復(fù)摻聚乙烯醇纖維和納米二氧化硅對(duì)水工混凝土耐久性的影響

陳作汀

(福建弘源工程管理有限公司，福建 龍巖 364000)

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

此次試驗(yàn)研究使用的是P·O42.5普通硅酸鹽水泥；粗骨料為粒徑范圍5～20 mm的連續(xù)級(jí)配人工石灰?guī)r碎石；細(xì)骨料為機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)為2.65；試驗(yàn)用水為普通自來(lái)水；減水劑為聚羧酸高效減水劑。

試驗(yàn)用聚乙烯醇纖維為徐州永泰化工科技有限公司生產(chǎn)，主要技術(shù)指標(biāo)如下：長(zhǎng)度12 mm，直徑15 μm，斷裂伸長(zhǎng)率6.9%，抗壓強(qiáng)度1830 MPa，彈性模量40 GPa，密度1.29 g/cm3。

試驗(yàn)用納米二氧化硅為天津新科科技有限公司生產(chǎn)，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：粒徑20 nm，體積密度0.06 g/cm3，比表面積240 m2/g，純度為99.85%。

1.2 試驗(yàn)方案

研究中以水工建設(shè)中常用的C40混凝土為基準(zhǔn)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，混凝土目標(biāo)抗壓強(qiáng)度為 40.0 MPa，試配抗壓強(qiáng)度為48.2 MPa，坍落度為 80～120 mm，較大粒度為 20 mm。其中，聚乙烯醇纖維和納米二氧化硅的摻量參考相關(guān)單摻試驗(yàn)的研究成果確定[1]。此次試驗(yàn)僅以對(duì)比試驗(yàn)的方式探討復(fù)摻方案對(duì)水工混凝土抗凍性的影響，不考慮聚乙烯醇纖維和納米二氧化硅不同摻量水平配比可能對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。其中，聚乙烯醇纖維的摻加量以體積分?jǐn)?shù)0.1%確定，納米二氧化硅的摻量以質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%替代等量水泥材料，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和材料用量如表1所示。

表1 不同試驗(yàn)方案配合比設(shè)計(jì)

1.3 試驗(yàn)方法

此次試驗(yàn)按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352—2020)的相關(guān)要求，采用的是100 mm×100 mm×400 mm的長(zhǎng)方體試件。在混凝土材料制作過(guò)程中，首先按照配合比方案設(shè)計(jì)稱量好各種試驗(yàn)材料，并將粗骨料、細(xì)骨料和水泥倒入攪拌機(jī)攪拌1 min。對(duì)于普通混凝土，加入水?dāng)嚢?0 s；對(duì)于單摻聚乙烯醇纖維方案，則加入聚乙烯醇纖維攪拌60 s，再加入水?dāng)嚢?0 s；對(duì)于單摻納米二氧化硅方案，則加入納米二氧化硅和水的混合液并攪拌120 s；對(duì)于復(fù)摻方案，則加入聚乙烯醇纖維攪拌60 s，再加入納米二氧化硅和水的混合液并攪拌120 s。將制作完成的混凝土材料迅速倒入試模成型，在脫模編號(hào)后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d齡期備用。

水工建筑物在水、溫度、地震等諸多環(huán)境因素的影響下，其內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)也會(huì)不斷發(fā)生變化，這種循環(huán)往復(fù)的疲勞應(yīng)力會(huì)引起水工混凝土的力學(xué)性能劣化和疲勞損傷。因此，抗疲勞性能是衡量水工混凝土耐久性的重要指標(biāo)。此次試驗(yàn)研究中使用電液伺服動(dòng)靜試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行疲勞加載試驗(yàn)，試驗(yàn)中每進(jìn)行5000次加載試驗(yàn)測(cè)量一次動(dòng)彈模量，并用其反映混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的疲勞損傷情況。

試件的凍融試驗(yàn)采用NELD-BFC 型快速凍融試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行快凍試驗(yàn)。試驗(yàn)中凍結(jié)溫度設(shè)定在-18 ℃，融化溫度設(shè)定在8 ℃。凍結(jié)時(shí)間為2.0 h，融化時(shí)間為1.5 h，一次凍融循環(huán)為3.5 h，共進(jìn)行100次凍融循環(huán)。試驗(yàn)開始前以及第25次、50次、75次以及100次凍融試驗(yàn)結(jié)束后，分別測(cè)量試件的質(zhì)量和抗壓強(qiáng)度并做好記錄。試驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和對(duì)比分析，對(duì)不同方案試件的抗凍性進(jìn)行比較和評(píng)價(jià)。

在沿海和內(nèi)陸鹽漬區(qū)的水利工程，氯鹽侵蝕也是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要因素[2]。基于此，此次研究中以氯離子遷移系數(shù)作為抗氯鹽侵蝕評(píng)價(jià)指標(biāo)[3]。在試驗(yàn)過(guò)程中，將試塊全浸泡于3.5%NaCl溶液中，測(cè)試浸泡30 d、60 d、90 d、120 d時(shí)的氯離子含量，并計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗疲勞性

