復合鹽蝕環境下混雜纖維混凝土的抗滲性研究

張愛菊，李子成，李志宏

（1.石家莊鐵路職業技術學院 河北省高校建筑結構應用技術研發中心，河北 石家莊 050041；2.天津大學 先進陶瓷與加工技術教育部重點實驗室，天津 300072）

0 引言

隧道已經成為四通八達交通網絡中必不可少的結構工程，然而在某些隧道及地下等潮濕環境的工程，由于圍巖地下水各種離子及壓力差的存在，滲水是隧道常見的工程病害之一[1]。隧道工程中混凝土包括圍巖表面的初襯噴射混凝土和二襯澆筑混凝土，其中二襯混凝土是隧道工程防滲抗裂的重要防線之一，因此需要混凝土具備良好的防水抗滲能力。混凝土是由粗細骨料及水泥等膠凝材料體系凝結硬化成的復合材料，在凝結硬化過程中不可避免的會形成孔隙及微觀缺陷。纖維材料具有良好的阻裂作用，在混凝土的膠結材料中加入纖維能夠有效減少微裂紋的產生及擴展，優化混凝土材料的微觀結構，從而改善混凝土的性能。

纖維能有效提高混凝土的力學性能及耐久性，其中包括鋼纖維[2]、玻璃纖維[3]、聚丙烯纖維[4]、玄武巖纖維[5]及碳纖維[6]等各類單一纖維混凝土。然而單摻纖維對混凝土性能的改善存在局限性。因此近幾年采用纖維增強混凝土性能的研究重點更傾向于不同種類及尺寸的混雜纖維，由此出現了鋼纖維-聚丙烯纖維混雜[7]、玄武巖纖維-聚丙烯纖維混雜[8]、玻璃纖維-聚丙烯纖維混雜[9]、纖維素纖維-聚乙烯醇纖維混雜[10]等，其中鋼-聚丙烯混雜纖維及玄武巖-聚丙烯混雜纖維綜合了不同類型纖維的高強度、高韌性等優點，成為混雜纖維混凝土研究領域的關注熱點。然而，基于實際服役環境下對混雜纖維混凝土抗滲性的研究鮮見報道，同時缺乏不同混雜纖維對混凝土抗滲性改變效果的對比數據。基于此，本文依托四川省巴萬高速公路隧道工程，研究了鋼纖維（SF）、玄武巖纖維（BF）以及聚丙烯纖維（PF）混雜方式及摻量對復合鹽溶液侵蝕后混凝土滲水高度及氯離子含量的影響。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：鼎鑫P·O42.5水泥，標準稠度用水量28.4%，28 d抗壓強度51.3MPa；粗骨料：5～31.5mm連續級配天然碎石，表觀密度2.75 g/cm3；細骨料：天然河砂，細度模數2.8，中砂，表觀密度2.63 g/cm3；粉煤灰：煤電廠的優質Ⅰ級粉煤灰，比表面積645 m2/kg；減水劑：聚羧酸系高性能減水劑，減水率32%；復合鹽溶液：參考項目所在地的地下水離子含量配制復合鹽侵蝕溶液，含6%NaCl、5%Na2SO4及2%NaHCO3的混合溶液；纖維：波浪線鋼纖維、束狀單絲聚丙烯纖維、短切玄武巖纖維，主要技術性能見表1。

表1 鋼纖維、聚丙烯纖維及玄武巖纖維的技術性能

1.2 試驗配比

不摻纖維的素混凝土編號為OC，配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（砂）∶m（石）∶m（水）∶m（減水劑）=420∶75∶630∶1470∶173∶4.95，在此基礎上摻加纖維，混雜纖維混凝土編號及纖維體積摻量見表2。

表2 混雜纖維混凝土編號及纖維摻量

1.3 試驗方法

混雜纖維混凝土拌合物利用強制式攪拌機拌合，采用先干拌后濕拌的攪拌工藝。

滲水試驗依據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標準》，制作抗滲圓臺體試件，每組6個，標準條件養護至28 d，然后采用干濕交替方式進行復合鹽溶液侵蝕。室溫下在復合鹽溶液浸泡16 h，60℃烘干8 h為1個周期，侵蝕周期60次，侵蝕期間定期補液，侵蝕結束后60℃烘干72 h冷卻至室溫進行滲水試驗。抗滲性采用HP-4.0型混凝土抗滲儀測試，水壓一次增加至（1.20±0.05）MPa保持24 h，然后將試件劈開測試滲水高度。

