硫酸盐侵蚀是影响混凝土耐久性的重要因素之一，在我国西北地区的盐渍土环境中存在着高浓度的硫酸根离子，长年对该地区的混凝土建筑物造成侵蚀，严重危害建筑物的安全性和使用年限[1-2]。因此，众多研究人员对如何增强混凝土抗硫酸盐侵蚀性能进行了研究，王振山等[3]研究了不同掺量的玄武岩纤维混凝土抗硫酸盐侵蚀的性能，结果表明适量的玄武岩纤维能够降低混凝土内部的孔隙率，增强混凝土抗硫酸盐侵蚀；李艺等[4]研究表明混杂纤维对混凝土抗硫酸盐侵蚀有着明显的改善作用；白应华等[5]研究了碱矿渣对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的研究，结果表明碱矿渣能够较多地吸附侵蚀溶液中的硫酸根离子；白春等[6]通过研究塑钢纤维橡胶混凝土的硫酸盐侵蚀环境下的力学性能和质量等表现，发现塑钢纤维能在一定程度上抑制混凝土内部的劣化损失，提升其抗硫酸盐侵蚀性能；乔宏霞等[7]对玄武岩机制砂混凝土抗硫酸盐侵蚀性能进行了研究，得出由于玄武岩机制砂自身具有耐侵蚀性且含有少量的石粉有利于提升混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能；黄斌等[8]研究发现掺量在20%以内的废弃石粉混凝土各项耐久性能表现良好，有效提高了混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能；宋洋等[9]研究表明粉煤灰混凝土在硫酸盐侵蚀环境下能较好保持其强度。

相关研究表明[10-12]：通过在混凝土基体中掺入一定量纤维制备成纤维混凝土，其作为一种新型复合材料不仅能够抑制混凝土的开裂、改善其脆性，同时能较为频繁承受环境与荷载的双重作用，已广泛应用于工程实践。目前对无机纤维混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的研究较多，但对PVA纤维混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的相关研究较少，PVA纤维具有高长径比、高抗拉强度，相对高的弹性模量，较大延伸率，抗酸碱性能好，与水泥有着较高的化学黏结力，且PVA纤维的高抗拉强度使其能维持初裂应力，与混凝土基体的高黏结强度保证了高抗拔能力[13-14]。

本文通过对不同掺量的PVA纤维混凝土进行干湿交替下硫酸盐侵蚀性能研究并与普通混凝土进行对照，探讨PVA纤维对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响，以期为相关工程实践提供理论支撑。

1 试验概况

1.1 原材料

水泥采用P·O 42.5级普通硅酸盐水泥。石子采用粒径为5～ 20 mm的碎石。砂子采用天然河砂，细度模数为2.65，属于中砂。硫酸盐采用烟台市双双化工有限公司生产的分析纯·AR型无水硫酸钠。PVA纤维：山东鲁纤建材科技有限公司生产，其物理力学性能参数见表1。减水剂采用减水率为37%的HPWR型高性能减水剂。水为自来水。

表1 PVA纤维物理力学性能参数

1.2 配合比设计

依据JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》，设计混凝土的强度等级为C40，并根据工作性确定减水剂掺量，试验设计的PVA混凝土具体配合比如表2所示。

表2 PVA混凝土配合比 kg/m3

1.3 试件制作及试验方案

采用强制式搅拌机制作试件，先将称量好的石子和砂子混合干拌90 s，然后倒入PVA纤维继续干拌 90 s，接着加入水泥继续干拌 120 s，最后加入水和减水剂搅拌120 s，制作完成试件。抗压强度及劈裂抗拉强度试验每组各制作3个100 mm×100 mm×100 mm立方体试件，放入室温为(20±2)℃的不流动的饱和氢氧化钙溶液中养护28 d。

本试验硫酸盐溶液浓度为5%，具体操作步骤按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行，干湿交替一次时间为 24 h，干湿比为3∶1，每 15次干湿交替测试试件的质量和相对动弹性模量并进行抗压强度、劈裂抗拉强度试验。

2 试验结果与分析

2.1 质量

PVA纤维混凝土试件随干湿交替次数变化质量值如图1所示。由图可以看出，PVA纤维混凝土的质量随干湿交替次数变化规律主要分为两个阶段，即先迅速增大然后迅速下降或振荡下降。C-1、C-2、C-3组试件在干湿交替45次之前质量均迅速增长，C-4、C-6、C-7组试件在干湿交替60次之前质量均迅速增长，C-5组试件质量在干湿交替75次之前质量均增长，这是由于侵蚀前期硫酸根离子与水泥水化发生化学反应产生膨胀性侵蚀物质，使得试件内部孔隙得到填充。其中C-1组和C-5组试件质量最大增幅分别为8.92%和9.83%。之后各组试件质量迅速下降或振荡下降，这是由于试件受侵蚀作用大面积砂化且局部发生剥落，使得试件内部产生损伤，导致质量下降，其中C-1组和C-5组试件在干湿交替120次时相较于未经硫酸盐侵蚀时质量分别降低8.65%和3.34%。

