基于氯離子侵蝕與凍融試驗的聚丙烯纖維水泥基材料耐久性研究

摘要：文章通過電通量試驗研究聚丙烯纖維水泥基材料的抗氯離子滲透性能，同時通過凍融環境下水泥基材料的抗凍性能試驗，以質量損失率、抗折強度以及表面損傷情況為抗凍性能指標，對比研究聚丙烯纖維水泥基材料的抗凍耐久性。試驗結果表明聚丙烯纖維水泥基材料具有較優的抗氯離子與抗凍融耐久性，可為聚丙烯纖維水泥基材料的設計和應用提供參考。

關鍵詞：道路工程；聚丙烯纖維；水泥基材料；耐久性

中圖分類號：U416.03

0 引言

水泥基材料作為建筑材料的重要組成部分，其廣泛應用于建筑物、道路、橋梁等工程中［1］。隨著城市化進程的加速和人們對建筑物外觀和性能的要求不斷提高，水泥基材料作為建筑材料的重要組成部分，其耐久性問題越來越受到關注［2］。在實際使用中，水泥基材料常常會受到氯離子侵蝕和凍融循環的影響，導致其性能下降，甚至出現裂紋、脫落等問題，嚴重影響其使用壽命和安全性［3］。因此，研究水泥基材料的耐久性，特別是在抗氯離子侵蝕和抗凍融循環方面的性能，對于提高其使用壽命和安全性具有重要意義。

聚丙烯纖維作為一種常用的增強材料，其添加可以有效提高水泥基材料的力學性能和耐久性［4］。目前，已有許多研究探討了聚丙烯纖維對水泥基材料抗裂性能、抗凍融性能等的影響［5］。然而，對于聚丙烯纖維水泥基材料在抗氯離子侵蝕方面的性能研究還相對較少。因此，本研究旨在通過抗氯離子侵蝕和抗凍融循環試驗，研究聚丙烯纖維水泥基材料的耐久性。

聚丙烯纖維作為一種常用的增強材料，其添加可以有效提高水泥基材料的力學性能和耐久性。本文通過對聚丙烯纖維水泥基材料在不同條件下的試驗，分析其性能變化規律，為水泥基材料的設計和應用提供參考和指導。

1 試驗概況

1.1 原材料與試件制備

本文制備聚丙烯纖維水泥基材料的原材料主要有水泥、特細河沙、粉煤灰、聚丙烯纖維、高效減水劑和水。其中水泥為普通硅酸鹽P.O 42.5水泥，特細河沙最大粒徑為0.6 mm；纖維長度為12 mm，Y形截面，直徑為30 μm，密度為0.91 g/cm3，彈性模量為3.5 GPa，斷裂強度為500 MPa，斷裂伸長率為20%。聚丙烯纖維水泥基混凝土采用強制式攪拌機制備：加入水泥、粉煤灰和部分水，慢速攪拌1 min；加入聚丙烯纖維和減水劑，慢速攪拌1 min，再快速攪拌2 min；加入特細河沙和剩余的水慢速攪拌1 min，再快速攪拌3 min至冰淇淋狀即可。將攪拌好的混合物澆筑進指定試驗試模中，24 h后脫模，將試件轉移至養護室，在標準養護條件（相對濕度＞95％，溫度20 ℃±2 ℃）下養護，養護至需要的齡期。

