基于孔结构分析的多尺度聚丙烯纤维混凝土耐久性

2022-02-28周兴宇杨鼎宜朱从香王彤章赵学涛

材料科学与工程学报 2022年1期

周兴宇，杨鼎宜，朱从香，王彤章，赵学涛，刘淼

(1.扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州 225127； 2.扬州工业职业技术学院建筑工程学院，江苏扬州 225127)

1 前言

混凝土以优异的施工性能和力学性能，在建筑行业得到了广泛应用，尤其在我国西部基础建设以及港口、水利等领域均需大量使用混凝土材料。但混凝土内部存在大小不同的孔，属于多种孔径相互并存的多孔复合材料，这些内部孔隙为外部有害介质的渗透、侵蚀提供了便利通道，因此，对于处于冻融循环、硫酸盐侵蚀以及渗透地区的混凝土设计及应用来说造成不小的麻烦，如何提高混凝土的耐久性能，已成为当今热门研究之一。研究发现，在混凝土中适当地添加纤维，可以有效改善其耐久性能。

刘飞、黄加圣等[1-3]以不同体积掺量的聚乙烯醇(PVA)纤维混凝土为研究对象，探究纤维掺量对混凝土抗冻融循环性能的影响，研究发现：适当地添加PVA纤维，可以有效提高混凝土的抗冻融循环能力，体积掺量为0.1%时效果最优。张晶、何锐等[4-7]基于硫酸盐环境下，对硫酸盐侵蚀循环前后的纤维混凝土性能(力学性能、耐腐蚀性能、基体脱落现象等)进行探究，研究发现，高延性PVA纤维、钢纤维、聚丙烯及其混掺纤维均能改善混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力，并改善硫酸盐侵蚀后的力学性能。Guo[8]在25、40、60 ℃海水-海砂-混凝土环境中，进行了碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维混凝土的耐久性试验，研究发现：在试验环境下，碳纤维掺入混凝土后，其耐久性提高较为明显，其次是玻璃纤维混凝土、玄武岩纤维混凝土的耐久性均有所提高。岑国平等[9]为提高道面混凝土的耐久性，对单丝、网状聚丙烯和聚丙烯腈纤维混凝土进行了抗渗性及抗冻性试验，结果发现：当纤维体积掺量为0.1%时，合成纤维混凝土的抗冻性和抗渗性比普通道面混凝土提高了40%～160%。

上述研究内容主要集中于纤维的掺量、种类对混凝土抗冻、抗硫酸盐侵蚀、抗渗等耐久性能的影响。有关掺加不同尺度的纤维对混凝土耐久性能影响的报道相对较少，因此，本研究通过对比多尺度纤维混凝土在抗渗、抗硫酸盐侵蚀循环、抗冻融试验中耐久性能的表现，并结合压汞法测定其内部孔径大小及分布情况，从微观角度分析不同尺度纤维对混凝土耐久性能的影响，为建筑领域合理地运用多尺度聚丙烯纤维混凝土提供了科学、严谨的依据。

2 实验

2.1 原材料

试验原材料：强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥；Ⅱ级天然中砂，其细度模数为2.6；连续级配且最大粒径为20 mm的碎石；Ⅱ级粉煤灰；自来水；聚羧酸超高性能减水剂，含固量为23%，减水率为30%。

聚丙烯纤维由南通新帝克单丝科技股份有限公司生产，表1为试验用聚丙烯纤维的性能参数，表2为本课题组得出的最优混凝土配比。

表1 试验用聚丙烯纤维的性能参数Table 1 Performance parameters of polypropylene fibers

表2 混凝土配合比Table 2 Concrete mix ratio kg·m-3

2.2 试验仪器及试验流程

采用现行标准GB/T 50082-2009[10]中规定的渗水高度法、硫酸盐侵蚀试验、快冻法进行多尺度纤维混凝土的耐久性试验，通过测试混凝土渗水高度、冻融循环后的动弹性模量、硫酸盐侵蚀后的抗压强度及耐腐蚀系数评价混凝土的耐久性能。

在压汞试验过程中，由于混凝土内部粗骨料的介入使得测试样品组分出现不均匀情况，导致试验结果产生较大偏差。考虑到去除粗骨料后对混凝土中水泥浆体的孔隙结构影响较小，因此，采用去除粗骨料后的混凝土配比进行压汞试验[11]。

采用以上试验配合比，浇筑成100 mm×100 mm×100 mm立方体试件并进行28 d标准养护，通过切割、钻芯、打磨的方式，将试件制作成直径为(7±0.2) mm，长度为(2.6±0.2) mm的圆柱体作为试验试样，采用Auto Pore IV 9500全自动压汞仪所配套的膨胀计对其进行密封，如图1；通过压汞仪依次在低压仓与高压仓对试样进行进汞试验，以完成混凝土内部孔结构参数的测定；其中，采用5 mL的固体膨胀计，压汞仪压力范围为0.1～61000 psia，浸润角为130°。

