溫濕耦合循環(huán)作用下纖維混凝土的耐久性能變化

李霞

（山西工程職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030013）

0 引言

混凝土廣泛應(yīng)用于土木工程的各行業(yè)中，如建筑、大壩、隧道和橋梁等。不同行業(yè)對混凝土性能的要求有所不同，這主要是因?yàn)榛炷了幍沫h(huán)境不同。研究者對不同環(huán)境下混凝土性能進(jìn)行了分析研究，金瀏等[1]考慮高溫下細(xì)觀組分力學(xué)性能退化效應(yīng)及率效應(yīng)的影響，建立了高溫作用下混凝土動態(tài)壓縮破壞行為及應(yīng)變率效應(yīng)研究的細(xì)觀尺度數(shù)值分析模型。王明年等[2]研究了不同火災(zāi)高溫作用對隧道襯砌混凝土損傷的影響程度。劉宗輝等[3]分析了不同溫度后全輕混凝土單軸受壓疲勞性能。陳宗平等[4]以溫度、再生粗骨料取代率、混凝土強(qiáng)度為變化參數(shù)，觀察了高溫后試件的受力破壞過程。李偉民等[5]通過不同含氣量混凝土的凍融循環(huán)試驗(yàn)，對凍融后混凝土的抗凍性能進(jìn)行分析。時旭東等[6]探討不同強(qiáng)度等級混凝土在低溫凍融循環(huán)作用下彈性模量的變化。董偉等[7]研究粉煤灰再生混凝土的碳化規(guī)律，并建立碳化預(yù)測模型。吳必良等[8]采用非洲凝灰?guī)r和火山渣2種天然火山灰質(zhì)材料，研究了其對混凝土抗碳化性能的影響。曹雁峰等[9]研究不同摻合料對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響。牛建剛和王瀟鵬[10]采用快速氯離子遷移系數(shù)法對塑鋼纖維輕骨料混凝土的氯離子滲透性進(jìn)行研究。錢曉倩等[11]研究了相對濕度對混凝土和砂漿收縮率和收縮規(guī)律的影響。不同外界環(huán)境對混凝土的性能有不同的影響，且通常情況下混凝土所處的環(huán)境并不是單一環(huán)境，因此必須要分析耦合環(huán)境下混凝土的性能變化。丁楊等[12]通過仿真模擬，分析了多場耦合作用下的混凝土性能變化。沈晴晴等[13]運(yùn)用大型有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行了足尺門框構(gòu)件的熱-結(jié)構(gòu)耦合模擬分析。李榮濤和Christopher[14]考慮熱濕影響，分析了氯鹽侵蝕下混凝土中多相傳輸與相變模擬。逯靜洲等[15]研究了混凝土結(jié)構(gòu)荷載與環(huán)境耦合作用下混凝土性能劣化時的變化規(guī)律。劉宇森等[16]分析了不同溫度、濕度的耦合作用下，界面力學(xué)性能及粘結(jié)耐久性能的變化規(guī)律。

從上述研究成果可知，耦合環(huán)境作用下的混凝土性能與單一環(huán)境下的性能存在明顯差異。本文對混凝土進(jìn)行溫濕度耦合循環(huán)試驗(yàn)，分析混凝土抗壓強(qiáng)度、抗氯離子侵蝕和抗碳化性能的變化規(guī)律，同時在混凝土中摻加2%聚乙烯纖維來提高混凝土的耐久性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·O42.5R水泥，主要化學(xué)成分如表1所示；石：粒徑6~14 mm，堆積密度1326 kg/m3，表觀密度2166 kg/m3，壓碎指標(biāo)6%；粗砂：粒徑≤6 mm，堆積密度1472 kg/m3，表觀密度3259 kg/m3；水：蒸餾水；聚乙烯纖維：山東菖源新材料科技有限公司提供，型號為1500D，直徑約18μm，密度1.34 g/cm3，抗拉強(qiáng)度1500 MPa。

表1 水泥的主要化學(xué)成分 %

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

恒溫恒濕箱：HWS-1200，江蘇天翎儀器有限公司生產(chǎn)；萬能試驗(yàn)機(jī)：河北中毅達(dá)科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)；氯離子滲透儀：青島明博環(huán)保科技有限公司生產(chǎn)；碳化箱：南京安奈試驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)；導(dǎo)熱系數(shù)測試儀：DRJ-II，常州三豐儀器科技有限公司生產(chǎn)；掃描電鏡：費(fèi)爾伯恩精密儀器（上海）有限公司生產(chǎn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

本研究中，普通混凝土配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（砂）∶m（石）∶m（水）=130∶159.5∶323∶57.2，在此基礎(chǔ)上摻加2%聚乙烯纖維（體積摻量）制備聚乙烯纖維混凝土。根據(jù)配合比配制混凝土試件，成型后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)（溫度25℃、相對濕度98%以上）。養(yǎng)護(hù)28 d后放入恒溫恒濕箱中進(jìn)行溫濕度耦合循環(huán)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方案為：首先將混凝土試塊放入恒定溫度為20℃、相對濕度為90%的環(huán)境下2 h；然后調(diào)節(jié)溫度為60℃、相對濕度為60%，在此環(huán)境下2 h，以此為1個溫濕度耦合循環(huán)。在分別循環(huán)0、30、60、90、120次后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，將試件放入氯離子滲透儀中2 h后進(jìn)行抗氯離子侵蝕性能測試，放入碳化箱中碳化2 h后進(jìn)行碳化性能測試，采用導(dǎo)熱系數(shù)測試儀測試混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，采用掃描電鏡分析聚乙烯纖維混凝土在不同循環(huán)次數(shù)時的微觀形貌。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 溫濕度耦合循環(huán)對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響（見表2）

