多场耦合作用下聚丙稀纤维不同掺量对混凝土耐久性影响分析

2023-07-12刘建新王恩恺

粘接 2023年6期

刘建新　王恩恺

摘要：为研究碳化环境、冻融循环和碳化-冻融耦合作用下的混凝土耐久性性能变化规律，在混凝土中配制了不同质量分数的聚丙烯纤维进行测试分析。试验结果显示：在单一碳化环境下，随着聚丙烯纤维掺量的增加，混凝土的碳化深度呈现先减小而后增加的变化规律，其最佳掺量为2%；在单一冻融环境下，随着聚丙烯纤维掺量的增加，混凝土的抗压强度呈现先增大而后减小的变化规律，其最佳掺量也为2%；在耦合环境作用下，混凝土的抗碳化性能和抗冻融性能相较于单一循环作用都要小。在相同的碳化循环下，冻融循环次数对混凝土的抗碳化性能影响很大；在相同的冻融循环下，碳化循环次数对混凝土的抗冻融性能影响较小。耦合环境作用会对混凝土的耐久性性能影响更大，在配制高性能混凝土中需要着重关注耦合作用对混凝土耐久性能的影响。

关键词：碳化环境；冻融循环；耦合循环；聚丙烯纤维；混凝土；耐久性

中图分类号：TQ342+.31 文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）06-0171-04

Analysis of durability of concrete subjected to polypropylene fiber addition field corrosion coupling

LIU Jianxin1，WANG Enkai2

（1.Qinghai Transportation Planning and Design Research Institute Co.， Ltd.，Xining 810001， Qinghai China;

2.Yizhang Hongyuan Chemicals Co.，Ltd.， Chenzhou 423000，Hunan China）

Abstract：In order to study the change rule of concrete durability under carbonation environment，freeze-thaw cycle and carbonation freeze-thaw coupling action，polypropylene fiber with different content was prepared in concrete for test and analysis.The test results show that in the single carbonation environment，with the increase of polypropylene fiber content，the carbonation depth of concrete presents the change rule of first decreasing and then increasing，and the best content is 2%;in the single freeze-thaw environment，with the increase of polypropylene fiber content，the compressive strength of concrete presents the change rule of first increasing and then decreasing，and the best content is 2%;in the coupling environment，the carbonation resistance and freeze-thaw resistance of concrete are smaller than that of single cycle.Under the same carbonation cycle，the number of freeze-thaw cycles has a great influence on the carbonation resistance of concrete.Under the same freeze-thaw cycle，the number of carbonation cycles has little effect on the freeze-thaw resistance of concrete.Coupling environmental effect will have a greater impact on the durability of concrete.In the preparation of high performance concrete，it is necessary to pay attention to the effect of coupling on the durability of concrete.

Key words：carbonation environment;freeze-thaw cycle;coupling cycle;polypropylene fiber;concrete;durability

混凝土作為使用最多的土木工程材料，而广泛应用于各行各业，如桥梁、建筑、水利大坝等。因而其使用环境会有着明显的不同，混凝土的制备及性能要求也会有着明显的不同［1］。因此许多专家学者分别研究了混凝土在不同环境下的性能变化规律，研究了不同纤维体积分数的玄武岩纤维、纤维素纤维和不同纤维长度的玄武岩纤维对C60高强混凝土抗冻性能的影响［2］。进行了不同引气剂掺量混凝土在持续-3 ℃养护环境下的抗压强度和冻融循环试验［3］。分析了水泥混凝土受冻破坏的机理，探讨了高寒地区水泥混凝土路面的抗冻技术［4］。

进一步的研究学者们发现在实际生活中，混凝土所处的环境往往不是单一的，而是复杂、融合的［5-14］。因此，也有不少研究学者开展了耦合场下混凝土的性能演变研究。通过COMSOL对混凝土进行了多场耦合模拟［15］。分析了荷载与环境因素耦合作用下结构混凝土的耐久性与服役寿命［16］。等分析了粉煤灰混凝土的抗冻性与抗氯离子渗透性的耦合作用［17］。建立了湿热耦合环境下氯离子的输运模型，计算了混凝土结构的使用寿命［18］。

上述研究学者主要通过计算机模拟来分析耦合环境下的混凝土性能演变规律。而本文主要以试验为手段，对比单一环境和耦合环境对混凝土耐久性性能的影响［19］。因此，本文选用聚丙烯纤维作为混凝土的外加掺合料，分析不同含量的聚丙烯纤维对单一碳化环境下和单一冻融环境下混凝土耐久性性能的演变规律；进一步通过实验得出聚丙烯纤维混凝土在耦合环境下的性能演变规律，得出耦合环境的影响，为今后高性能混凝土的制备提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

