硫酸鹽侵蝕凍融循環下聚乙烯醇纖維鋼筋混凝土的黏結性能試驗研究

劉柯楠, 楊曉林,*, 曹健, 張炳鋒

(1.青海大學土木工程學院, 西寧 810016; 2.青海省建筑節能材料與工程安全重點實驗室, 西寧 810016; 3.青海大學土木工程學院, 西寧 810016)

中國西北地區由于天氣寒冷,溫度處于冷熱交替狀態下,混凝土會受到凍融循環及硫酸鹽侵蝕的耦合作用的破壞作用,在長期的耦合作用下,會導致混凝土的力學性能和耐久性嚴重下降,影響混凝土的長期運行,長此以往,凍融循環對實際工程的危害十分巨大。混凝土的凍融破壞嚴重影響著結構的正常使用和使用壽命,中國在此類問題上每年都要花費大量資金去維護。因此在混凝土中摻入適量的PVA纖維,研究硫酸鹽凍融循環作用下PVA纖維混凝土中鋼筋與混凝土的黏結性能對混凝土耐久性研究以及實際工程具有很重要的研究意義。

寧一凡[1]通過混凝土單軸受壓狀態下損傷本構模型的建立,而后推導混凝土的損傷演化方程,根據Weibull統計分布理論推導出硫酸鹽在經歷不同凍融次數混凝土的單軸受壓本構方程。吳小勇等[2]進行了玄武巖纖維增強復合筋 (basalt fiber reinforced polymer,BFRP)筋在不同次數的凍融下與混凝土的黏結試驗,研究了BFRP筋與混凝土立方體抗壓的關系,黏結強度與混凝土立方體抗壓之間的關系以及凍融次數與脫膠強度與峰值滑移之間的關系。王安琪等[3]對立方體混凝土試塊進行了不同次數的凍融試驗,分析了鋼筋混凝土之間的黏結力,并利用數值擬合的方法進行了Bigaussian函數擬合從而可計算凍融混凝土的峰值應力。張廣泰等[4]在混凝土中添加聚丙烯纖維,同時進行了凍融試驗,根據混凝土的凍融損傷后的相對動彈模建立鋼筋粘結的凍融損傷模型[5]。張海燕等[6]對地聚物混凝土和螺紋鋼筋與普通混凝土的粘結滑移曲線進行了研究,在鹽腐蝕狀態下的粘結滑移曲線基本一致,鋼筋銹蝕后黏結強度仍與普通混凝土接近[7]。混凝土在氯離子和凍融同時作用下,其力學性能將明顯降低。125次凍融循環后,混凝土抗壓損失60%[8]。鄧芃等[9]對嚴寒地區的鹽漬土和冰鹽環境下的鋼筋混凝土腐蝕和凍融耦合狀態進行了劣化分析。齊曉等[10]研究硫酸鹽凍融混凝土初期凍融對混凝土的強度影響不大。張衛兵[11]等研究了西北地區硫酸鹽漬土的單向升溫時地基的融沉規律。牛健剛等[12]從水灰比、銹蝕率等不同方面對銹蝕鋼筋的黏結性能進行了研究。胡孔亮[13]等研究了氯鹽和凍融因素分別對鋼筋混凝土黏結性能的影響。

針對混凝土的耐久性,在混凝土中摻入纖維并在硫酸鹽侵蝕或凍融循環單一作用下做了許多的研究,但是在混凝土中摻入適量的PVA纖維有效改善混凝土的耐久性,研究硫酸鹽凍融循環作用下且在混凝土中添加了PVA纖維混凝土中鋼筋與混凝土的黏結性能卻是很少[14-16]。鑒于此,現利用拉拔試驗的方式從多個角度對其黏結力學性能做出了研究。試驗制作了PVA纖維摻量分別為0、0.25%、0.5%、0.75%的并附帶鋼筋的PVA混凝土試件,對混凝土試件進行了硫酸鹽浸泡的凍融實驗,凍融次數分別為0、15、30、45、60次每凍融15次,對混凝土試件進行拉拔實驗,繪制凍融次數與鋼筋混凝土的黏結力的變化曲線。

