玄武岩-聚丙烯纤维增强混凝土电阻率模型*

2022-01-14牛荻涛

功能材料 2021年12期

孙振，牛荻涛，张路，张剑

(1.西安建筑科技大学土木工程学院，西安 710055；2.西安建筑科技大学省部共建西部绿色建筑国家重点实验室，西安 710055)

0 引言

纤维增强混凝土是在混凝土中掺入短而不连续的纤维而形成的水泥基复合材料，常见的纤维有玄武岩纤维、聚丙烯纤维、钢纤维、玻璃纤维和碳纤维等。纤维分散在混凝土基体中，它们的分布和取向受到边界条件、混凝土流变性能和浇铸过程的影响[1-3]。混凝土中掺入纤维的目的是通过桥接离散裂缝来更好地控制断裂过程，增加混凝土的断裂能量，增强混凝土的韧性，从而提高混凝土的延性[4]。

电阻率作为一种评价水泥基材料内部结构的无损性能指标越来越受到重视[5-7]。该方法测试成本低、操作简单，而且为施工人员实时、不间断地监测现浇混凝土提供了可能[8-9]。已有研究表明，电阻率法可以评估混凝土的抗压强度和弹性模量[10-11]、水泥基材料的抗氯离子侵蚀性能[12]以及嵌在混凝土中钢筋的腐蚀风险[13-16]等。由此表明，电阻率是表征混凝土整体性能的一个重要参数。

国内外研究学者对碳纤维混凝土[17-18]以及钢纤维混凝土电阻率[19-20]研究较多，而对玄武岩-聚丙烯纤维增强混凝土的电阻率研究较少。基于课题组前期研究成果，采用改进二电极交流电法[21-22]测试BPFRC电阻率，该方法克服了直流电试验方法易发生极化反应以及在长时间电压作用下溶液产生热量，干扰试验数据的缺点，且交流电导测值与ASTM C1202电量测值有良好的相关关系；本文分析了纤维种类、混杂方式、掺量以及水胶比等因素对BPFRC电阻率的影响，并通过压汞试验，研究了BPFRC孔结构，从机理上分析了BPFRC电阻率的差异。另外，基于本文试验数据，考虑了环境温度、湿度、纤维、水胶比等因素，建立了BPFRC电阻率模型。

1 实验

1.1 原材料及配合比

试验选用胶凝材料为P.O.42.5R级普通硅酸盐水泥、Ⅱ级粉煤灰、S95级矿渣粉、V2000-95级硅灰，其化学组成和物理性能分别如表1、2所示。玄武岩纤维(BF)及聚丙烯纤维(PF)的物理力学性能如表3所示。粗骨料为粒径5～20 mm的泾阳山碎石，表观密度为2.65 g/cm3，堆积密度为1.45 g/cm3。细骨料为灞河中砂，细度模数为2.8，表观密度为2.65 g/cm3，堆积密度为1.44 g/cm3。拌合水为试验室自来水。选用减水率为30%的聚羧酸高性能减水剂。

表1 胶凝材料的化学组成(kg/m3)

表2 胶凝材料的物理性能

表3 玄武岩纤维和聚丙烯纤维的物理力学性能

基于课题组前期研究[23]，得到了BPFRC的最优配合比，如表4所示。其中，a-b-c中，a表示纤维种类，BC、PC、BPC分别表示单掺玄武岩纤维、单掺聚丙烯纤维以及混杂纤维；b表示混凝土强度；c表示纤维掺量(体积掺量)。如BPC-30-0.1：基准强度C30下，混杂纤维掺量为0.1%(0.05%BC+0.05%PC)。

表4 混凝土配合比

1.2 孔结构测试

考虑到饱和称重法测试孔隙率精确度不足，本文选用压汞法测试混凝土的孔隙率，待混凝土试件养护90 d后，将混凝土试块放在压力机上劈开，随机选用较小的混凝土试样，测试孔结构的大小。选用Auto Pore IV 9500型压汞仪，测试不同纤维种类、混杂方式、掺量及水胶比下BPFRC的孔隙率和孔结构分布。

1.3 改进交流电阻率测试方法

采用改进二电极交流电法[21-22]测BPFRC饱和电阻率，该方法克服了直流电压下混凝土接触部分发生极化反应的缺点，并提高了测试的精确度。各配合比制作3个试块，尺寸为100 mm×100 mm×50 mm，并在标准条件下养护90 d；将试块真空饱和完成后进行电阻率测试，其测试装置如图1所示。将试块夹在试验槽之间，端部与电极接触，用螺栓固定试验槽，试块与试验槽之间的缝隙用密封胶密封；密封胶固化后，将试验槽平放，使注射口向上，注入3% NaCl；最后，连接试验槽与交流测量设备，在设备上直接得到交流电阻值，并由式(1)计算BPFRC电阻率:

