预加荷载下聚丙烯纤维混凝土抗渗机理研究

　　摘 要：为研究预加荷载作用下聚丙烯纤维混凝土(polypropylene fiber reinforced concrete，PFRC)的抗渗性能，选用1种聚丙烯粗纤维和2种聚丙烯细纤维进行单掺和混掺，在5种荷载水平下进行了氯离子扩散系数试验，分析了不同混掺比例下PFRC试件在不同荷载水平作用下的氯离子扩散系数变化规律. 采用压汞法和电镜扫描研究了纤维混掺和荷载大小对混凝土微观孔结构的影响. 结果表明：在5种轴向荷载水平下混掺多尺寸PFRC试件A8的氯离子扩散系数分别降低了93.9%、90.8%、77.5%、63.5%和66.5%，均为降低幅度最大的一组，混掺PFRC的抗渗性能优于素混凝土和单掺PFRC;同时粗细纤维混掺可以形成三维空间网架结构，能在不同阶段产生协同作用，有效地提高混凝土在不同荷载水平作用下的抗渗性能.

　　关键词：聚丙烯纤维混凝土;混掺;抗渗性能;预加荷载;氯离子

　　耐久性能不足是導致混凝土结构服役寿命锐减的主要原因之一，提高结构构件在设计使用年限内的安全性和耐久性，已成为学术界和工程界重点关注的问题[1]. 在氯盐环境中，混凝土构件在荷载作用下产生的损伤微裂纹会成为氯离子的侵入通道，加速混凝土构件内钢筋锈蚀，造成构件耐久性能劣化[2-3]. 研究表明：纤维的掺入可以抑制荷载作用下混凝土裂缝的产生并延缓其发展，能有效提高混凝土的抗氯离子渗透性能，改善其耐久性能[4-5]. 聚丙烯纤维化学性质稳定，与混凝土材料亲和性较好，具有造价低、质轻、摩擦因数高和耐腐蚀等优点，在工程中得到了广泛应用

　　目前，国内外对于聚丙烯纤维混凝土(polypropylene fiber reinforced concrete，PFRC)的抗渗性能已有较多研究. 徐晓雷等[7]研究发现：当聚丙烯纤维体积掺量为0.15%时，对混凝土抗渗性能提升最大. Wang等[8]研究表明：聚丙烯纤维能够显著提高C50高性能混凝土的抗渗性能. 何亚伯等[9]研究表明：当应力比在0.2以下时，氯离子扩散系数出现略微下降;应力比超过0.2时，氯离子扩散系数随荷载增大而增大，而纤维的掺入改善了混凝土裂纹形态及分布，减小了裂纹尖端的应力集中. 孙家瑛[10]研究了植物纤维素纤维和聚丙烯纤维对混凝土在荷载作用下渗透性能的影响，结果表明：在一定荷载范围内，纤维混凝土的抗渗能力有所提高，当荷载超过混凝土破坏荷载30%左右时，其抗渗能力随之下降. 张云国等[11]通过研究发现：未施加荷载时，掺入聚丙烯纤维可以降低混凝土氯离子扩散系数，但施加荷载后聚丙烯纤维无法显著改善混凝土抗氯离子渗透能力. 文献[12]将不同尺寸的聚丙烯纤维按一定比例混掺到混凝土中，试验结果表明：多尺寸聚丙烯纤维能够发挥协调作用，对混凝土抗裂性能提升较为显著，粗细纤维的混掺可在不同时期发挥阻裂效果.

　　综上所述，纤维的掺入可以抑制混凝土裂缝开展，提升混凝土的抗渗性能. 但目前研究多集中于单掺聚丙烯纤维混凝土，对于不同尺寸的聚丙烯纤维混掺对混凝土抗渗性能的影响研究较少，同时对于施加荷载后，聚丙烯纤维对混凝土抗渗性能的提升效果存在争议. 因此，本文选用3种尺寸的聚丙烯纤维进行单掺和不同比例的混掺，通过氯离子渗透试验研究了荷载大小和聚丙烯纤维尺寸对混凝土抗渗性能的影响，并运用压汞法和扫描电镜，探究了混掺多尺寸PFRC的抗渗机理.