图1 PVA纤维混凝土试件质量

2.2 抗压和劈裂抗拉强度

PVA纤维混凝土试件随干湿交替次数变化抗压强度和劈裂抗拉强度如图2(a)和图2(b)所示。

图2 PVA纤维混凝土随干湿交替次数抗压强度和劈裂抗拉强度变化规律

从图2可以看出，各组试件抗压强度和劈裂抗拉强度随着干湿交替的进行呈现先增长后降低的趋势。C-1、C-2和C-3组试件均在干湿交替45次试抗压强度达到峰值，分别为 46.2 MPa、47.5 MPa和48.9 MPa，各组相较于未经干湿交替的试件抗压强度分别增长7.94%、8.94%和8.19%；C-1、C-2和C-3组试件劈裂抗拉强度均在干湿交替30次时达到峰值，分别为 4.68 MPa、4.76 MPa和 4.89 MPa，各组相较于未经干湿交替的试件劈裂抗拉强度分别增长5.17%、3.7%和3.82%；C-4组试件抗压强度和劈裂抗拉强度分别在干湿交替60次和45次时达到峰值，分别为 53.8 MPa和 5.01 MPa，相较于未经干湿交替的试件抗压强度和劈裂抗拉强度分别增长12.32%和3.94%；C-5组试件抗压强度和劈裂抗拉强度的峰值出现时间最迟，分别在干湿交替75次和 60次时出现，分别为 57.1 MPa和 5.76 MPa，相较于未经干湿交替的试件抗压强度和劈裂抗拉强度分别增长9.18%和7.46%；C-6组试件抗压强度和劈裂抗拉强度分别在干湿交替60次和30次试达到峰值，相较于未经干湿交替的试件分别增长5.22%和6.22%；C-7组试件抗压强度和劈裂抗拉强度在干湿交替45次和15次即达到峰值，分别增长3.22%和4.01%。

由图2可以看出，上述各组试件抗压强度和劈裂抗拉强度达到峰值之后随着干湿交替的继续进行，抗压强度和劈裂抗拉强度逐渐降低，当干湿交替进行到120次时，C-1～ C-7组试件抗压强度相较于各自未经干湿交替的试件分别降低17.06%、13.07%、14.6%、16.08%、7.46%、15.06%和20.1%，劈裂抗拉强度相较于各自未经干湿交替的试件分别降低14.83%、15.9%、15.29%、11.41%、7.83%、9.7%和19.83%。

综上所述，可以看出：1）对于未经干湿交替的试件，PVA纤维掺入混凝土中能够在一定程度上提升混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度，当PVA纤维掺量为2.0 kg/m3时，强度表现最佳，相较未掺PVA纤维的混凝土，抗压强度和劈裂抗拉强度分别增长22.2%和20.45%；2）PVA纤维能够提升混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能且在一定程度上延迟硫酸根离子对试件内部的破坏，这是由于PVA纤维在混凝土内部有着良好的阻裂效果，可以有效延缓硫酸根离子的侵蚀，起到抑制混凝土开裂的作用[15]；3）综合PVA纤维混凝土在硫酸盐侵蚀环境中不同干湿交替周期下C-5组试件表现最佳。

2.3 抗压和劈裂抗拉强度耐蚀系数

抗压强度和劈裂抗拉强度耐蚀系数是评定混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的重要指标，计算方式按下式进行：

式中：K——抗压强度或劈裂抗拉强度耐蚀系数；

fn——n次干湿交替后试件的抗压强度或劈裂抗拉强度，MPa；

K值越大表明试件抗硫酸盐侵蚀性能越强。图3为各组试件的抗压强度和劈裂抗拉强度耐蚀系数计算结果。由图3（a）可以看出，各组试件的抗压强度耐蚀系数随着干湿交替的进行呈现先增长后降低的趋势，这表明在干湿交替前期，试件具有一定的抗硫酸盐侵蚀能力。当干湿交替进行至90次时，C-1、C-2、C-3和C-6组试件的抗压强度耐蚀系数值低于1，表明此时上述4组试件内部劣化程度较为严重，抗硫酸盐侵蚀能力较低；当干湿交替进行至75次时，C-7组试件抗压强度耐蚀系数低于1；当干湿交替进行至105次时，C-4组和C-5组试件抗压强度耐蚀系数低于1；当干湿交替进行至120次时，C-1组～ C-7组试件抗压强度耐蚀系数值分别为0.8294、0.8693、0.854、0.8392、0.9254、0.8494、0.8326。

图3 PVA纤维混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度耐蚀系数随干湿交替次数变化规律

由图3（b）可知，各组试件的劈裂抗拉强度耐蚀系数随着干湿交替的进行与抗压强度耐蚀系数表现整体上较为一致，这里不在进行赘述。不同的是，相较于抗压强度耐蚀系数值，各组试件的劈裂抗拉强度耐蚀系数值降低更快，这表明PVA纤维对硫酸盐侵蚀环境下干湿交替作用中试件抗压强度的增强效应比劈裂抗拉强度大。