水泥：上海获韬建材有限公司生产的P·O 42.5R水泥，其化学组成成分由厂家提供，如表1所示。粗骨料和细骨料：青州市双盈环保设备有限公司生产，其中粗骨料粒径在10～20 mm，细骨料砂粒径在0～5 mm；水：普通自来水。聚丙烯纤维：重庆振硕科技有限公司生产型的号为PP-6的聚丙烯纤维，其直径约为7.2 μm，密度为0.92 g/cm3，抗拉强度为680 MPa。根据上述基本材料，对混凝土进行配制，其混凝土配合比如表2所示。

1.2 方法

根据混凝土制备方法和表2的混凝土配合比制备混凝土试块，其长宽高均为150 mm；将制备成的混凝土试块分为3组，第1组试块放入南京安奈试验设备有限公司生产的SC-020碳化箱中进行碳化试验，其间隔分别为6 h、12 h、1d、2 d、4 d、7 d。第2组试块放入浙江光年知新仪器有限公司生产的KDR-V9冻融箱中进行冻融循环试验，其冻融循环次数分别为20、50、80、100、150、200次。第3组混凝土试块则根据表3的试验方案进行测试。对3组混凝土试块实验完毕后，分别测试混凝土的抗压强度和碳化深度，其中混凝土的抗压强度通过山东华拓试验仪器有限公司生产的WAW万能试验机进行测量。对比耦合循环作用和单一循环作用下，混凝土的性能变化规律。

2 碳化循环下混凝土性能变化

在混凝土中分别掺入质量分数为0%、0.5%、1%、1.5%、2%、3%的聚丙烯纤维，并在碳化箱中碳化6 h、12 h、1 d、2 d、4 d、7 d，得到了聚丙烯纤维掺量对混凝土的抗碳化性能的影响，结果如图1所示。

从图1可以看出，随着聚丙烯纤维的掺量增加，混凝土的碳化深度先逐渐下降而后会出现上升的趋势，如在碳化箱中碳化1 d时，素混凝土的碳化深度为10 mm；质量分数0.5%的聚丙烯纤维混凝土的碳化深度为9 mm；质量分数1%的聚丙烯纤维混凝土的碳化深度为8 mm；质量分数1.5%的聚丙烯纤维混凝土的碳化深度为7 mm；质量分数2%的聚丙烯纤维混凝土的碳化深度为5 mm；质量分数3%的聚丙烯纤维混凝土的碳化深度为30 mm。從图1可以得出，聚丙烯纤维的最佳掺量为2%。这是因为，纤维的掺入能够密实混凝土，降低混凝土的孔隙率，使得二氧化碳对混凝土的侵蚀作用下降；但当掺入过多的聚丙烯纤维时，即水泥占比会相应的减小，因此此时的混凝土抗碳化性能反而会下降。

从图1还可得出，随着碳化时间的增加，聚丙烯纤维混凝土的碳化深度在逐渐增加，并且增加值呈非线性增长趋势。如当聚丙烯纤维质量分数为2%时，碳化6 h后的混凝土，其碳化深度为2 mm；碳化12 h后的混凝土，其碳化深度为3 mm；碳化1 d后的混凝土，其碳化深度为5 mm；碳化2 d后的混凝土，其碳化深度为9 mm；碳化4 d后的混凝土，其碳化深度为14 mm；碳化7 d后的混凝土，其碳化深度为20 mm。这是因为在碳化环境下，二氧化碳渗入混凝土的孔隙，进而破坏混凝土的结构，而破坏程度随着时间的增加而迅速增加。

3 冻融循环下混凝土性能变化

在混凝土中掺入质量分数分别为0%、0.5%、1%、1.5%、2%、3%的聚丙烯纤维，并在冻融箱中冻融20、50、80、100、150和 200次，得到了聚丙烯纤维掺量对混凝土的抗冻融性能的影响，结果如图2所示。

从图2可以看出，随着聚丙烯纤维的掺量增加，混凝土的抗压强度先逐渐上升而后会出现下降的趋势，如在冻融箱中碳化80次时，素混凝土的抗压强度为33.1 MPa；质量分数0.5%的聚丙烯纤维混凝土的抗压强度为33.6 MPa；质量分数1%的聚丙烯纤维混凝土的抗压强度为34.1 MPa；质量分数1.5%的聚丙烯纤维混凝土的抗压强度为34.7 MPa；质量分数2%的聚丙烯纤维混凝土的抗压强度为35.2 MPa；质量分数3%的聚丙烯纤维混凝土的抗压强度为34.9 MPa。从实验结果可以得出，聚丙烯纤维的最佳掺量为2%。这是因为纤维的掺入能够密实混凝土，降低混凝土的孔隙率，提高混凝土的抗冻性能；但当掺入过多的聚丙烯纤维时，即水泥占比会相应的减小，因此混凝土抗冻性能反而会下降。

