干濕交替機制下PVA纖維增強混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能試驗研究

馬 楠， 王 琳， 李迎樂

(1. 鄭州經貿學院土木建筑學院，河南 鄭州 451191; 2. 西南交通大學建筑與設計學院，四川 成都 610000;3. 機械工業第六設計研究院有限公司，河南 鄭州 450052)

0 引 言

硫酸鹽侵蝕是影響混凝土耐久性的重要因素之一，在我國西北地區的鹽漬土環境中存在著高濃度的硫酸根離子，長年對該地區的混凝土建筑物造成侵蝕，嚴重危害建筑物的安全性和使用年限[1-2]。因此，眾多研究人員對如何增強混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能進行了研究，王振山等[3]研究了不同摻量的玄武巖纖維混凝土抗硫酸鹽侵蝕的性能，結果表明適量的玄武巖纖維能夠降低混凝土內部的孔隙率，增強混凝土抗硫酸鹽侵蝕；李藝等[4]研究表明混雜纖維對混凝土抗硫酸鹽侵蝕有著明顯的改善作用；白應華等[5]研究了堿礦渣對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的研究，結果表明堿礦渣能夠較多地吸附侵蝕溶液中的硫酸根離子；白春等[6]通過研究塑鋼纖維橡膠混凝土的硫酸鹽侵蝕環境下的力學性能和質量等表現，發現塑鋼纖維能在一定程度上抑制混凝土內部的劣化損失，提升其抗硫酸鹽侵蝕性能；喬宏霞等[7]對玄武巖機制砂混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能進行了研究，得出由于玄武巖機制砂自身具有耐侵蝕性且含有少量的石粉有利于提升混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能；黃斌等[8]研究發現摻量在20%以內的廢棄石粉混凝土各項耐久性能表現良好，有效提高了混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能；宋洋等[9]研究表明粉煤灰混凝土在硫酸鹽侵蝕環境下能較好保持其強度。

相關研究表明[10-12]：通過在混凝土基體中摻入一定量纖維制備成纖維混凝土，其作為一種新型復合材料不僅能夠抑制混凝土的開裂、改善其脆性，同時能較為頻繁承受環境與荷載的雙重作用，已廣泛應用于工程實踐。目前對無機纖維混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的研究較多，但對PVA纖維混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的相關研究較少，PVA纖維具有高長徑比、高抗拉強度，相對高的彈性模量，較大延伸率，抗酸堿性能好，與水泥有著較高的化學黏結力，且PVA纖維的高抗拉強度使其能維持初裂應力，與混凝土基體的高黏結強度保證了高抗拔能力[13-14]。

本文通過對不同摻量的PVA纖維混凝土進行干濕交替下硫酸鹽侵蝕性能研究并與普通混凝土進行對照，探討PVA纖維對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響，以期為相關工程實踐提供理論支撐。

1 試驗概況

1.1 原材料

水泥采用P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥。石子采用粒徑為5～ 20 mm的碎石。砂子采用天然河砂，細度模數為2.65，屬于中砂。硫酸鹽采用煙臺市雙雙化工有限公司生產的分析純·AR型無水硫酸鈉。PVA纖維：山東魯纖建材科技有限公司生產，其物理力學性能參數見表1。減水劑采用減水率為37%的HPWR型高性能減水劑。水為自來水。

表1 PVA纖維物理力學性能參數

1.2 配合比設計

依據JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》，設計混凝土的強度等級為C40，并根據工作性確定減水劑摻量，試驗設計的PVA混凝土具體配合比如表2所示。

表2 PVA混凝土配合比 kg/m3

1.3 試件制作及試驗方案

采用強制式攪拌機制作試件，先將稱量好的石子和砂子混合干拌90 s，然后倒入PVA纖維繼續干拌 90 s，接著加入水泥繼續干拌 120 s，最后加入水和減水劑攪拌120 s，制作完成試件。抗壓強度及劈裂抗拉強度試驗每組各制作3個100 mm×100 mm×100 mm立方體試件，放入室溫為(20±2)℃的不流動的飽和氫氧化鈣溶液中養護28 d。

本試驗硫酸鹽溶液濃度為5%，具體操作步驟按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行，干濕交替一次時間為 24 h，干濕比為3∶1，每 15次干濕交替測試試件的質量和相對動彈性模量并進行抗壓強度、劈裂抗拉強度試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 質量

PVA纖維混凝土試件隨干濕交替次數變化質量值如圖1所示。由圖可以看出，PVA纖維混凝土的質量隨干濕交替次數變化規律主要分為兩個階段，即先迅速增大然后迅速下降或振蕩下降。C-1、C-2、C-3組試件在干濕交替45次之前質量均迅速增長，C-4、C-6、C-7組試件在干濕交替60次之前質量均迅速增長，C-5組試件質量在干濕交替75次之前質量均增長，這是由于侵蝕前期硫酸根離子與水泥水化發生化學反應產生膨脹性侵蝕物質，使得試件內部孔隙得到填充。其中C-1組和C-5組試件質量最大增幅分別為8.92%和9.83%。之后各組試件質量迅速下降或振蕩下降，這是由于試件受侵蝕作用大面積砂化且局部發生剝落，使得試件內部產生損傷，導致質量下降，其中C-1組和C-5組試件在干濕交替120次時相較于未經硫酸鹽侵蝕時質量分別降低8.65%和3.34%。