1 實驗

1.1 試件的設計及制作

水泥:采用青海祁連山水泥有限公司生產的P.II42.5級硅酸鹽水泥。

骨料:細骨料為天然河砂,粗骨料為主要粒徑5～20 mm的碎石。

根據《普通混凝土配合比設計程序》計算得到C40的混凝土配合比為m水泥∶m沙∶m石∶m水為1∶1.65∶3.34∶0.5,如表1所示。根據混凝土PVA纖維體積摻量的不同(0%、0.25%、0.5%、0.75%)和硫酸鹽浸泡后凍融次數的不同,將試件分為4組,同時每組試件配一組相同工況的標準混凝土試塊作為參照,共32個試件,在制備試樣時,要求確保混凝土的配合比穩定一致,纖維的分散均勻,并注意避免試樣中存在明顯的缺陷或不均勻性。各組試件按PVA摻量-凍融循環次數進行編號,如FT25-15表示混凝土中PVA體積參量為0.25%硫酸鹽凍融循環次數為15,所有進行拉拔試件的尺寸為150 mm×150 mm×150 mm,鋼筋加載端和自由端設置PVC套管,各有一段無粘結段,中間粘結長度為5倍的鋼筋直徑,在試樣制備過程中,確保鋼筋的正確位置和固定方式,以保證在拉拔實驗中與混凝土形成有效的粘結。

在鋼筋粘結段的兩端設置PVC套管,在套管內設置保護層以防止水泥漿進入套管,拉拔試件及構件整體構造試件制作如圖1所示。

圖1 拉拔試件及構件整體構造試件Fig.1 Pullout test piece and component overall structure test piece

1.2 材料性能

試件采用的鋼筋為HRB400直徑為16 mm,標準抗拉強度為400 MPa,彈性模量為200 GPa,立方體標準試件凍融后的抗壓實驗數據如表2所示。

表2 混凝土立方體抗壓強度Table 2 Compressive strength of concrete cubes

1.3 實驗制度及加載裝置

試件在標準養護室中養護28 d后取出,然后放入5%的硫酸鈉溶液中浸泡7 d后進行慢凍法進行侵蝕-凍融循環實驗,凍融循環時間為12 h,混凝土試件中心溫度控制在(-20±2)～(10±2) ℃,從而保證試件達到凍融效果。

混凝土的中心拉拔試驗在HDT305A電液伺服疲勞試驗機上進行,HDT305A電液伺服疲勞機是具備高精度加載控制和數據采集系統的拉力試驗機。這種試驗機能夠實現精確定量加載和測量,提供穩定可靠的拉力加載條件。將凍融后的拉拔試件放入籠式加載裝置當中,試驗時,上端固定,試塊的下端支撐在帶有墊板打孔的籠式加載裝置中,試驗機夾持鋼筋施加拉力直至鋼筋拔出或試件損壞如圖2所示,實驗采用位移控的加載方式,加載速度為1 mm/min,利用數據采集系統實時記錄試驗過程中的拉力、位移等數據。這樣可以獲得準確可靠的實驗結果,為后續的數據分析提供依據。

圖2 籠式加載裝置Fig.2 Cage loading device

熟悉試驗規范流程,確保實驗過程中各項操作符合標準和規范,以提高實驗結果的可重復性和可比性。實驗設施性能和質量方面的先進性,可以保證中心拉拔實驗的嚴謹性和可靠性,從而獲得準確的PVA纖維鋼筋混凝土黏結性能數據,為試驗提供可靠的依據。

鋼筋兩端自由固定兩個位移計,用來測量鋼筋與混凝土的相對滑移,滑移量取兩個位移計的平均值,鋼筋的平均黏結應力的計算公式為

(1)

式(1)中:P為試件加載段的力,kN;d為鋼筋直徑,cm;la為鋼筋黏結長度,cm。

2 結果及分析

2.1 實驗現象及破壞模式

經歷過凍融循環后,隨著凍融次數的增多,試件的表面析出白色硫酸鹽晶體,試件的表面發生了剝落,凍融60次以后試件表面剝落較為嚴重如圖3所示。鋼筋拉拔實驗中,試件有兩種破壞模式:第一種是鋼筋自混凝土中拔出的拔出破壞[圖4(a)],鋼筋在混凝土中產生較大的滑移量,第二種為混凝土的劈裂破壞,混凝土的保護層發生劈裂,鋼筋在混凝土中的滑移量較少,混凝土保護層發生劈裂[圖4(b)]。

圖3 混凝土凍融前后的變化Fig.3 Changes of concrete before and after freezing and thawing

圖4 試件的破壞模式Fig.4 Failure mode of the test piece

中心拉拔實驗數據如表3所示。由表3可知劈裂破壞主要發生在未添加PVA纖維的試塊,而添加了PVA纖維的試件則發生的是拔出破壞,鋼筋自混凝土中拔出,試件表面出現裂縫,而隨著混凝土塊內部PVA體積摻量的不斷增加,試件表面裂縫也在不斷減小和減少。

