基于同心环形缝隙流理论的纤维编织网增强混凝土抗渗性能研究

2022-07-05王诗煜王伯昕

硅酸盐通报 2022年6期

王诗煜，王伯昕

(吉林大学建设工程学院，长春 130021)

0 引言

纤维编织网增强混凝土(textile reinforced concrete, TRC)作为一种新型材料，具有耐腐蚀[1-3]、高韧性[4-5]、高承载力[6-7]等优点，可以有效限制混凝土构件开裂[8-10]，起到良好的修复与加固功能，具有广阔的应用前景[11-12]。TRC广泛应用于水工结构中，故其抗渗性能尤为重要[13]。为了探究TRC的抗渗性能，国内外学者进行了诸多研究。张兰芳等[14]对掺加不同体积含量玄武岩纤维混凝土的抗渗性和抗硫酸盐腐蚀性进行了研究。结果表明，当纤维掺量控制在0.3%(体积分数)时，混凝土的抗渗性最佳。Sheng等[15]对连续荷载及盐蚀环境下，TRC加固混凝土梁的耐久性进行了研究。结果表明，TRC对裂缝扩展有较好的控制能力，抗渗性较好。Mechtcherine等[16]研究TRC梁在多重开裂情况下，裂缝的毛细作用对水和气体在其中渗透性的影响，并建立在应力作用下，开裂TRC中水渗透性的数学模型。Pourasee等[17]研究了纤维编织网结构及其性质对开裂水泥复合材料传输性能的影响。结果表明，胶凝材料中的裂缝显著增加流体的渗透能力。综上所述，目前对于纤维编织网增强混凝土的抗渗性已有部分研究，但有关水灰比和纤维单丝含量对压力水作用下TRC抗渗性能影响的研究较少。因此，本文通过混凝土渗透试验和扫描电镜(SEM)试验，研究TRC在不同水灰比及纤维单丝含量情况下的抗渗性能及内部细观结构的差异，并基于同心环形缝隙流理论，建立了压力水作用下，TRC试件渗透率的计算公式，为TRC材料在水工结构中的应用设计提供参考依据。

1 实验

1.1 试验材料

本次试验选用长春亚泰水泥厂生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥；细骨料采用优质河砂，平均细度模数为2.9；粗骨料采用石灰岩碎石，粒径5～10 mm；拌和用水选用纯净水。

高锆耐碱玻璃无捻粗纱如图1所示，一束纤维的纤维单丝含量为9.2 k(9.2 k代表每束含9 200根纤维单丝)，纤维束力学性能如表1所示。采用平织的方法将纤维束编制成网格尺寸40 mm×40 mm的纤维编织网，如图2所示。在纤维束表面涂刷由固化剂、环氧树脂、无水乙醇配制而成的胶结剂，用于提高纤维束与混凝土间的黏结力。

图1 高锆耐碱玻璃无捻粗纱Fig.1 Alkali-resistant glass fiber

表1 耐碱玻璃纤维材料性能参数Table 1 Material properties of the alkali-resistant glass fiber

纤维编织网表面均匀涂刷胶结剂后，断面近似为圆形，纤维束的断面面积可用式(1)计算：

(1)

式中：Sf为纤维束断面面积，mm2；Tex为纤维束单位长度的质量，g·km-1；ρf为纤维束密度，g·cm-3。

不同纤维单丝含量的纤维束等效半径及断面面积计算结果如表2所示。

表2 不同纤维单丝含量的纤维束等效半径及断面面积Table 2 Equivalent radius and sectional area of fiber bundles with different fiber number of per bundle

1.2 TRC试件制备

TRC试件配合比符合《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)[18]要求，配合比如表3所示。试验采用标准抗渗圆台试件[19]，上、下底尺寸分别是175 mm、185 mm，高度为150 mm。纤维编织网沿试件纵向布置。每个试件布置3片平行的纤维编织网，分别以上底直径4等分点进行定位，如图3所示。

表3 混凝土基体配合比Table 3 Mixture proportions of concrete

图3 纤维网布置图(单位：mm)Fig.3 Fiber mesh layout (unit： mm)

将浇筑完成的TRC试件置于标准养护箱中养护28 d后取出，进行压力水渗透试验。试件共计96块，试件分组及编号如表4所示。

表4 试件分组及编号Table 4 Specimen parameters and numbers

1.3 试验步骤

采用标准混凝土抗渗仪。试验前用融化的石蜡(内加少量松香)均匀包裹并密封试件侧面，然后用压力机将试件压入渗透仪钢模中，使试件与钢模底部平齐。将密封好的钢模与试件安装于抗渗仪上，设置抗渗仪压强恒定为0.5 MPa，试验时间24 h。

