動態疲勞荷載下玄武巖纖維混凝土抗滲性衰減及機理研究

郭寅川，謝 波，周利超，趙子豪，黃 煒

(1.長安大學公路學院，西安 710064；2.中交路橋華南工程有限公司，中山 528405；3.空后代建辦，北京 100035)

0 引 言

公路水泥混凝土構造物多裸露于自然環境中，在服役期氯鹽、硫酸鹽等侵蝕性離子不斷滲入混凝土內部，導致構造物強度下降；二氧化碳、氧氣擴散引起混凝土碳化和鋼筋銹蝕，嚴重降低構造物耐久性[1]。工程人員常通過涂層、摻入外加劑等途徑增強混凝土抗滲性，但以上方法不僅增加工程造價，且長期效果不佳，難以延緩車輛疲勞荷載下抗滲性衰減[2-4]。近年來，國內外學者提出采用綠色、高性能玄武巖纖維改善混凝土微觀結構，從而增強混凝土的抗滲性，并取得了良好的效果。

Algin等[5]研究表明玄武巖纖維減少了水泥混凝土中的連通孔隙和泌水通道，提高了混凝土的密實度，從而降低了滲透性；Jiang等[6]發現聚丙烯纖維和玄武巖纖維均能提高混凝土的抗滲性，但玄武巖纖維的改善效果優于聚丙烯纖維；Azzam等[7]認為提高玄武巖纖維長度會降低混凝土材料密實性，為離子滲透提供通道，增加氯離子擴散系數；張蘭芳等[8]發現加入玄武巖纖維后混凝土平均滲水高度降低62.2%，當增大玄武巖纖維摻量時混凝土滲透系數增加。Niu等[9]、陳歆等[10]、Xue等[11]同樣研究了混凝土離子滲透系數隨玄武巖纖維摻量的變化，并認為纖維分散狀態對抗滲性有重要影響。但是現有研究多集中于玄武巖纖維參數對混凝土抗滲性的影響，尚未涉及疲勞荷載下玄武巖纖維混凝土抗滲性的衰減規律，更缺乏抗滲性損傷機理方面的研究。

基于上述分析，本文首先基于抗滲性優選玄武巖纖維最佳參數，利用自主研發的加載裝置設計疲勞試驗，探究疲勞荷載下玄武巖纖維混凝土抗滲性的衰減規律；定量分析荷載作用下玄武巖纖維混凝土孔結構劣化和微裂縫擴展行為，揭示玄武巖纖維混凝土抗滲性衰減機理，為玄武巖纖維混凝土推廣應用提供一定的理論依據。

1 實 驗

1.1 原材料及配合比

采用浙江石金玄武巖纖維股份有限公司生產的短切玄武巖纖維(見圖1)，其主要技術指標如表1所示；選用堯伯P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其技術指標見表2；礦物摻合料為Ⅱ級粉煤灰，密度為2.09 g/cm3；粗集料為4.75～19.00 mm的花崗巖碎石，其主要技術指標如表3所示；細集料為河砂，細度模數為2.72；減水劑為HL-HPC3聚羧酸高性能減水劑，減水率為25%。

圖1 玄武巖纖維

表1 玄武巖纖維技術指標

表2 水泥技術指標

表3 粗集料技術指標

根據《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55—2011)和C40橋梁混凝土性能要求，基于正交試驗得出基準混凝土配合比，如表4所示。本文測試不同玄武巖纖維長度(6 mm、12 mm和18 mm)和不同摻量(玄武巖纖維與混凝土的質量比，選取0.07%、0.08%和0.09%)下混凝土的抗滲性，從而優化出玄武巖纖維混凝土最佳配合比。

表4 基準混凝土配合比

1.2 動態疲勞加載及抗滲性測試

為模擬公路構造物承受的滾動車輪荷載，課題組自主研發出動態疲勞加載裝置，通過碾壓輪的反復作用模擬疲勞荷載。碾壓輪寬為6.5 cm，直徑為20 cm，輪距為10 cm，加載頻率為1 Hz，動態疲勞加載過程如圖2所示。在疲勞加載箱中設置工字形鋼支架，支架兩點間隔300 mm，將小梁試件(400 mm×100 mm×100 mm)置于該支架上，疲勞加載箱具體尺寸如圖3所示。