图1 交流电阻率测试仪器

(1)

式中：L为试块高度，取值50 mm；R为电阻实测值；A为试块截面积，取值100 mm×100 mm；ρ为BPFRC电阻率，kΩ·cm。

2 实验结果及分析

2.1 BPFRC孔结构分析

通过对混凝土孔结构的测试，得到了BPFRC的孔结构参数，如图2(a)、(b)所示。C30基准强度下，NC-30、BC-30-0.1、PC-30-0.1、BPC-30-0.1、BPC-30-0.2的总孔隙率分别为13.51%、14.05%、15.38%、14.59%、15.62%，相较于NC-30，BPFRC总孔隙率略有提高。而从图2(b)可见，相较于NC-30，除BPC-30-0.2外，BPFRC无害孔(孔径≤20 nm)较少，而其少害孔(孔径≤50 nm)较多，多害孔(孔径>200 nm)较少，增加50 nm以下的少害孔和减少200 nm以上的多害孔可改善和提高混凝土的性能[24]，这表明纤维的掺入优化了混凝土的内部孔结构。最可几孔径是混凝土中形成连通孔道的最小孔径值，NC-30、BC-30-0.1、PC-30-0.1、BPC-30-0.1、BPC-30-0.2的最可几孔径分别为54.5、50.4、54.5、54.4、55.5 nm，对比发现，BC-30-0.1、PC-30-0.1、BPC-30-0.1的最可几孔径均不大于NC-30，进一步验证了适当比例的纤维细化了混凝土的孔结构，增加了少害孔的数量。相较于NC-30，BPC-30-0.2无害孔(孔径≤20 nm)和少害孔(孔径≤50 nm)较少，最可几孔径较大，这表明纤维掺入比例过高，BPFRC中纤维间距较小并且出现重叠，导致BPFRC中纤维与水泥浆体粘结能力变差，产生了较多的多害孔(孔径>200 nm)。

图2 BPFRC孔结构

同时，由图4可得，BC-30-0.1、BC-40-0.1、BC-50-0.05总孔隙率分别为14.05%、11.59%、8.05%，不同基准强度下，随着BPFRC强度等级的提高，总孔隙率依次下降，其中，无害孔(孔径≤20 nm)的数量增加，多害孔数量(孔径>200 nm)减少，少害孔(孔径≤100 nm)数量变化不明显。另外，测试得到BC-30-0.1、BC-40-0.1、BC-50-0.05的最可几孔径分别为50.4、52.3、52.3 nm，最可几孔径略有提高，而总孔隙率变化较大，在此总孔隙率对BPFRC的性能影响更为显著。

图4 BPFRC电阻率预测

2.2 BPFRC电阻率分析

选用改进二电极交流电法测试了BPFRC电阻率，得到了BPFRC电阻率，如图3所示。C30基体下，相较于NC-30，PC-30-0.1、BC-30-0.1、BPC-30-0.1、BPC-30-0.2电阻率分别提高了11.3%、20.5%、29.4%、-23.0%。相较于NC-30，除BPC-30-0.2外，纤维的掺入有效提高了混凝土电阻率，其原因如下：混凝土水化伴随着大量的干缩裂缝，降低了混凝土的密实程度，而玄武岩纤维的掺加在混凝土内部形成一种乱向分布体系，能够抑制和阻碍各种微裂缝的产生和发展，有效地抑制连通裂缝的产生，改善混凝土的密实性，如2.1节分析，少害孔(孔径≤50 nm)数量增加，多害孔(>200 nm)数量减少，最可几孔径减小，提高了混凝土电阻率[25]。另外，在混凝土拌制过程中，会产生分层离析现象，导致混凝土中引入大量的气孔，提高了混凝土的孔隙率，降低了混凝土的密实度，而掺入聚丙烯纤维可以在混凝土中对骨料具有“承托”作用，显著改善混凝土的分层离析现象，使得混凝土中少害孔(孔径≤50 nm)增加，多害孔(>200 nm)减少，提高了混凝土电阻率。另外，在纤维掺量均为0.1% 时，相较于聚丙烯纤维，玄武岩纤维提高混凝土电阻率更为明显，其原因如下：相较于聚丙烯纤维，玄武岩纤维单丝直径较小，在掺量均为0.1%时，其单丝更多，在混凝土基体中分布更密集，在混凝土水化过程中更有效的限制初始裂缝的产生及扩展，从图2(b)可见，BC-30-0.1中无害孔(孔径≤20 nm)和少害孔(孔径≤50 nm)的总比例明显多于PC-30-0.1，改善了混凝土的孔隙结构，提高了混凝土的密实性，增大了混凝土的电阻率。