1.2 試驗方法

為分析基準混凝土和聚丙烯纖維水泥基材料的抗氯離子滲透性能，根據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GBT50082-2009）的規定，采用電通量法來進行試驗。為了保證試驗的準確性和可靠性，使用全自動真空保水機作為試驗儀器，以確?；炷猎嚰谠囼炂陂g處于恒定的濕潤狀態。同時，使用多功能氯離子測定儀來測量樣品中的氯離子含量，以評估混凝土的耐久性能。通過以上試驗和測量，可以更全面、準確地評估混凝土材料的性能和耐久性。試驗采用直徑為100±1" mm、高度h為50±2" mm的圓柱體試件，養護齡期為7 d和28 d。測試前用環氧樹脂對試件側面進行密封處理，真空飽水24 h左右。試件被安裝在試驗槽中，在試件的兩側注入質量濃度為3.0％的NaCl溶液和摩爾濃度為0.3 mol/L的NaOH溶液。在試驗槽內注入NaCl溶液的一側，將銅網連接到電源的負極，在試驗槽內注入NaOH溶液的另一側，將銅網連接到電源的正極。為上述兩個銅網施加60±0.1 V的直流恒電壓（確保試驗槽中充滿溶液）。試驗時自動記錄試件通過的電流，并持續記錄6 h。在試驗過程中，使用電腦自動收集的數據可更準確地評估試件的性能，記錄各試件的電通量測試值，取平均值作為最終結果。

采用混凝土快速凍融試驗機進行快速凍融試驗，根據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GBT50082-2009），將尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的試件充分飽水，放入彈性橡膠試件盒中，加水至水面沒過試件頂面5 mm。凍融循環過程應符合：（1）每次凍融循環在2～4 h內完成，其中用于融化的時間不小于整個凍融時間的1/4；（2）在凍結和融化停止時，試件中心溫度應分別控制在-17 ℃±2 ℃和8 ℃±2 ℃。每隔25次循環，取出試件并擦干表面的水分，稱量試件質量和超聲波聲速。按式（1）和式（2）計算質量損失率及相對動彈性模量，同時選取平行組試件進行抗折強度試驗。由于本文還考慮了鹽水對材料抗凍性的影響，在鹽凍試驗中，需將橡膠試件盒中的水替換為3%濃度的NaCl溶液，其他步驟不變。

2 試驗結果分析與討論

2.1 抗氯離子滲透性能分析

根據ASTMC1202，對照表1的規定，評估材料的氯離子滲透性。通過測試兩種混凝土材料的電通量來反映氯離子滲透性能，結果如圖1所示。由表1可知，7 d時兩種材料的電通量均＞4 000 C，處于高氯離子滲透狀態，且此時聚丙烯纖維水泥基材料的電通量略高于混凝土，電通量偏大，抗氯離子滲透性能低。28 d齡期時混凝土電通量相對7 d時下降了28.8%，而聚丙烯纖維水泥基材料電通量相對7 d時下降了45.8%，兩種材料的電通量均在中等氯離子滲透性范圍，且聚丙烯纖維水泥基材料的抗氯離子滲透性略高于基準混凝土。研究表明，聚丙烯纖維水泥基材料中高摻量的粉煤灰會弱化材料的抗氯離子滲透性能，隨著齡期的不斷延長，聚丙烯纖維水泥基材料中粉煤灰的火山灰效應和密實填充效應逐漸顯露出來，細化了毛細孔徑，延長了毛細孔通道，其抗氯離子滲透性仍有所提高，彌補了一部分固化氯離子的能力。同時，由于聚丙烯纖維水泥基材料配合比中采用了較低的水膠比，有利于減小氯離子擴散深度和系數。因此，整體上聚丙烯纖維水泥基材料的抗氯離子滲透性最終略高于基準混凝土。

2.2 抗凍融性能分析

聚丙烯纖維水泥基材料與普通混凝土在純水凍融情況下的凍融循環測試結果如圖2所示。對比質量損失率、抗折強度和相對動彈性模量等抗凍性指標，發現混凝土在300次循環后質量損失＞5%，而聚丙烯纖維水泥基材料在400次循環后質量損失僅為4.7%；聚丙烯纖維水泥基材料的抗折強度始終顯著高于混凝土，且在250次循環后仍保留初始強度的80%以上，而混凝土在150次循環后殘余抗折強度便＜80%；聚丙烯纖維水泥基材料的相對動彈性模量始終略高于混凝土，在300次循環后，聚丙烯纖維水泥基材料的相對動彈性模量仍達到89.6%，而混凝土＜80%?？梢娋郾├w維水泥基材料在各方面都具有更優越的抗凍性。