氯離子含量試驗參照JGJ/T 322—2013《混凝土中氯離子含量檢測技術規程》進行，成型100 mm×100 mm×100 mm立方體混凝土試件，成型后標準條件養護28 d，待表面自然干燥后選取1個非成型面作侵蝕面，其它各面涂覆石蠟密封，然后采用上述干濕交替方式進行復合鹽溶液侵蝕，侵蝕周期為60 d和120 d，侵蝕期間定期補液，侵蝕結束后60℃烘干72 h冷卻至室溫。采用混凝土打磨機從侵蝕表面每2 mm深度分層取粉，經研磨、過篩、干燥后用于氯離子含量測試，試驗儀器為NJCL-H型氯離子含量檢測儀。

2 結果與討論

2.1 復合鹽侵蝕后SF-PF混凝土的滲水高度（見表3）

表3 復合鹽侵蝕后SF-PF混凝土的滲水高度 mm

由表3可見：

（1）摻入鋼-聚丙烯混雜纖維后混凝土的滲水高度呈整體減小的趨勢，說明鋼-聚丙烯混雜纖維的摻入能夠有效提升混凝土的抗滲性。

（2）在鋼纖維摻量為0.4%時，聚丙烯纖維摻量分別為0.1%、0.2%、0.3%的混雜纖維混凝土的滲水高度較素混凝土分別減小了6.2%、24.4%、26.7%，抗滲性提升幅度先增大后減小。在鋼纖維摻量分別為0.6%和0.8%時，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，混凝土的抗滲性變化趨勢與以上一致。聚丙烯纖維的適宜摻量為0.2%～0.3%。

（3）在聚丙烯纖維摻量為0.1%時，鋼纖維摻量分別為0.4%、0.6%、0.8%的混雜纖維混凝土的滲水高度較素混凝土分別減小了6.2%、11.6%、0.8%，表明鋼纖維摻量過多時混凝土的抗滲性提升程度變小，在聚丙烯纖維摻量為0.2%和0.3%時，滲水高度的變化規律與以上結果相似。鋼纖維的適宜摻量為0.6%左右，鋼纖維摻量過大時會導致混凝土抗滲性下降。由此得出，經過復合鹽侵蝕作用，鋼纖維與聚丙烯纖維混雜有效降低混凝土的滲水高度，以0.6%鋼纖維+0.2%聚丙烯纖維混雜摻入混凝土，其抗滲性能最佳，滲透深度較素混凝土減小32.1%。

（4）對比發現，聚丙烯纖維比鋼纖維對混凝土抗滲性的影響程度更大。

2.2 復合鹽侵蝕后BF-PF混凝土的滲水高度（見表4）

表4 復合鹽侵蝕后BF-PF混凝土的滲水高度 mm

由表4可見：

（1）摻入玄武巖-聚丙烯混雜纖維使得混凝土的滲水高度減小，抗滲性提高。

（2）當玄武巖纖維摻量為0.10%時，隨聚丙烯纖維摻量增加，混凝土的滲水高度逐漸減小；當玄武巖纖維摻量為0.15%和0.20%時，隨聚丙烯纖維摻量的增加，混凝土的滲水高度先顯著減小后稍有增大。聚丙烯纖維摻量為0.10%～0.15%時較合適，摻量過多會導致混凝土抗滲性的提升程度變緩。

（3）當聚丙烯纖維摻量為0.05%時，隨玄武巖纖維摻量增加，混凝土的滲水高度逐漸減小；當聚丙烯纖維摻量為0.10%和0.15%時，隨玄武巖纖維摻量的增加，混凝土的滲水高度先減小后增大。說明玄武巖纖維摻量也不宜過多，較合適的摻量為0.15%～0.20%。

（4）當玄武巖纖維摻量為0.10%時，聚丙烯纖維摻量分別為0.05%、0.10%、0.15%的混雜纖維混凝土滲水高度較素混凝土分別減小了5.6%、25.0%、30.0%；當聚丙烯纖維摻量為0.05%，玄武巖纖維摻量分別為0.10%、0.15%、0.20%的混雜纖維混凝土滲水高度較素混凝土分別減小了5.6%、13.7%、18.4%。說明與玄武巖纖維相比，聚丙烯纖維對混凝土抗滲性的改善作用更大。

（5）在BF-PF混凝土中，0.15%BF+0.10%PF混凝土的滲水高度最小，較素混凝土減小了36.9%；在SF-PF混凝土中，0.6%SF+0.2%PF混凝土的滲水高度最小，較素混凝土減小了32.1%。說明SF-PF混雜和BF-PF混雜都能有效改善混凝土的抗滲性，同時纖維摻量是關鍵因素之一，在最優纖維摻量下，BF-PF混雜對混凝土抗滲性的改善效果略優于SF-PF混雜。