表3 實驗結果Table 3 Experimental results

2.2 粘結滑移曲線

圖5為拔出破壞和劈裂破壞的粘結滑移曲線。圖6分別為不同凍融次數從初始到峰值的粘結滑移曲線。

圖5 拔出破壞和劈裂破壞的黏結滑移曲線Fig.5 Bond-slip curves for shear failure and splitting failure

圖6 初始到峰值的粘結滑移曲線Fig.6 Initial to peak bond slip curve

2.3 黏結強度影響因素分析

2.3.1 硫酸鹽凍融次數對混凝土抗壓強度的影響

由圖7可知,隨著PVA纖維體積摻量的提高,立方體混凝土抗壓強度平均值上升,當纖維體積摻量為0.5%～0.75%,立方體平均抗壓強度達到最大值,此時較基準混凝土相比,平均抗壓強度提高了25%。經硫酸鹽凍融循環后的混凝土立方體試塊強度呈現一個先增大后下降的趨勢,因為硫酸鹽會在凍融循環中被溶解并侵入到混凝土的裂縫當中,這會導致混凝土內部的結構發生變化,從而增加抗壓強度。但是,隨著凍融循環的次數增加,硫酸鹽溶解的程度也會增加,進而導致混凝土內部的結構發生變化,從而降低抗壓強度。凍融初期,由于PVA纖維的影響,混凝土強度上升較為緩慢,PVA纖維在一定程度上抑制了硫酸鹽的侵入,未添加PVA纖維的混凝土立方體試塊在硫酸鹽凍融循環15次時,強度達到最大值,在隨后的凍融過程中,混凝土試塊的強度不斷下降。在添加0.5%～0.75%體積摻量PVA纖維的混凝土立方體試塊在凍融45次時,混凝土強度達到最大,隨后繼續進行硫酸鹽凍融,混凝土強度迅速下降。硫酸鹽侵入增強混凝土強度約19.6%。

圖7 硫酸鹽凍融次數對混凝土抗壓強度的影響關系Fig.7 Relationship of sulfate freeze-thaw times on compressive strength of concrete

2.3.2 凍融循環次數與極限黏結強度之間的關系

由圖8可知,隨著硫酸鹽凍融循環次數的增加,鋼筋混凝土的極限黏結強度在硫酸鹽凍融30次之前有上升的趨勢,極限黏結強度上升約為5.75%,隨后在45次凍融循環后下降了2.7%,在60次凍融循環后鋼筋混凝土的極限黏結強度迅速下降,PVA的摻量越高,極限黏結強度下降越多。

圖8 凍融循環次數與極限黏結強度之間的關系Fig.8 Relationship between the number of freeze-thaw cycles and the ultimate bond strength

2.3.3 PVA摻量與峰值滑移之間的關系

由圖9可知,隨著PVA摻量的增加,在鋼筋的拉拔試驗過程中鋼筋峰值滑移隨之上升,在纖維體積摻量為0.5%的時候,鋼筋的峰值滑移量達到最大值,這是因為隨著纖維體積摻量的提高,混凝土的塑性變形能力逐步提高,但是隨著PVA纖維體積摻量進一步增加,摻入過量的纖維則會導致混凝土基體內的纖維打結成團,水泥漿體完全被纖維包裹,不能與骨料緊密結合,在基體內部形成先天缺陷,造成混凝土強度的降低。硫酸鹽的凍融次數對鋼筋的峰值滑移也有很大影響,隨著硫酸鹽凍融次數的增加,鋼筋的峰值滑移量不斷減小,證明了硫酸鹽的侵入對PVA混凝土的塑性有較大的影響,經歷15次凍融循環后,鋼筋的峰值滑移減少了17.6%,經歷30次凍融循環之后,硫酸鹽凍融對PVA混凝土的塑性影響到達最大,鋼筋的峰值滑移減少了29.3%。