圖1 PVA纖維混凝土試件質量

2.2 抗壓和劈裂抗拉強度

PVA纖維混凝土試件隨干濕交替次數變化抗壓強度和劈裂抗拉強度如圖2(a)和圖2(b)所示。

圖2 PVA纖維混凝土隨干濕交替次數抗壓強度和劈裂抗拉強度變化規律

從圖2可以看出，各組試件抗壓強度和劈裂抗拉強度隨著干濕交替的進行呈現先增長后降低的趨勢。C-1、C-2和C-3組試件均在干濕交替45次試抗壓強度達到峰值，分別為 46.2 MPa、47.5 MPa和48.9 MPa，各組相較于未經干濕交替的試件抗壓強度分別增長7.94%、8.94%和8.19%；C-1、C-2和C-3組試件劈裂抗拉強度均在干濕交替30次時達到峰值，分別為 4.68 MPa、4.76 MPa和 4.89 MPa，各組相較于未經干濕交替的試件劈裂抗拉強度分別增長5.17%、3.7%和3.82%；C-4組試件抗壓強度和劈裂抗拉強度分別在干濕交替60次和45次時達到峰值，分別為 53.8 MPa和 5.01 MPa，相較于未經干濕交替的試件抗壓強度和劈裂抗拉強度分別增長12.32%和3.94%；C-5組試件抗壓強度和劈裂抗拉強度的峰值出現時間最遲，分別在干濕交替75次和 60次時出現，分別為 57.1 MPa和 5.76 MPa，相較于未經干濕交替的試件抗壓強度和劈裂抗拉強度分別增長9.18%和7.46%；C-6組試件抗壓強度和劈裂抗拉強度分別在干濕交替60次和30次試達到峰值，相較于未經干濕交替的試件分別增長5.22%和6.22%；C-7組試件抗壓強度和劈裂抗拉強度在干濕交替45次和15次即達到峰值，分別增長3.22%和4.01%。

由圖2可以看出，上述各組試件抗壓強度和劈裂抗拉強度達到峰值之后隨著干濕交替的繼續進行，抗壓強度和劈裂抗拉強度逐漸降低，當干濕交替進行到120次時，C-1～ C-7組試件抗壓強度相較于各自未經干濕交替的試件分別降低17.06%、13.07%、14.6%、16.08%、7.46%、15.06%和20.1%，劈裂抗拉強度相較于各自未經干濕交替的試件分別降低14.83%、15.9%、15.29%、11.41%、7.83%、9.7%和19.83%。

綜上所述，可以看出：1）對于未經干濕交替的試件，PVA纖維摻入混凝土中能夠在一定程度上提升混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度，當PVA纖維摻量為2.0 kg/m3時，強度表現最佳，相較未摻PVA纖維的混凝土，抗壓強度和劈裂抗拉強度分別增長22.2%和20.45%；2）PVA纖維能夠提升混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能且在一定程度上延遲硫酸根離子對試件內部的破壞，這是由于PVA纖維在混凝土內部有著良好的阻裂效果，可以有效延緩硫酸根離子的侵蝕，起到抑制混凝土開裂的作用[15]；3）綜合PVA纖維混凝土在硫酸鹽侵蝕環境中不同干濕交替周期下C-5組試件表現最佳。

2.3 抗壓和劈裂抗拉強度耐蝕系數

抗壓強度和劈裂抗拉強度耐蝕系數是評定混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的重要指標，計算方式按下式進行：

式中：K——抗壓強度或劈裂抗拉強度耐蝕系數；

fn——n次干濕交替后試件的抗壓強度或劈裂抗拉強度，MPa；

K值越大表明試件抗硫酸鹽侵蝕性能越強。圖3為各組試件的抗壓強度和劈裂抗拉強度耐蝕系數計算結果。由圖3（a）可以看出，各組試件的抗壓強度耐蝕系數隨著干濕交替的進行呈現先增長后降低的趨勢，這表明在干濕交替前期，試件具有一定的抗硫酸鹽侵蝕能力。當干濕交替進行至90次時，C-1、C-2、C-3和C-6組試件的抗壓強度耐蝕系數值低于1，表明此時上述4組試件內部劣化程度較為嚴重，抗硫酸鹽侵蝕能力較低；當干濕交替進行至75次時，C-7組試件抗壓強度耐蝕系數低于1；當干濕交替進行至105次時，C-4組和C-5組試件抗壓強度耐蝕系數低于1；當干濕交替進行至120次時，C-1組～ C-7組試件抗壓強度耐蝕系數值分別為0.8294、0.8693、0.854、0.8392、0.9254、0.8494、0.8326。