圖2 動態疲勞加載過程

圖3 疲勞加載箱具體尺寸(單位：mm)

疲勞試驗采用0.5和0.7兩個應力比模擬普通荷載水平和高荷載水平，每個應力比下設計兩組疲勞加載試驗，加載次數分別為10萬次和20萬次。每組小梁試件加載完成后，在碾壓輪痕跡處鉆芯取直徑100 mm、高50 mm的圓柱體試件，依據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》(JTG 3420—2020)中電通量法(T 0580—2020)測試疲勞加載后混凝土的抗滲性。抗滲性試驗采用PER-6A型電通量測定儀，測試過程如圖4所示。

圖4 電通量測試過程

1.3 微觀結構測試

疲勞加載完成后在試件中心位置取0.5 cm×0.5 cm的試樣，在無水乙醇中清洗后烘干，采用AutoPore IV 9510型水銀壓汞儀測試玄武巖纖維混凝土的孔隙率、平均孔徑及孔徑分布。基于吳中偉院士[12]提出的分類方法，根據孔徑尺寸將混凝土內部孔隙分為無害孔(<20 nm)、少害孔(20～50 nm)、有害孔(50～200 nm)和多害孔(>200 nm)。

為了探究動態疲勞荷載下玄武巖纖維混凝土裂縫擴展規律，采用JEOL JSM-6390A掃描電子顯微鏡(SEM)獲取微裂縫電子圖像，對圖像進行灰度增強和二值化處理后基于Image-Pro Plus軟件提取裂縫參數(面積密度、最大長度、平均寬度)，提取過程如圖5所示。

圖5 裂縫參數提取過程

2 結果與討論

2.1 基于抗滲性的玄武巖纖維參數優選

不同玄武巖纖維長度和摻量下混凝土抗滲性如圖6所示。隨玄武巖纖維長度增加(不同長度下纖維摻量均為0.08%)，混凝土電通量呈先降低后增加的趨勢，當纖維長度為12 mm時電通量達到最小值。混凝土抗滲性受內部孔結構影響較大，摻入玄武巖纖維后降低了平均孔徑，使混凝土內部小孔數量增多，從而改善了抗滲性[13]；當玄武巖纖維長度增加時，其在拌和過程中易相互搭接，對抗滲性的改善效果減弱。與纖維長度為12 mm時的電通量相比，當纖維長度為6 mm和18 mm時混凝土電通量分別增加49.23%和70.67%，基準混凝土的電通量是最佳纖維長度(12 mm)下玄武巖纖維混凝土的2.57倍。

圖6 玄武巖纖維參數對抗滲性的影響

與纖維長度的影響規律相同，隨纖維摻量增加(不同摻量下纖維長度均為12 mm)，混凝土抗滲性先增強后減弱。在較小摻量(0.07%)下，玄武巖纖維對混凝土內部結構的改善效果較小，宏觀表現為未達到最佳的增強效果；當摻量過大(0.09%)時，玄武巖纖維分散不均勻，在纖維團聚處大孔數量增加，為離子滲入提供了通道，從而降低了抗滲性。在0.07%和0.09%摻量下混凝土電通量接近，為最佳摻量(0.08%)下的1.86倍。因此，基于抗滲性推薦水泥混凝土中玄武巖纖維的最佳長度為12 mm，摻量為0.08%，在玄武巖纖維最佳參數下混凝土電通量較基準混凝土降低了61.12%。

2.2 動態疲勞荷載下玄武巖纖維混凝土抗滲性衰減

在最佳纖維參數下測試基準混凝土和玄武巖纖維混凝土的力學性能，如表5所示。根據彎拉強度測試結果，在基準混凝土疲勞試驗中0.5和0.7應力比下的荷載分別為3.30 MPa和4.62 MPa，在玄武巖纖維混凝土疲勞試驗中0.5和0.7應力比下的荷載分別為3.84 MPa和5.38 MPa。

表5 基準混凝土和玄武巖纖維混凝土力學性能(28 d)