觀察兩種材料在不同循環次數下的外觀，隨著凍融循環的進行，試件表面均不再光滑。100次循環后，普通混凝土試件表皮松動，露出細骨料，而聚丙烯纖維水泥基材料僅表面很淺一層開始露出纖維端頭。200次循環后，普通混凝土試件出現明顯剝落，局部出現缺角，粗骨料也逐漸顯現，而聚丙烯纖維水泥基材料表面露出較多細骨料和纖維，但試件完整性仍然很高。在300次循環時，普通混凝土試件破損明顯，因質量損失過大而試驗停止，聚丙烯纖維水泥基材料試件表面呈纖維毛面狀，局部露出纖維較長。400次循環后，聚丙烯纖維水泥基材料試件表層的纖維上裹附的大量集料顆粒被沖洗掉，但試件仍具有較高的表面完整性。通常摻加外加劑對混凝土引氣才能有效提高抗凍融剝蝕性能，而聚丙烯纖維水泥基材料不添加引氣劑也表現出了較好的抗剝落性，這與2%體積摻量的纖維有重大關系。雖然提高粉煤灰摻量不利于水泥基材料的抗凍性，但已有研究表明，粉煤灰摻量超過50%的聚丙烯纖維水泥基材料仍具有很高的凍融循環抵抗力。實際上，已有研究表明纖維能夠抵抗凍融引起的內部微裂，從而提高混凝土材料的抗凍剝落性能。

在力學性能方面，有學者認為聚丙烯纖維水泥基材料由于高韌性的特點，表現出理想的抗凍耐久性。其還具備高延展性和裂縫寬度限制能力，甚至在輕微損傷下仍具備有效的自愈合性，保證了更長久的抗凍壽命。

3 結語

本研究通過對聚丙烯纖維水泥基材料與基準混凝土進行電通量試驗和凍融試驗并進行結果分析，主要結論如下：

（1）在養護早期，聚丙烯纖維水泥基材料由于粉煤灰摻量較大，其抗氯離子滲透性能低于混凝土。隨著齡期增長，在火山灰反應作用下，聚丙烯纖維水泥基材料的抗氯離子滲透性能逐漸反超混凝土。

（2）在凍融循環試驗中，聚丙烯纖維水泥基材料的質量損失、抗折強度損失效果均優于混凝土，且始終保持遠高于混凝土的抗折強度。隨著凍融次數的增加，聚丙烯纖維水泥基材料的質量損失逐漸增大，但最大值≤5%，抗凍效果優于普通混凝土。

（3）聚丙烯纖維在基體內部能夠分散均勻，確保材料有良好的整體性，纖維表面附著的大量水化產物，使纖維與基體充分膠結，內部孔隙變少，從而保證在凍融環境下，聚丙烯纖維水泥基材料不會坍塌失效。

綜上所述，適量摻入聚丙烯纖維可以顯著提高水泥基材料的力學性能和耐久性，特別是在抗氯離子侵蝕和抗凍融循環方面具有明顯的改善效果。這為聚丙烯纖維水泥基材料的設計和應用提供了參考和指導。

參考文獻

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［2］牛荻濤，何嘉琦，傅 強，等.碳納米管對水泥基材料微觀結構及耐久性能的影響［J］.硅酸鹽學報，2020，48（5）：705-717.

［3］裴 峰.混凝土在不同干濕比下的氯離子擴散及水分變化試驗研究［J］.市政技術，2022，40（4）：95-99.

［4］黃忠方.不同類型纖維微表處混合料的路用性能對比研究［J］.西部交通科技，2022（2）：102-105.

［5］靳賀松，李福海，何肖云峰，等.聚丙烯纖維水泥基復合材料的抗凍性能研究［J］.材料導報，2020，34（4）：8 071-8 076.

收稿日期：2024-03-21

作者簡介：銀燕瓊（1984—），碩士，工程師、講師，研究方向：道路與橋梁工程。