聚丙烯纖維預(yù)拌混凝土抗鹽凍耐久性研究

摘" 要：寒冷地區(qū)道路、橋梁混凝土結(jié)構(gòu)常常遭受鹽凍破壞，為改善混凝土的鹽凍抵抗能力，該文研究添加引氣劑和聚丙烯纖維的預(yù)拌混凝土抗鹽凍耐久性能及混凝土澆筑全過(guò)程空隙分布特征。研究表明，混凝土中添加聚丙烯纖維，可改善凍融作用（鹽凍侵蝕）引起的混凝土表面抗剝落性能。此外，隨著振搗密實(shí)時(shí)間的增加，硬化混凝土中的微細(xì)氣泡減少，粗大氣泡增加。然而，這一變化對(duì)氣泡間隔因子和混凝土表面抗剝落性能的影響較小。

關(guān)鍵詞：聚丙烯纖維；預(yù)拌混凝土；抗鹽凍性能；空隙分布特征；引氣劑

中圖分類號(hào)：TU528.572" " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " " 文章編碼：2095-2945（2023）15-0072-04

Abstract： The concrete structures of roads and bridges in cold regions often suffer from salt freezing damage. In order to improve the salt freezing resistance of concrete， this paper studied the salt freezing resistance of ready-mixed concrete added with air entraining agent and polypropylene fiber and the characteristics of void distribution during the entire process of concrete pouring. Research shows that adding polypropylene fibers to concrete can improve the anti peeling performance of concrete surface caused by freezing and thawing action （salt freezing attack）. In addition， as the vibration compaction time increases， the fine bubbles in hardened concrete decrease， while the coarse bubbles increase. However， this change has little impact on the bubble spacing factor and the anti peeling performance of the concrete surface.

Keywords： polypropylene fiber; ready mixed concrete; salt freezing resistance; void distribution characteristics; air entrainment agent

近年來(lái)，由于西北寒冷地區(qū)，冬季長(zhǎng)時(shí)間遭受積雪覆蓋，道路、橋梁等建筑物通常采用除冰鹽作為融雪劑消除道路、橋梁面板上的冰雪，以達(dá)到車(chē)輛正常通行的目的。使用融雪劑/除冰鹽，可能導(dǎo)致混凝土表層發(fā)生砂土化破壞，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土內(nèi)部損傷、鋼筋銹蝕等現(xiàn)象出現(xiàn)。這些劣化現(xiàn)象被認(rèn)為是由凍害、ASR、鹽害等多重因素的復(fù)合作用造成的[1]。研究表明[2-5]，混凝土表面損傷導(dǎo)致外界二氧化碳、水分、氯離子等有害物質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部，加速鋼筋銹蝕，這些有害物質(zhì)反復(fù)循環(huán)作用導(dǎo)致鋼筋表面銹蝕剝落，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，使混凝土內(nèi)部開(kāi)裂，從而降低混凝土結(jié)構(gòu)承載能力，影響混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期耐久性能。

聚丙烯纖維（Polypropylene Fiber，簡(jiǎn)稱PF）是一種質(zhì)輕、高強(qiáng)、抗腐蝕性能較為突出的高分子材料，因其具有生產(chǎn)成本低、耐堿、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，用于混凝土可以改善混凝土結(jié)構(gòu)的阻裂性能和韌性[6]。Mahmoud等[7]發(fā)現(xiàn)混凝土的和易性隨著PF摻量的增加而減小，這可能是由于PF增加了混凝土內(nèi)材料的比表面積，通過(guò)添加高效減水劑可以彌補(bǔ)這一缺陷。混凝土中添加PF后，混凝土的抗壓、劈裂抗拉和抗彎強(qiáng)度都有一定的改善，說(shuō)明PF改善了混凝土的韌性[8]。嚴(yán)武建等[9]發(fā)現(xiàn)引氣劑和PF混摻，可以顯著改善混凝土的抗凍耐久性能。王晨飛等[10]研究表明，隨著PF摻量的增加，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，氯離子的滲透深度增加，PF摻量與其抗鹽凍耐久性能呈現(xiàn)正向相關(guān)性。

本文對(duì)預(yù)拌混凝土施工全過(guò)程的混凝土抗鹽凍剝落性能及硬化后混凝土空隙分布特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分別分析預(yù)拌混凝土運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)（未添加PF）、混凝土添加PF后、混凝土泵送后及振搗時(shí)間（5、10、15 s）等施工全過(guò)程對(duì)混凝土抗鹽凍耐久性能及硬化后混凝土中空隙分布特征的影響，為PF用于寒冷地區(qū)混凝土橋梁、道路提供一定的參考。

1" 材料和試驗(yàn)方法

1.1" 原材料及配合比

水泥為普通硅酸鹽水泥P·O 42.5，細(xì)骨料為河砂（表觀密度為2.62 g/cm3），粗骨料采用碎石（表觀密度為2.64 g/cm3），纖維為聚丙烯纖維（密度為0.91 g/cm2，如圖1所示）。水灰比和目標(biāo)空氣量根據(jù)高耐久混凝土要求，分別滿足45%以下和6%的空氣含量，預(yù)拌混凝土配合比見(jiàn)表1。混凝土試塊尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，在預(yù)拌混凝土各施工階段取樣：①預(yù)拌混凝土運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)時(shí)（未添加PF）；②預(yù)拌混凝土泵送前（添加PF并攪拌后）；③混凝土泵送后；④預(yù)拌混凝土振搗密實(shí)5 s；⑤預(yù)拌混凝土振搗密實(shí)10 s；⑥預(yù)拌混凝土振搗密實(shí)15 s。共計(jì)6種情況下制作了400 mm的棱柱體試件，進(jìn)行28 d濕養(yǎng)護(hù)后，將其切割成100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊。