综上所述可知，适量的PVA纤维掺入混凝土中有利于提升其抗硫酸盐侵蚀性能，在一定程度上延缓硫酸根离子对混凝土的侵蚀破坏，当过量的PVA纤维反而效果不佳。

2.4 相对动弹性模量

相对动弹性模量是评定混凝土劣化程度的重要指标，采用超声波测定仪测试声速法计算试件的相对动弹性模量，计算方法如下式所示：

式中：E——试件的相对动弹性模量；

T0——未受侵蚀试件的超声波声时，s；

Tt——侵蚀龄期t天试件的超声波声时，s。

当E>1时，表明试件的内部孔隙结构得到改善；当E<1时，表明试件受侵蚀程度增强，孔隙增多。硫酸盐侵蚀环境中干湿交替作用下的各组试件相对动弹性模量变化规律如图4所示，可以看出各组试件的相对动弹性模量均呈现先增长后降低的趋势，经过120次的干湿交替，C-1～ C-7组试件相对动弹性模量降幅分别为30.2%、27.4%、24.4%、13.6%、10.6%、26.6%、31.6%。由此可以看出，C-5组试件在硫酸盐侵蚀环境中干湿交替作用下，试件的劣化损伤程度最小，C-7组的相对动弹性模量与C-1组较为接近，但略小于普通混凝土，这表明其劣化损伤程度比普通混凝土严重。

图4 PVA混凝土相对动弹性模量随干湿交替次数变化规律

3 SEM微观分析

为了深入研究各组试件在硫酸盐侵蚀环境中干湿交替作用下的侵蚀机理，选择C-1组和C-5组试件在干湿交替0次和120次核心部分进行SEM电镜扫描，如图5、图6所示。

图5 C-1组不同干湿交替次数下的试件微观

图6 C-5组不同干湿交替次数下的试件微观

综合图5和图6可以看出，未经干湿交替的试件表面覆盖有稠密的刺状或球状物质，这些物质主要是水泥水化基质(C-S-H凝胶)，当试件承受外部荷载可以与水泥基质形成一定的机械咬合力，因此分散在试件内部的单根纤维作用与钢筋类似，起到二次微加筋的作用，同时纤维交互形成了三维网状结构以及纤维的桥接作用加强了纤维与基体的粘结，有效提升了试件的力学性能[12]。但过量的纤维掺入混凝土中会出现纤维结团现象，降低了混凝土的密实度，影响纤维与基体充分粘结，试件内部缺陷增加，最终导致试件的强度下降。伴随着干湿交替的开始，侵蚀介质中的硫酸根离子经由内部孔隙渗透进入试件内部，与水泥水化产物发生反应生成石膏、钙矾石等膨胀性物质并且含量不断增加，同时侵蚀过程中析出的盐类结晶也不断增加，在侵蚀的初始阶段这些产物能够与混凝土基体共同作用，即在某种程度上成为混凝土骨架的一部分，改善了试件的力学性能。但由于持续的硫酸盐侵蚀作用，试件内部慢慢没有足够的孔隙容纳这些持续产生的膨胀物和盐，导致试件内部产生很大的应力，使得混凝土内部产生裂缝，并随着时间的推移加速扩展，因此，随着干湿交替的进行，试件劣化程度越来越严重，抗硫酸盐侵蚀性能降低。

4 结束语

1）在硫酸盐侵蚀环境中，随着干湿交替的进行，试件质量、抗压强度、劈裂抗拉强度和相对动弹性模量均呈现先增长后降低的趋势。

2）PVA纤维掺入混凝土中能有效提升混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能，延缓硫酸根离子对试件的侵蚀作用。当PVA纤维掺量为2.0 kg/m3时，对混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能提升效果最为明显，抗压强度和劈裂抗拉强度相较于其他6组未受侵蚀的试件增幅最大。

3）掺入PVA纤维对提升混凝土抗压强度的效果相较于劈裂抗拉强度更佳，通过对试件抗压强度和劈裂抗拉强度耐蚀系数和相对动弹性模量的分析可知，掺入PVA纤维能够与混凝土基体有着很好的相容性且劣化程度相对普通混凝土较低。从提升混凝土在硫酸盐侵蚀环境中干湿循环作用下综合性能角度考虑，最佳PVA纤维掺量为2.0 kg/m3。

4）基于SEM微观分析可知，PVA纤维掺入混凝土中能使内部结构得到明显的改善，在硫酸盐侵蚀环境中干湿交替初始阶段侵蚀产物主要是石膏和钙矾石，同时析出盐共同填充了试件内部空隙，随着干湿交替的进行试件内部没有足够的孔隙容纳这些生成物，应力增大导致力学性能降低，劣化程度严重。