　　1 试验概况

　　1.1 试验材料

　　水泥选用P·O 42.5重庆小南海普通硅酸盐水泥. 细骨料选用细度模数为0.8、堆积密度为1 294 kg/m3的特细砂和细度模数为2.9、堆积密度为1 530 kg/m3的天然水洗河砂，二者质量比例为2 ∶ 8. 粗骨料选用粒径为5～10 mm和10～25 mm的石灰石碎石，质量比例为4 ∶ 6，其表观密度分别为2 680 kg/m3和2 690 kg/m3. 減水剂采用聚羧酸减水剂，减水率为15%～30%. 试验采用的两种聚丙烯细纤维(FF1、FF2)和一种聚丙烯粗纤维(CF1)的外观形状如图1所示，性能参数见表1.

　　1.2 配比参数

　　混凝土强度等级为C30，试验基准配合比为：水泥380 kg/m3，水175 kg/m3，砂701 kg/m3，石灰石碎石1 144 kg/m3，减水剂3.8 kg/m3. 根据试验研究及工程经验，细纤维单掺最佳掺量为0.9 kg/m3，粗纤维单掺最佳掺量为6.0 kg/m3. 为保证各组试验结果的可比性，各试验组的配合比保持一致，混掺聚丙烯纤维的总量为6.0 kg/m3. 试验采用3种尺寸的聚丙烯纤维进行单掺及混掺，各组试件纤维掺量见表2.

　　1.3 试验过程

　　1.3.1 NEL氯离子扩散系数试验

　　试验采用NEL氯离子扩散系数法测定聚丙烯纤维混凝土的渗透性能. 该方法是基于离子扩散和电迁移的一种饱盐电导率法，结果可靠性、稳定性较好[13]. 参照《纤维混凝土结构技术规程》[14]，混凝土试件浇筑共两批、第一批9组尺寸为100 mm × 100 mm × 100 mm的立方体试件，每组3个试件. 第一批试件经标准养护28 d后进行混凝土立方体抗压强度测试，各组试件的立方体抗压强度见表3.

　　将第二批尺寸为150 mm × 150 mm × 150 mm立方体混凝土试件，采用单轴加载的方式进行预压，分别施加0、0.2、0.4、0.6、0.8倍的极限抗压荷载. 混凝土承受的轴向荷载水平用λ表示，即混凝土试件承受荷载F与极限荷载Fcu的比值，表达式为：

　　试件取样以0.5 MPa/s的速率将立方体混凝土试件加载至对应荷载并维持荷载30 min后，使用钻芯机垂直于试件受压方向进行钻芯，并使用磨平机打磨试件，在钻芯打磨过程中取试件中间部分，避免表面浮浆层的影响，保证上下表面平整，同时使用千分尺量取试件中心厚度，得到Φ100 mm × 50 mm的试件，将试件放入4 mol/L的NaCl盐溶液中并静置8 h，饱盐后，使用NEL型混凝土渗透性电测仪测量试样的氯离子扩散系数. 真空饱水设备为UJS型智能混凝土真空饱水机，渗透性电测仪为NEL-PEU型混凝土渗透性电测仪. 试验试件制作如图2所示.

　　1.3.2 压汞试验及电镜扫描试验

　　混凝土的孔结构特征直接影响混凝土抗渗性能[15-16]，为研究聚丙烯纤维尺寸和荷载大小对混凝土微观孔结构的影响、探究多尺寸PFRC的抗渗机理，进行了压汞和电镜扫描试验. 压汞试验采用A0、A3、A6、A8四组尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的混凝土立方体试件，分别对各组试件施加λ = 0、λ = 0.4和λ = 0.8的荷载进行120 min预压. 预压后选取完整、无人为损伤、大小约为5 mm的细颗粒，经无水乙醇浸泡处理1 d后取出，在100 ℃恒温烘箱中烘至恒重后，进行压汞试验. 压汞仪选用Pore-master-33型全自动压汞仪.

　　电镜扫描试样取自立方体抗压强度测试后试件中心的碎块，制成大小约为1 cm3的试块，经无水乙醇浸泡、烘干、喷金后，置于TESCAN-7718型电镜扫描仪下观察.

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文章名称： 预加荷载下聚丙烯纤维混凝土抗渗机理研究

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