图1 试验样品密封于膨胀计中Fig.1 Test sample sealed in dilatometer

3 测试结果与分析

3.1 多尺度聚丙烯纤维混凝土抗渗性能

由表3可以看出：四类混凝土的渗水高度呈现逐渐下降的趋势，表现为JZ>PPM>PPF>PPC，说明聚丙烯纤维的掺入能提高混凝土的抗渗性能，其中PPC试件抗渗性能最好，PPF试件次之，PPM试件一般，JZ试件最差。

表3 四类混凝土渗水高度Table 3 Four types of concrete seepage height

通常认为混凝土内部孔径越小，抵抗外部液体渗入的阻力越大，亦即混凝土的抗渗性越好[12]。吴中伟等[13]将混凝土内孔洞按孔径大小分为四类，(1)无害孔：孔径小于20 nm；(2)少害孔：孔径为20～100 nm；(3)有害孔：孔径为100～200 nm；(4)多害孔：孔径大于200 nm。结合图2混凝土孔径分布情况可以看出：JZ试件的有害孔与多害孔的含量之和最多，无害与少害孔的含量之和最少；相对于JZ试件，PPM、PPF、PPC试件内部无害孔、少害孔的含量均出现大幅增长，100 nm以下的孔径比例分别增长了2.78、2.51、4.03倍。并且四类混凝土的最可几孔径呈现下降趋势，分别为239、50.4、40.3和7 nm。说明聚丙烯纤维均匀地分散在混凝土中，将较大孔径分隔为细小孔径，使得细小孔径含量大幅增多，改善了混凝土内部孔隙特征，增大了外界液体渗入混凝土内部的阻力[14]，有效改善了混凝土的抗渗性能。

图2 混凝土孔径分布曲线及不同孔径区域占比Fig.2 Pore size distribution curves and pore area ratio of concrete (a) JZ, (b) PPF, (c) PPM, (d) PPC

3.2 多尺度聚丙烯纤维混凝土抗硫酸盐侵蚀循环性能

混凝土标准养护条件下与硫酸盐侵蚀循环条件下的抗压强度，如表4所示，依据标准GB/T 50082-2009进行测试，以受硫酸盐侵蚀循环后的混凝土抗压强度与同龄期标准养护后的抗压强度的比值(耐腐蚀系数)来反映混凝土抗硫酸盐侵蚀循环性能的优劣。耐腐蚀系数按式(1)计算，算得四类混凝土的耐腐蚀系数如图3所示。

(1)

表4 混凝土分别在标准养护及硫酸盐侵蚀循环条件下的抗压强度Table 4 Compressive strength of concrete under standard maintenance and sulfate dry-wet cycle conditions MPa

式中：Kf为抗压强度耐蚀系数(%)；fn为经N次硫酸盐侵蚀循环后的混凝土抗压强度值(MPa)；fo为与硫酸盐侵蚀试验同龄期的标准养护条件下混凝土抗压强度值(MPa)。

从表4可以看出：在硫酸盐侵蚀循环试验中，四类混凝土抗压强度呈先增加后降低的趋势。在30次侵蚀循环之内，经硫酸盐侵蚀后混凝土抗压强度增长幅度较同期养护的快。在30～90次侵蚀循环时，经硫酸盐侵蚀循环后混凝土抗压强度增长幅度趋缓，说明随着侵蚀次数增多，硫酸盐等有害介质逐渐渗透到基体内部，损坏了混凝土内部结构，使得混凝土性能衰退逐步明显。在90～150次侵蚀循环时，四类混凝土的抗压强度均出现大幅度下降，且比未受侵蚀时混凝土抗压强度小。出现上述趋势的主要原因如下[15]：

由于混凝土试件内部本身存在一定的原始孔隙，当硫酸盐侵蚀循环在90次以内时，随着硫酸盐侵蚀循环次数的增多，硫酸根离子逐渐侵入混凝土基体，在孔隙、裂缝内部与氢氧化钙(Ca(OH)2)、水化铝酸钙发生反应生成钙矾石和石膏等膨胀性产物，使得内部原有的细小孔隙、裂缝得到了填充，混凝土变得更加密实。此外，在硫酸盐侵蚀循环试验中存在烘干过程，为混凝土提供蒸养的条件，因此，在二者共同作用下混凝土强度在90次循环之内得到了提升。