動態疲勞荷載下基準混凝土和玄武巖纖維混凝土(纖維長度為12 mm,摻量為0.08%)電通量變化如圖7所示。隨動態疲勞荷載作用次數增加，混凝土內部孔隙率增加,孔徑變大，早期微裂縫不斷擴展，混凝土密實度下降，導致電通量持續增加。在0.5應力比下，疲勞荷載作用10萬次和20萬次后玄武巖纖維混凝土電通量增大了182 C和494 C；基準混凝土增大了413 C和916 C，是玄武巖纖維混凝土電通量增幅的2.27倍和1.85倍。隨著疲勞加載次數的增加，混凝土電通量增幅逐漸增加，但是玄武巖纖維能有效分散應力，延緩混凝土內部結構損傷，因此玄武巖纖維混凝土電通量增幅遠小于基準混凝土。

圖7 動態疲勞荷載下電通量變化(JZ為基準混凝土，BFRC為玄武巖纖維混凝土)

在0.7應力比下，基準混凝土和玄武巖纖維混凝土電通量增加量均大于0.5應力比下的增加量，即提高應力比加速了抗滲性衰減。與0.5應力比下的增加量相比，疲勞荷載作用10萬次和20萬次后，0.7應力比下基準混凝土電通量增加量提高322 C和714 C，而玄武巖纖維混凝土電通量增加量提高239 C和436 C。應力比增加后玄武巖纖維混凝土電通量增幅低于基準混凝土，因此玄武巖纖維混凝土對高應力比具有更好的適應性，更適合在重載地區推廣應用。

2.3 動態疲勞荷載下玄武巖纖維混凝土孔結構劣化

由于不同應力比下混凝土微觀結構有相似的演化規律，本文主要分析0.5應力比下混凝土微觀結構變化，玄武巖纖維混凝土和基準混凝土孔隙率和平均孔徑如圖8和圖9所示。由于玄武巖纖維表面含有親水基團，在拌和過程中吸水，凝結硬化期水分蒸發后形成孔隙，因此玄武巖纖維混凝土孔隙率較基準混凝土提高0.39%。在加載初期，疲勞荷載對孔結構同時具有壓密和破壞作用[14]，但在作用10萬次后對于基準混凝土破壞效應更顯著，因此孔隙率略微增加，在加載作用20萬次時基準混凝土孔隙率增大0.17%。玄武巖纖維混凝土在加載初期疲勞荷載的壓密作用更明顯，因此在加載作用10萬次后孔隙率減少了0.09%，疲勞荷載作用20萬次時孔隙率增大了0.22%。雖然玄武巖纖維混凝土的孔隙率均大于基準混凝土，但何天欽[15]的研究表明孔隙率對抗滲性的影響低于其他孔結構參數。

圖8 疲勞荷載下孔隙率變化

圖9 疲勞荷載下平均孔徑變化

疲勞荷載作用下基準混凝土平均孔徑呈現先升高后降低的變化趨勢，而玄武巖纖維混凝土出現相反的演化規律。在疲勞荷載作用早期基準混凝土內部孔隙呈擴張狀態，因此平均孔徑增大2.3 nm；在荷載作用下孔隙擴展達到極限后大孔分裂成小孔，導致平均孔徑減小[16]。玄武巖纖維混凝土孔隙率的變化表明加載前期內部受壓密實，孔隙被壓縮閉合，因此在疲勞荷載作用10萬次時平均孔徑降低；隨著荷載持續作用，部分不規則孔隙邊緣由于應力集中而發生擴展，導致玄武巖纖維混凝土孔隙變大，平均孔徑增加。另外，玄武巖纖維混凝土平均孔徑遠小于基準混凝土，表明其內部多為小孔，減少了孔隙間的連通，降低了離子滲透速度。

玄武巖纖維混凝土和基準混凝土孔徑分布如圖10所示。玄武巖纖維細化了混凝土孔結構，無害孔比例增加18.51%，多害孔數量減少11.46%，有害孔和少害孔也有一定比例的減少，因此混凝土的抗滲性有顯著提高。在動態疲勞荷載下混凝土無害孔和少害孔減少，有害孔和多害孔增加，孔結構整體呈現粗化狀態。疲勞荷載下基準混凝土和玄武巖纖維混凝土少害孔和有害孔變化幅度基本相同，但無害孔和多害孔變化有較大差別，且玄武巖纖維延緩了孔結構劣化速度。疲勞荷載作用10萬次和20萬次時基準混凝土無害孔分別減少了1.54%和4.18%，多害孔分別增加了1.66%和4.37%；在相同工況下玄武巖纖維混凝土無害孔分別減少了1.35%和3.04%，多害孔分別增加了1.30%和3.22%，即在疲勞荷載作用20萬次時玄武巖纖維混凝土無害孔減少量和多害孔增加量比基準混凝土降低了27.27%和26.32%。在疲勞荷載作用后期混凝土孔結構劣化速度快于前期，但隨著疲勞試驗的進行玄武巖纖維對孔結構的改善作用更為明顯。