表2 溫濕度耦合循環(huán)對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由表2可以看出：

（1）隨著循環(huán)次數(shù)的增加，2種混凝土的抗壓強(qiáng)度均逐漸降低，并且當(dāng)循環(huán)次數(shù)超過60次時，降幅明顯增大。這是因?yàn)樵跍貪穸妊h(huán)作用下，混凝土內(nèi)外表面會出現(xiàn)溫差，從而破壞混凝土結(jié)構(gòu)。

（2）摻加聚乙烯纖維可提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，循環(huán)次數(shù)為0、30、60、90、120次時，聚乙烯纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為普通混凝土的1.11、1.15、1.19、1.29、1.39倍。

（3）聚乙烯纖維能夠有效提高混凝土抗溫濕度循環(huán)作用，當(dāng)循環(huán)30、60、90、120次時，普通混凝土的抗壓強(qiáng)度較循環(huán)0次時分別降低了6.09%、12.18%、24.36%、35.36%，而聚乙烯纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度較循環(huán)0次時則分別降低了2.73%、6.51%、12.18%、19.11%。這是因?yàn)樵诨炷林袚饺肜w維能夠降低混凝土的塑性流動，減少收縮微裂紋。

2.2 溫濕度耦合循環(huán)對混凝土抗氯離子滲透性能的影響（見表3）

表3 溫濕度耦合循環(huán)對混凝土抗氯離子滲透性能的影響

由表3可以看出：

（1）隨著循環(huán)次數(shù)的增加，2種混凝土的滲透深度均逐漸增大，并且當(dāng)循環(huán)次數(shù)超過60次后，增幅明顯提高。

（2）摻加聚乙烯纖維能降低混凝土的滲透深度，循環(huán)次數(shù)為0、30、60、90、120次時，聚乙烯纖維混凝土的滲透深度分別為普通混凝土的56.2%、52.6%、54.5%、57.7%、61.3%。聚乙烯纖維能夠有效提高混凝土抗溫濕度循環(huán)作用，這是因?yàn)榫垡蚁├w維的直徑和長度都很小，能夠填充混凝土內(nèi)部之間的空隙，從而使得混凝土的抗氯離子侵蝕性能提高。

2.3 溫濕度耦合循環(huán)對混凝土抗碳化性能的影響（見表4）

表4 溫濕度耦合循環(huán)對混凝土碳化深度的影響

由表4可以看出：

（1）隨著循環(huán)次數(shù)的增加，2種混凝土的碳化深度均逐漸增大，并且當(dāng)循環(huán)次數(shù)超過60次后，增幅明顯提高。

（2）摻加聚乙烯纖維能降低混凝土的碳化深度，循環(huán)次數(shù)為0、30、60、90、120次時，聚乙烯纖維混凝土的碳化深度分別為普通混凝土的36.4%、35.7%、41.2%、42.8%、46.2%。

2.4 溫濕度耦合循環(huán)對混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響（見表5）

表5 溫濕度耦合循環(huán)對混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由表5可以看出：

（1）隨著循環(huán)次數(shù)的增加，2種混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)均逐漸增大，并且當(dāng)循環(huán)次數(shù)超過60次后，增幅明顯提高。

（2）摻加聚乙烯纖維能降低混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，循環(huán)次數(shù)為0、30、60、90、120次時，聚乙烯纖維混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)分別為普通混凝土的80.3%、78.8%、78.2%、77.7%、77.4%。

2.5 微觀分析

聚乙烯纖維混凝土在循環(huán)30、60、90、120次時SEM照片見圖1。

圖1 聚乙烯纖維混凝土在循環(huán)30、60、90、120次時SEM照片

由圖1可見，隨著溫濕度耦合循環(huán)作用次數(shù)的增加，纖維混凝土的微觀孔直徑逐漸增大，混凝土內(nèi)部已發(fā)生破壞，從而使得混凝土的耐久性能變差。

3 結(jié)論

（1）隨著溫濕度耦合循環(huán)次數(shù)的增加，2種混凝土的抗壓強(qiáng)度均逐漸降低，并且當(dāng)循環(huán)次數(shù)超過60次后，降幅明顯增大；滲透深度、碳化深度和導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大，并且當(dāng)循環(huán)次數(shù)超過60次后，增幅明顯提高。

（2）摻加聚乙烯纖維可提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，降低滲透深度、碳化深度和導(dǎo)熱系數(shù)，循環(huán)次數(shù)為0次時，聚乙烯纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度為普通混凝土的1.11倍，滲透深度、碳化深度和導(dǎo)熱系數(shù)分別為普通混凝土的56.2%、36.4%、80.3%。