圖3 PVA纖維混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度耐蝕系數隨干濕交替次數變化規律

由圖3（b）可知，各組試件的劈裂抗拉強度耐蝕系數隨著干濕交替的進行與抗壓強度耐蝕系數表現整體上較為一致，這里不在進行贅述。不同的是，相較于抗壓強度耐蝕系數值，各組試件的劈裂抗拉強度耐蝕系數值降低更快，這表明PVA纖維對硫酸鹽侵蝕環境下干濕交替作用中試件抗壓強度的增強效應比劈裂抗拉強度大。

綜上所述可知，適量的PVA纖維摻入混凝土中有利于提升其抗硫酸鹽侵蝕性能，在一定程度上延緩硫酸根離子對混凝土的侵蝕破壞，當過量的PVA纖維反而效果不佳。

2.4 相對動彈性模量

相對動彈性模量是評定混凝土劣化程度的重要指標，采用超聲波測定儀測試聲速法計算試件的相對動彈性模量，計算方法如下式所示：

式中：E——試件的相對動彈性模量；

T0——未受侵蝕試件的超聲波聲時，s；

Tt——侵蝕齡期t天試件的超聲波聲時，s。

當E>1時，表明試件的內部孔隙結構得到改善；當E<1時，表明試件受侵蝕程度增強，孔隙增多。硫酸鹽侵蝕環境中干濕交替作用下的各組試件相對動彈性模量變化規律如圖4所示，可以看出各組試件的相對動彈性模量均呈現先增長后降低的趨勢，經過120次的干濕交替，C-1～ C-7組試件相對動彈性模量降幅分別為30.2%、27.4%、24.4%、13.6%、10.6%、26.6%、31.6%。由此可以看出，C-5組試件在硫酸鹽侵蝕環境中干濕交替作用下，試件的劣化損傷程度最小，C-7組的相對動彈性模量與C-1組較為接近，但略小于普通混凝土，這表明其劣化損傷程度比普通混凝土嚴重。

圖4 PVA混凝土相對動彈性模量隨干濕交替次數變化規律

3 SEM微觀分析

為了深入研究各組試件在硫酸鹽侵蝕環境中干濕交替作用下的侵蝕機理，選擇C-1組和C-5組試件在干濕交替0次和120次核心部分進行SEM電鏡掃描，如圖5、圖6所示。

圖5 C-1組不同干濕交替次數下的試件微觀

圖6 C-5組不同干濕交替次數下的試件微觀

綜合圖5和圖6可以看出，未經干濕交替的試件表面覆蓋有稠密的刺狀或球狀物質，這些物質主要是水泥水化基質(C-S-H凝膠)，當試件承受外部荷載可以與水泥基質形成一定的機械咬合力，因此分散在試件內部的單根纖維作用與鋼筋類似，起到二次微加筋的作用，同時纖維交互形成了三維網狀結構以及纖維的橋接作用加強了纖維與基體的粘結，有效提升了試件的力學性能[12]。但過量的纖維摻入混凝土中會出現纖維結團現象，降低了混凝土的密實度，影響纖維與基體充分粘結，試件內部缺陷增加，最終導致試件的強度下降。伴隨著干濕交替的開始，侵蝕介質中的硫酸根離子經由內部孔隙滲透進入試件內部，與水泥水化產物發生反應生成石膏、鈣礬石等膨脹性物質并且含量不斷增加，同時侵蝕過程中析出的鹽類結晶也不斷增加，在侵蝕的初始階段這些產物能夠與混凝土基體共同作用，即在某種程度上成為混凝土骨架的一部分，改善了試件的力學性能。但由于持續的硫酸鹽侵蝕作用，試件內部慢慢沒有足夠的孔隙容納這些持續產生的膨脹物和鹽，導致試件內部產生很大的應力，使得混凝土內部產生裂縫，并隨著時間的推移加速擴展，因此，隨著干濕交替的進行，試件劣化程度越來越嚴重，抗硫酸鹽侵蝕性能降低。

4 結束語

1）在硫酸鹽侵蝕環境中，隨著干濕交替的進行，試件質量、抗壓強度、劈裂抗拉強度和相對動彈性模量均呈現先增長后降低的趨勢。

2）PVA纖維摻入混凝土中能有效提升混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能，延緩硫酸根離子對試件的侵蝕作用。當PVA纖維摻量為2.0 kg/m3時，對混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能提升效果最為明顯，抗壓強度和劈裂抗拉強度相較于其他6組未受侵蝕的試件增幅最大。

3）摻入PVA纖維對提升混凝土抗壓強度的效果相較于劈裂抗拉強度更佳，通過對試件抗壓強度和劈裂抗拉強度耐蝕系數和相對動彈性模量的分析可知，摻入PVA纖維能夠與混凝土基體有著很好的相容性且劣化程度相對普通混凝土較低。從提升混凝土在硫酸鹽侵蝕環境中干濕循環作用下綜合性能角度考慮，最佳PVA纖維摻量為2.0 kg/m3。

4）基于SEM微觀分析可知，PVA纖維摻入混凝土中能使內部結構得到明顯的改善，在硫酸鹽侵蝕環境中干濕交替初始階段侵蝕產物主要是石膏和鈣礬石，同時析出鹽共同填充了試件內部空隙，隨著干濕交替的進行試件內部沒有足夠的孔隙容納這些生成物，應力增大導致力學性能降低，劣化程度嚴重。