圖10 疲勞荷載下孔徑分布變化

2.4 疲勞荷載下玄武巖纖維混凝土微裂縫擴展行為

玄武巖纖維混凝土和基準混凝土微裂縫參數如圖11～圖13所示。玄武巖纖維增加了混凝土早期強度，同時降低了凝結硬化期水分散失，減少了早期收縮裂縫，未加載時玄武巖纖維混凝土裂縫面積密度和平均寬度比基準混凝土低0.29%和39.47%。動態疲勞荷載作用下混凝土早期裂縫在長度和寬度方向同時擴展，且在水泥石-集料界面薄弱區萌生新的微裂縫，各裂縫參數持續增加。玄武巖纖維在混凝土內形成三維網狀結構，在荷載作用下纖維與基體協同變形以分散疲勞應力，降低裂縫的擴展速率，因此玄武巖纖維混凝土的裂縫參數小于基準混凝土。

圖11 裂縫面積密度

圖12 裂縫平均寬度

圖13 裂縫最大長度

在疲勞荷載作用下混凝土微裂縫平均寬度和最大長度持續增大，但在各階段的增大速率有顯著差異。當疲勞荷載作用10萬次時，基準混凝土平均寬度和最大長度的增加率分別是69.48%和85.45%，在荷載作用20萬次時兩者的增大率分別是92.37%和15.93%。因此在疲勞加載前期混凝土微裂縫主要沿長度方向延伸，而在加載后期以寬度擴展為主，玄武巖纖維混凝土也出現類似的微裂縫擴展規律。

當疲勞荷載作用10萬次和20萬次時，玄武巖纖維混凝土的裂縫面積密度比基準混凝土分別降低3.43%和3.29%。微裂縫為離子進入混凝土內部提供了通道，而玄武巖纖維混凝土裂縫面積密度的降低增強了結構的整體性和完整性，大幅提高服役期混凝土的抗滲性。基準混凝土在疲勞荷載下裂縫尖端處產生應力集中，促進裂縫擴展；當裂縫擴展至玄武巖纖維時，纖維分散和傳遞應力，降低了裂縫尖端應力強度因子[17]。與基準混凝土相比，當疲勞荷載作用10萬次時，玄武巖纖維混凝土裂縫平均寬度和最大長度分別降低了33.57%和17.45%，加載作用20萬次時分別降低了10.69%和8.81%。玄武巖纖維降低了微裂縫的擴展速率，減少了離子的滲透通道，從而延緩抗滲性衰減幅度。

3 結 論

(1)混凝土抗滲性隨玄武巖纖維長度和摻量增加呈現先增強后減弱的變化趨勢，基于抗滲性推薦玄武巖纖維的最佳長度為12 mm，摻量為0.08%，在玄武巖纖維最佳參數下混凝土電通量較基準混凝土降低61.12%。

(2)在0.5應力比下，加載作用20萬次后基準混凝土電通量增幅是玄武巖纖維混凝土的1.85倍；隨應力比增加，玄武巖纖維混凝土電通量的增加幅度低于基準混凝土，玄武巖纖維混凝土更適合在重載、重交通地區推廣應用。

(3)玄武巖纖維混凝土的孔隙率略大于基準混凝土，但玄武巖纖維細化了孔結構，無害孔比例增加18.51%；疲勞荷載下混凝土孔徑呈擴張趨勢，孔分布呈粗化狀態，疲勞加載20萬次后玄武巖纖維混凝土無害孔減少量和多害孔增加量比基準混凝土分別降低了27.27%和26.32%。

(4)疲勞加載前期混凝土微裂縫主要沿長度方向延伸，而加載后期以寬度擴展為主，玄武巖纖維混凝土裂縫參數均小于基準混凝土，增強了結構的整體性。

(5)動態疲勞荷載下玄武巖纖維分散和傳遞應力，延緩了混凝土孔結構劣化和微裂縫擴展，從而降低了抗滲性衰減幅度。