1.2" 鹽凍剝蝕試驗(yàn)

將切割后形成的100 mm×100 mm×100 mm試樣的側(cè)面作為試驗(yàn)面（圖2），保留試件的試驗(yàn)面及其對(duì)立面，其余4個(gè)側(cè)面用硅膠樹(shù)脂密封。采用CDF標(biāo)準(zhǔn)[11]進(jìn)行混凝土表面鹽凍剝蝕試驗(yàn)。凍融循環(huán)溫度從20 ℃到-20 ℃，每12 h為1個(gè)循環(huán)，共計(jì)60次循環(huán)。此外，與混凝土表面接觸的試驗(yàn)溶液使用濃度為3%的NaCl溶液。

1.3" 空隙分布特征試驗(yàn)

試件的取樣過(guò)程如圖2所示，然后，根據(jù)ASTM C457/C457M—2012《Standard Test Method for Microscopical Determination of Parameters of the Air-Void System in Harde》[12]，采用線性導(dǎo)線測(cè)量法對(duì)混凝土表面空隙分布特征進(jìn)行測(cè)定。得到硬化后混凝土的空氣含量、氣泡間隔系數(shù)及氣泡分布特征。

2" 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1" 混凝土抗鹽凍剝蝕性能試驗(yàn)研究

預(yù)拌混凝土澆筑過(guò)程對(duì)混凝土表面鹽凍剝落量的影響如圖3所示。從圖3中可以看出經(jīng)過(guò)60次凍融循環(huán)后，與未添加PF的混凝土相比，添加PF的混凝土表面剝落量明顯降低，這說(shuō)明聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗鹽凍耐久性能具有一定的改善效果。此外，從圖4可知，添加PF后與添加PF前的混凝土表面剝落情況的對(duì)比中也印證這一發(fā)現(xiàn)，添加PF前的混凝土表面骨料暴露程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于添加PF后的混凝土試件。這可能是由于纖維在混凝土內(nèi)部的拉結(jié)作用，減少了混凝土內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生，從而降低了剝落量。另外，在泵送后，與泵送前纖維投入后的試件相比，混凝土表面剝落量增加，在混凝土振搗密實(shí)過(guò)程中，尤其是在振搗密實(shí)時(shí)間為10 s和15 s的試件中，混凝土表面的剝落量有稍微增加的傾向。這有可能是混凝土在泵送振搗過(guò)程中氣泡逃逸，降低了混凝土中空氣含量，導(dǎo)致剝落量輕微增加。

2.2" 空隙分布特征研究

表2、表3和圖5顯示的是硬化混凝土中氣泡分布特征的測(cè)定結(jié)果。從表2、表3和圖5中都能看出，添加聚丙烯纖維后，氣泡的數(shù)量略微增加。當(dāng)空隙直徑為0～500 μm時(shí)，添加PF導(dǎo)致空氣含量提高。當(dāng)泵送完成后，硬化混凝土的氣泡數(shù)量和空氣含量，均出現(xiàn)了略微減低的趨勢(shì)，而振搗密實(shí)后，硬化混凝土的氣泡數(shù)量及空氣含量再一次出現(xiàn)降低的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象說(shuō)明PF的添加，可能增加了混凝土的黏結(jié)力，導(dǎo)致空隙數(shù)量增加，而泵送及振搗密實(shí)則加速了混凝土中氣泡的逃逸。此外，隨著振搗密實(shí)時(shí)間的增加，51～100 μm的微細(xì)氣泡有大幅減少的傾向。對(duì)比分析表2和表3可知，考慮大于500 μm的空氣含量時(shí)，振搗密實(shí)時(shí)間在5 s時(shí)，空氣含量為1.94%；10 s時(shí)，空氣含量為2.15%；15 s時(shí)，空氣含量為2.62%。由此可見(jiàn)，振搗密實(shí)時(shí)間的增加是氣泡數(shù)量降低的原因之一，而對(duì)氣泡間隔因子的影響較小。

3" 結(jié)論

1）混凝土中添加聚丙烯纖維，可改善凍融作用（鹽凍侵蝕）引起的混凝土表面剝落現(xiàn)象，可推薦在寒冷地區(qū)橋梁、道路混凝土中使用，以提高寒冷地區(qū)混凝土抗凍耐久性能。

2）混凝土澆筑全過(guò)程對(duì)內(nèi)部空隙分布特征均產(chǎn)生一定的影響，添加PF導(dǎo)致空氣含量提高。當(dāng)泵送完成后，硬化混凝土的氣泡數(shù)量和空氣含量均出現(xiàn)了略微減低的趨勢(shì)，而振搗密實(shí)后，硬化混凝土的氣泡數(shù)量及空氣含量再一次出現(xiàn)降低的現(xiàn)象。

3）隨著振搗密實(shí)時(shí)間的增加，硬化混凝土中的微細(xì)氣泡減少，粗大氣泡增加。然而，這一變化對(duì)氣泡間隔因子和混凝土表面抗剝落性能的影響較小。

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