当硫酸盐侵蚀循环在90～150次时，随着硫酸盐侵蚀循环次数的增加，混凝土内部的钙矾石和石膏等进一步增多，孔隙、裂缝逐步填满，并有向外部扩张的趋势，因此，导致混凝土原有的裂缝重新扩展、新生的裂缝不断增多，基体开始表现出明显的劣化，抗压强度大幅度下降。

从图3可见，三类纤维混凝土试件的耐腐蚀系数均高于JZ试件，PPC试件的抗硫酸盐侵蚀效果最好，PPF次之，PPM一般。说明聚丙烯纤维的掺入，能有效提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能；在粗、细聚丙烯纤维共同的作用下，混凝土抗硫酸盐侵蚀性能得到了进一步提高。其主要原因是：纤维的掺入，使得混凝土内部平均孔径出现大幅度减小(如图4)，细化了混凝土内部孔隙，阻碍了硫酸根离子侵蚀混凝土的进程，减缓了裂缝萌生、扩展的速度，并且在粗、细聚丙烯纤维共同作用下，混凝土内部裂缝的扩展受到了纤维的抑制，因此，混凝土的抗硫酸盐侵蚀循环能力得到了有效的增强。

图3 混凝土耐腐蚀系数Fig.3 Corrosion resistance coefficient of concrete

图4 四类混凝土内部的平均孔径/nmFig.4 Average pore size of four types of concrete

3.3 多尺度聚丙烯纤维混凝土的抗冻融循环性能

采用混凝土冻融循环后相对动弹性模量的大小来反映抗冻融循环的能力，按式(2)进行计算：

(2)

式中：f为混凝土试件经N次冻融循环后的相对动弹性模量(%)；PN为混凝土试件经N次冻融循环后的横向基频(Hz)；PO为混凝土试件未经冻融循环时的横向基频初始值(Hz)。

图5为冻融循环后四类混凝土相对动弹性模量的变化情况，由图5可见：随着冻融循环次数的增大，四类混凝土相对动弹性模量均呈现下降趋势；JZ试件的相对动弹模量在前75次冻融循环中下降幅度较大，平均每25次循环下降9.5%；在75～100次冻融循环中，相对动弹模量下降趋缓，下降了6.4%。随着聚丙烯纤维的掺入，三类纤维混凝土相对动弹性模量均比JZ试件高，在50次冻融循环后，相对动弹性模量下降幅度开始出现明显减缓，说明聚丙烯纤维的掺入能有效地缓解混凝土冻融损伤，提高混凝土的抗冻融能力。根据三类纤维混凝土的相对动弹性模量的大小，可以得出PPC试件抗冻融能力最好，PPF试件次之，PPM试件一般。

图5 冻融循环后四类混凝土相对动弹性模量的变化Fig.5 Change of relative dynamic elastic modulus of four kinds of concrete after freeze-thaw cycle

在抗冻试验过程中，当水达到冰点时，其体积膨胀导致混凝土内部孔隙产生冻胀应力，随着内部冰的体积逐渐增大，该应力将超过混凝土基体的极限抗拉强度，此时，裂缝开始产生并扩展，混凝土基体出现显著劣化，此时混凝土内部孔隙特征影响着混凝土抗冻性能的优劣。林宗寿[16]根据孔径大小将混凝土孔隙分为凝胶孔、毛细孔和粗孔，并测得三类孔内水的冰点也大不相同[14-20]，如表5所示。

表5 不同孔径的孔内部水的冰点Table 5 Ice points of water in different apertures

三类不同孔对混凝土抗冻融循环性能的影响各有不同：粗孔中含有相互独立封闭且不易吸水饱和的空气泡，在水凝结成冰后为混凝土提供了良好的缓冲作用，减缓了损伤应力对混凝土基体的损伤[21]，因此，粗孔的存在对混凝土抗冻融循环性能的影响无法起到主导作用；此外，抗冻试验的温度范围在7～-20 ℃，结合表5可以得出：混凝土中毛细孔的存在对混凝土抗冻性能的影响较大[21]，而凝胶孔的也存在无法直接影响混凝土抗冻融循环性能的优劣。

如图6，四类混凝土中孔隙的孔径累计曲线可以看出：相对于JZ试件，纤维混凝土中孔径小于100 nm的孔隙(凝胶孔)含量明显增多；PPM、PPF、PPC试件的毛细孔比例呈现下降的趋势，分别为JZ试件的80.1%、65.2%、30.0%，这意味着含纤维混凝土内部可能出现结冰情况的孔(>100 nm)的数量大幅度减小，分别为JZ试件的88.9%、83.7%、78.5%。说明聚丙烯纤维的掺入，细化了混凝土内部的孔隙，减少了抗冻试验中可能出现结冰情况的孔含量，减小了混凝土内部出现冻胀破坏的概率，明显改善了混凝土抗冻能力。