2 结果与讨论

2.1 TRC试件渗透试验结果及分析

渗透试验结束后，在TRC试件上表面观察到有规则排列的水珠沁出，如图4所示。沿纤维编织网布置方向将试件劈开，用梯形板测量每组试件的水分渗透高度，如图5所示。

从图5中可以看出，水痕在4条纵向纤维编织网与混凝土基体的界面处出现明显的水纹波峰，表明在压力作用下自由水主要沿纵向纤维编织网进行迁移，距离纤维网越远，则迁移速度越慢。根据试验测得平均渗水高度，计算得到相对渗透率，如图6所示。比较纤维单丝含量相同、水灰比不同试件组的平均渗水高度发现，当纤维单丝含量为9.2 k时，水灰比0.45的试件平均渗水高度为30.67 mm，而水灰比0.55的试件平均渗水高度为34.23 mm，渗水高度增长率约为11.61%，其他相同纤维单丝含量下水灰比0.55的试件平均渗水高度均比0.45的高。由此可见，当纤维编织网沿试件纵向布置时，纤维单丝含量一定，随着水灰比增加，混凝土试件的抗渗性下降。

图4 TRC试件渗水现象Fig.4 Water seepage of TRC specimen

图5 TRC试件水痕路径Fig.5 Water penetration path of TRC specimen

比较水灰比相同，纤维单丝含量不同试件组的平均渗水高度发现，当水灰比为0.45时，纤维单丝含量为9.2 k混凝土试件的平均渗水高度为30.67 mm，纤维单丝含量为27.6 k混凝土试件的平均渗水高度为56.32 mm，渗水高度增长率约为83.63%。当水灰比为0.55时，纤维单丝含量为9.2 k混凝土试件的平均渗水高度为34.23 mm，纤维单丝含量为27.6 k混凝土试件的平均渗水高度为60.73 mm，渗水高度增长率约为77.42%。由此可见，当纤维编织网沿试件纵向布置时，水灰比一定，随纤维单丝含量增加，TRC试件的抗渗性下降。

图6 TRC平均渗水高度Fig.6 Average water seepage height of TRC

需要指出的是，上述结论是使纤维编织网平行于压力水方向得到的，即压力水在TRC试件中的迁移方向与纤维编织网布置方向一致。当纤维编织网垂直于压力水方向布置时，TRC试件具有良好的抗裂性和抗渗性，因此压力水在其中的迁移速率以及平均渗水高度会比纤维编织网竖向布置的情况大幅降低。但纤维编织网横向布置TRC试件的水灰比以及纤维单丝含量对于水在其中的迁移情况是否仍有上述规律有待研究。

2.2 TRC试件细观试验结果及分析

为从细观角度解释TRC中的水分迁移规律，取渗透试验后的TRC试件，沿纵向纤维束取芯(尺寸：10 mm×10 mm×10 mm)，进行扫描电子显微镜(SEM)试验，放大倍数为500倍。

图7和图8分别为水灰比为0.45和0.55时不同TRC试件的环形裂隙宽度。从图7～图8中可以看出，纤维编织网与混凝土基体间存在环形裂隙。比较纤维单丝含量相同、水灰比不同的试件组的环形裂隙宽度发现，当纤维单丝含量为9.2 k时，水灰比0.45试件的环形裂隙宽度为54.2 μm，而水灰比0.55试件的环形裂隙宽度为73.2 μm，增大了19 μm，增长率约35.06%。对比图7(b)和图8(b)、图7(c)和图8(c)也可发现，环形裂隙宽度均随水灰比增大而增大。结合前节分析，纤维单丝含量一定时，随水灰比增大，环形裂隙宽度增大，TRC试件抗渗性降低。

对比图7(a)和(c)发现，对于水灰比相同、纤维单丝含量不同试件组的环形裂隙宽度，当水灰比为0.45时，纤维单丝含量为9.2 k的环形裂隙宽度为54.2 μm，而纤维单丝含量为27.6 k时的环形裂隙宽度为103 μm，增大了48.8 μm，增长率为90.04%。同样，对比图8(a)和(c)也可发现，随纤维单丝含量增大，环形裂隙宽度逐渐增大，TRC试件抗渗性降低。对比纤维单丝含量不同的纤维束的等效半径后还发现，纤维单丝含量由9.2 k增大到27.6 k时，纤维束等效半径由0.577 mm增加到0.965 mm，增长率为67.24%，等效半径显著增大。由此可见，随着纤维束等效半径的增大，纤维束与混凝土基体界面处的环形裂隙宽度逐渐增大，TRC试件的整体性变弱。