从图2还可得出，随着冻融循环次数的增加，聚丙烯纤维混凝土的抗压强度在迅速下降，并且呈非线性增长趋势。如当聚丙烯纤维质量分数为2%时，冻融循环20次后的混凝土，其抗压强度为40.6 MPa；冻融循环50次后的混凝土，其抗压强度为38.3 MPa；冻融循环80次后的混凝土，其抗压强度为35.2 MPa；冻融循环100次后的混凝土，其抗压强度为32.2 MPa；冻融循环150次后的混凝土，其抗压强度为28.3 MPa；冻融循环200次后的混凝土，其抗压强度为22.2 MPa。这是因为在冻融环境中，液态水会在混凝土的孔隙中反复结冰膨胀，破坏混凝土的内部孔隙结构，降低混凝土的抗冻性能。

4 冻融-碳化循环下混凝土性能变化

根据表3的耦合试验方案，分析碳化循环和冻融循环同时作用下，聚丙烯纤维混凝土的性能变化，结果如图3所示。

从图3（a）可以得出，耦合作用下的聚丙烯纤维混凝土的碳化深度比单一碳化循环作用下要大，当碳化时间为6 h时，A组的碳化深度为4 mm（冻融循环20次），D组的碳化深度为7 mm（冻融循环100次），分别是单一碳化循环作用的2、3.5倍；当碳化时间为12 h时，B组的碳化深度为6mm（冻融循环20次），E组的碳化深度为11 mm（冻融循环100次），分别是单一碳化循环作用的2、3.67倍；当碳化时间为1 d时，C组的碳化深度为9 mm（冻融循环20次），F组的碳化深度为16 mm（冻融循环100次），分别是单一碳化循环作用的1.8、3.2倍。可见，在相同的碳化循环下，冻融循环次数对混凝土的抗碳化性能影响很大。

从图3（b）可以得出，耦合作用下的聚丙烯纤维混凝土的抗压强度比单一碳化循环作用下要小，当冻融循环20次时，A组的抗压强度为39.8 MPa（碳化时间6 h），B组的抗压强度为39.3 MPa（碳化时间12 h），C组的抗压强度为38.6 MPa（碳化时间1 d），分别是单一冻融循环作用的98.03%、96.80%、95.07%；当冻融循环100次时，D组的抗压强度为30.3 MPa（碳化时间6 h），E组的抗压强度为29.7 MPa（碳化时间12 h），F组的抗压强度为29.1 MPa（碳化时间1 d），分别是单一冻融循环作用的94.10%、92.24%、90.37%。可见，在相同的冻融循环下，碳化循环次数对混凝土的抗冻融性能影响较小。

5 结语

通过在混凝土中掺入质量分数分别为0%、0.5%、1%、1.5%、2%、3%聚丙烯纤维，然后分析其在不同碳化时间（6 h、12 h、1 d、2 d、4 d、7 d）和不同冻融循环次数（20、50、80、100、150、200次）条件的耐久性性能变化规律。

（1）当聚丙烯纤维的掺量为2%时，混凝土的抗碳化性能和抗冻融性能最好，因此建议在高性能混凝土的配制中掺入2%的聚丙烯纤维；

（2）冻融循环对混凝土耐久性性能的影响要大于碳化时间对混凝土耐久性性能的影响。这主要是因为两种环境对混凝土孔结构破坏形式不同导致的，一种是直接膨胀拉裂破坏；另一种是腐蚀破坏。因此，在配制高性能混凝土的过程中更需要关注于混凝土的抗冻融性能；

（3）耦合作用下的聚丙烯纤维混凝土的碳化深度比单一碳化循环作用下要大，抗压强度则比单一碳化循环作用下要小。可见耦合环境作用会对混凝土的耐久性性能影响更大，因此，在配制高性能混凝土中需要着重关注耦合作用对混凝土耐久性能的影响。

【参考文献】

［1］丁杨，周双喜，王中平，等.外界环境对材料导热系数的影响研究探讨［J］.混凝土，2018，348（10）：19-21.

［2］李趁趁，胡婧，元成方，等.纤维/高强混凝土抗冻性能试验［J］.复合材料学报，2019，36（8）：1977-1983.

［3］张凯，王起才，杨子江，等.多年冻土区引气混凝土抗压强度及抗冻性研究［J］.铁道学报，2019（5）：156-161.

［4］李廷.高寒地区水泥混凝土路面抗冻技术探究［J］.公路，2019（4）：24-27.

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