SF-PF混雜和BF-PF混雜能夠有效提高混凝土的抗滲性，究其原因，一方面，混雜纖維減少了混凝土內部原生裂縫的數量，并有效抑制了裂紋的擴展。這是由于纖維的存在使混凝土內部水分遷移困難，干燥收縮程度減小，同時纖維能有效防止粗骨料沉降，保持混凝土整體均勻性，進一步降低收縮。此外，不同種類及尺度的混雜纖維在混凝土內部呈立體三維網絡分布，產生疊加強化效應，從而起到限縮阻裂效應。另一方面，混雜纖維優化了混凝土內部的孔結構。不同種類及尺度的混雜纖維在混凝土基體中均勻分布形成三維空間網絡結構，有效阻斷孔道的連續性，抑制連通孔的產生，增加孔道的曲折度，降低孔隙的連通性，從而提高混凝土的抗滲性。但是要控制混雜纖維的摻量，當纖維摻量過高時，纖維間較易發生結團重疊，導致混凝土整體均勻性密實度降低，進而造成混凝土抗滲性的降低。

另外，在最優纖維摻量下，BF-PF混雜對混凝土抗滲性的改善效果略優于SF-PF混雜。這可能是由不同纖維的自身特性引起的，鋼纖維屬于金屬材料，而玄武巖纖維是硅酸鹽礦物，其與混凝土的水泥膠結體系具有更好的相容性和粘結性，因此BF-PF混凝土的微觀結構得以進一步優化，抗滲性增強。

2.3 復合鹽侵蝕后混雜纖維混凝土的氯離子含量

圖1為復合鹽侵蝕60d和120 d的素混凝土和混雜纖維混凝土內部氯離子含量分布。

圖1 復合鹽侵蝕后混雜纖維混凝土內部氯離子含量

由圖1可以看出，素混凝土相同深度的氯離子含量最高，侵蝕60 d時，OC、S6P2、B2P2的氯離子含量穩定深度分別在12、10、10 mm左右。侵蝕120 d時，OC、S6P2、B2P2氯離子含量穩定深度分別在16、12、10mm左右。說明侵蝕過程使素混凝土性能劣化明顯，氯離子的滲透深度增大。混雜纖維混凝土的抗氯離子侵蝕能力明顯高于素混凝土，隨著侵蝕周期延長，鋼-聚丙烯纖維混凝土氯離子含量穩定深度略有增加，玄武巖-聚丙烯纖維混凝土穩定深度基本不變。說明混雜纖維的存在利于細化混凝土微觀結構，提高致密度，尤其在復合鹽的侵蝕環境下混雜纖維對阻礙氯離子滲透具有積極效果。BFPF混凝土在侵蝕60 d和120 d相同深度氯離子含量值較接近，說明BF-PF混雜比SF-PF混雜對阻礙氯離子侵蝕更有優勢。

在復合鹽干濕交替侵蝕過程中，Cl-、SO42-、HCO3-通過擴散、毛細作用向混凝土基體材料滲透，適宜的混雜纖維種類及摻量有效減少混凝土內部原生裂紋數量及優化混凝土內部孔結構，復合鹽溶液HCO3-的碳化作用生成CaCO3沉淀，沉積于水泥基體內部孔隙，改善混凝土內部孔隙結構，提高混凝土的抗滲性。

3 結論

（1）經復合鹽溶液侵蝕后，與素混凝土相比，鋼-聚丙烯和玄武巖-聚丙烯混雜纖維能降低混凝土的滲水高度，提高混凝土抗滲性。

（2）經復合鹽溶液侵蝕后，在BF-PF混凝土中，0.15%BF+0.10%PF混凝土的滲水高度最小，較素混凝土減小了36.9%；在SF-PF混凝土中，0.6%SF+0.2%PF混凝土的滲水高度最小，較素混凝土減小了32.1%。BF-PF混雜比SF-PF混雜對改善混凝土抗滲性更顯著。通過對比滲水高度的下降比例發現，聚丙烯纖維較鋼纖維、玄武巖纖維對混凝土抗滲性的影響更明顯。

（3）復合鹽侵蝕環境下，混雜纖維有效阻礙氯離子向混凝土滲透，抗氯離子滲透性排序：玄武巖-聚丙烯纖維混凝土>鋼-聚丙烯纖維混凝土>素混凝土。