圖9 PVA摻量與峰值滑移之間的關系Fig.9 Relationship curve between PVA content and peak slip

2.4 硫酸鹽和凍融在耦合狀態下對混凝土的影響分析

從試驗的整體變化趨勢可以看出: 硫酸鹽凍融初期,凍融循環對試件強度的影響不大,試件的破壞以硫酸鹽侵蝕為主,由于混凝土試件中本身存在部分孔隙,而硫酸鹽侵入內部微裂紋,同時因為凍融環境因素使得硫酸鈉的溶解度降低,部分硫酸鈉晶體遺留在混凝土孔隙中,導致混凝土內裂隙減少,因而在該階段混凝土試件的強度反而呈上升趨勢; 凍融循環次數增加,凍融影響對混凝土破壞逐漸占據主要作用,凍融循環對混凝土的影響主要是混凝土孔隙內部有自由水,自由水由于溫度變化反復凍結膨脹,混凝土的裂縫便會因為自由水的凍結膨脹而不斷擴大發展,產生薄弱部位,當試件鋼筋端部施加拉力時,鋼筋表面的凸肋以及鋼筋粗糙表面和混凝土產生斜向壓力和縱向分力,在混凝土的薄弱部位產生破壞。隨著凍融次數的增多,混凝土內部凍融損傷不斷加大,混凝土整體受到影響,試塊在鋼筋表面作用力下劈拉,試件表面產生裂縫,試件產生劈裂破壞,劈裂破壞為脆性破壞,破壞前無明顯預兆,在實際工程中應避免,而PVA纖維的添加有效阻止了裂縫的產生,使得試件的塑性應變大大加強,試件不會產生劈裂破壞,而轉變為拔出破壞。

2.5 研究硫酸鹽凍融侵蝕后PVA纖維混凝土的黏結性能具有以下創新意義以及應用

2.5.1 創新意義

通過實驗,可以深入了解硫酸鹽凍融侵蝕對PVA纖維混凝土黏結性能的影響機理。此研究有助于揭示硫酸鹽侵蝕引起的纖維與混凝土界面變化、纖維開裂和損傷擴展等過程,為優化抵抗硫酸鹽侵蝕的混凝土材料設計和工程實踐提供科學依據。中心拉拔實驗可以評估硫酸鹽侵蝕后PVA纖維混凝土的黏結性能表現,從而選擇合適的修復材料并指導修復工藝設計,提高修復效果和結構使用壽命。

2.5.2 應用

通過實驗評估不同材料、纖維類型和摻量對硫酸鹽侵蝕后PVA纖維混凝土黏結性能的影響,有助于開發出更具抗硫酸鹽侵蝕性能的混凝土材料。這對于在硫酸鹽侵蝕環境下的工程結構設計具有重要意義。實驗結果可用于評估硫酸鹽侵蝕后PVA纖維混凝土的黏結性能,為工程結構設計提供依據。這些數據可以用于計算結構在硫酸鹽侵蝕條件下的受力性能和耐久性,并指導結構設計和材料選擇。中心拉拔實驗可以作為評估硫酸鹽侵蝕后PVA纖維混凝土施工質量的指標。根據實驗數據,可以調整和優化混凝土配方、施工工藝和養護措施,確保工程結構對硫酸鹽侵蝕的抵抗性能達到預期要求。中心拉拔實驗結果可作為評估硫酸鹽侵蝕后PVA纖維混凝土結構損傷程度和可靠性的依據。對于受硫酸鹽侵蝕損傷的結構,可以根據實驗數據制定維護和修復方案,延長結構使用壽命并保障結構安全性。綜上所述,研究硫酸鹽凍融侵蝕后PVA纖維混凝土黏結性能中心拉拔實驗具有重要的創新意義和應用價值,可為抗硫酸鹽侵蝕材料研發、工程結構設計、施工質量控制以及維護與修復提供科學依據,促進結構耐久性和可持續發展。

3 結論

通過分析PVA混凝土硫酸鹽凍融后的抗壓和拉拔試驗,得出以下結論。

(1)在混凝土中添加0.5%～0.75%體積摻量的PVA纖維,增強混凝土抗壓的強度25%。混凝土韌性同時也得到增強。鋼筋混凝土拉拔破壞模式從劈裂破壞轉變為拔出破壞,混凝土破壞模式的轉變對實際工程有著重大意義。

(2)5%濃度硫酸鹽凍融循環45次之內,硫酸鹽的早期侵入混凝土中可以增強混凝土的抗壓強度。抗壓強度增強了約19.6%。試驗當中,凍融循環60次未對鋼筋產生較大影響。

(3)混凝土中添加體積摻量0.5%的PVA纖維可以增加鋼筋混凝土粘結的峰值滑移,增強了混凝土的塑性應變。經歷30次凍融循環之后,硫酸鹽凍融對PVA混凝土的塑性影響到達最大,鋼筋的峰值滑移減少了29.3%。