图3 BPFRC电阻率

相较于对照组NC-30，在混凝土中混掺适量体积(0.1%)的玄武岩纤维和聚丙烯纤维时，可以有效提高混凝土电阻率；而当掺量达到0.2%时，降低了混凝土电阻率。下面对此结论进行分析：纤维的掺入提高了混凝土的密实程度，而混杂纤维且掺量为0.1%时综合了两种纤维的优点，少害孔(孔径≤50 nm)数量增多，多害孔(>200 nm)数量减少，进一步提高了混凝土的密实程度，提高了混凝土的电阻率。而对于混杂纤维且掺量为0.2%的混凝土，由于纤维掺量过大，混凝土内纤维间距较小，产生重叠现象，如图2(a)、(b)所示，混凝土孔隙率提高，无害孔(孔径≤20 nm)数量减少，多害孔(>200 nm)数量增多，密实度下降严重，电阻率降低。

同时，不同强度下，相较于BC-30-0.1，BC-40-0.1、BC-50-0.05电阻率分别提高了18.3%和44.8%。对此试验结论，本文进行了如下分析：根据2.1节实验数据可得，相较于BC-30-0.1，BC-40-0.1增加了水泥和矿渣掺量，总孔隙率下降，无害孔(孔径≤20 nm)的数量增加，使得其结构更加致密，界面结构得到改善，提高了混凝土电阻率；而BC-50-0.05则增加了水泥和矿渣掺量，降低了粉煤灰和硅灰的掺量，从而在保证工作性能的基础上，减少了多余水分蒸发产生的毛细孔，以及增大磨细矿渣的含量一方面改善了混凝土的孔结构和级配，如图2(a、b)所示，总孔隙率下降，无害孔(孔径≤20 nm)数量增加，多害孔(>200 nm)数量减少，使孔细化，提高了混凝土的电阻率。

3 BPFRC电阻率模型

影响混凝土电阻率的因素众多，主要有湿度、温度、掺合料、龄期等[26-27]，研究者建立了诸多的模型，其中，宋华模型[26]主要考虑了矿物掺合料的影响，Sol-gaard模型[27]主要考虑了钢纤维这一影响因素，而对玄武岩-聚丙烯纤维增强混凝土的电阻率，国内外未曾有人研究，本文引入α、β、γ、χ、ε等参数，考虑纤维种类、掺量、混杂方式及水胶比对BPFRC电阻率的影响，建立公式(2)。

(2)

式中：α、β、γ、χ分别为水胶比、玄武岩纤维、混杂纤维及聚丙烯纤维对混凝土电阻率的影响系数；ε为常数；VB、VP分别为玄武岩纤维和聚丙烯纤维的体积掺量，%；ω/b为混凝土水胶比，对于C30、C40和C50混凝土分别取为0.44、0.38和0.29。

考虑到纤维掺量0.2%时，电阻率下降，BPFRC性能降低，实际工程中不采取，因此去掉本组数据，通过得到的18组数据拟合得到了BPFRC电阻率模型，其相关系数大于0.97，如公式(3)所示：

(3)

式(3)为真空保水情况下采用改进二电极交流电法得到的BPFRC电阻率模型，实际环境中，电阻率受到环境温度、孔隙水饱和度的影响，Hope[28]经过试验研究和理论推导得到混凝土电阻率温度影响系数，如式(4)所示。Gjoerv[29]对不同孔隙水饱和度的混凝土电阻率进行了试验研究，本文对其试验数据进行拟合，得到了孔隙水饱和度与混凝土电阻率的关系，相关系数为0.99，如式(5)所示。而对混凝土孔隙水饱和度，其与混凝土所处环境湿度有关，Sun[30]采用式(6)、(7)来估算环境相对湿度和孔隙水饱和度的关系。

(4)

ρS=ρS-1.7567

(5)

S=RH-0.15(RH=50%～90%)

(6)

S=5RH-3.85(RH>90%)

(7)

最终，考虑到纤维、掺合料、水胶比、温度、湿度等因素的影响，建立BPFRC电阻率模型，如式(8)、(9)所示。该BPFRC电阻率模型的拟合结果与试验结果的一致性较好，各拟合结果与试验结果的相关系数大于0.9，模型考虑的影响因素较多，此模型可较为方便地应用于BPFRC电阻率的预测。