根據(jù)抗疲勞試驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)，計(jì)算獲取不同試驗(yàn)方案、不同疲勞試驗(yàn)次數(shù)的水工混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈模量，結(jié)果如表2所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著疲勞試驗(yàn)次數(shù)的增加，水工混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈模量呈現(xiàn)出先迅速減小后小幅下降的變化趨勢(shì)。另一方面，在試驗(yàn)次數(shù)相同的情況下，普通混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量值最小，其次是單摻二氧化硅方案，再次是單摻聚乙烯醇纖維方案，而復(fù)摻方案的相對(duì)動(dòng)彈模量值最大。由此可見，復(fù)摻方案混凝土的抗疲勞性能的要優(yōu)于單摻方案，而單摻方案要優(yōu)于普通混凝土方案。總之，在水工混凝土中復(fù)摻聚乙烯醇纖維和納米二氧化硅可以有效提升其抗疲勞性能，對(duì)提高水工混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和工程服役年限有利。

表2 各方案抗疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果

2.2 抗凍性

根據(jù)抗凍性試驗(yàn)中測(cè)試的試件質(zhì)量數(shù)據(jù)，計(jì)算獲取不同試驗(yàn)方案、不同凍融循環(huán)次數(shù)的質(zhì)量損失率，結(jié)果如表3所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，各方案試件的質(zhì)量損失率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，呈現(xiàn)出先小幅減小后不斷增大的變化特點(diǎn)。從不同試驗(yàn)方案的對(duì)比來(lái)看，單摻聚乙烯醇纖維和納米二氧化硅方案的質(zhì)量損失率均小于普通混凝土方案，說(shuō)明兩者均具有提高混凝土抗凍性的作用。相對(duì)而言，摻加聚乙烯醇纖維方案的效果更佳，原因可能是摻加聚乙烯醇纖維方案更有利于控制混凝土表面和內(nèi)部的微裂隙，減少凍融循環(huán)下混凝土試件表面剝落。4種試驗(yàn)方案對(duì)比，復(fù)摻方案的優(yōu)勢(shì)最為明顯，100次凍融循環(huán)試驗(yàn)后的質(zhì)量損失率最小，原因是復(fù)摻方案可以充分發(fā)揮兩種材料的抗凍作用，因此，抗凍性能更佳。

表3 各方案質(zhì)量損失率試驗(yàn)結(jié)果 %

根據(jù)抗凍性試驗(yàn)中測(cè)試的試件抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)，計(jì)算獲取不同試驗(yàn)方案、不同凍融循環(huán)次數(shù)的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如表4所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，復(fù)摻聚乙烯醇纖維和納米二氧化硅方案的初始抗壓強(qiáng)度值最大，其次是單摻聚丙烯醇纖維方案，再次是單摻納米二氧化硅方案，普通混凝土方案的初始抗壓強(qiáng)度值最小。究其原因，主要是在混凝土摻入聚丙烯醇纖維或納米二氧化硅能夠有效提升混凝土的整體性和密實(shí)度，可以提升混凝土的初始抗壓強(qiáng)度。另一方面，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，抗壓強(qiáng)度損失率呈現(xiàn)出不斷增大的變化趨勢(shì)。相對(duì)而言，混摻方案的抗壓強(qiáng)度損失率增加最慢，其次是單摻聚丙烯醇方案，再次是單摻納米二氧化硅方案，普通混凝土方案的抗壓強(qiáng)度損失率增加幅度最大。由此可見，復(fù)摻方案的初始抗壓強(qiáng)度最大，且抗壓強(qiáng)度損失率最小，具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

表4 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 MPa

2.3 抗氯離子侵蝕性能

對(duì)不同試驗(yàn)方案下水工混凝土的氯鹽侵蝕后的氯離子遷移系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，獲得不同方案、不同浸泡時(shí)間混凝土試件的氯離子遷移系數(shù)，結(jié)果如表5所示。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，各個(gè)試驗(yàn)方案混凝土在氯鹽侵蝕后的氯離子遷移系數(shù)隨著浸泡時(shí)間的增加呈現(xiàn)出不斷增大的變化特點(diǎn)，且增大的速率也不斷加快。從不同方案的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，混摻方案的氯離子遷移系數(shù)值最小，其次是單摻聚丙烯醇方案，再次是單摻納米二氧化硅方案，普通混凝土方案的氯離子遷移系數(shù)值最大。由此可見，復(fù)摻方案相對(duì)單摻方案和普通混凝土方案，在抗氯離子侵蝕方面優(yōu)勢(shì)顯著，有助于提高沿海和內(nèi)陸鹽漬區(qū)水利工程混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

3 結(jié) 語(yǔ)

在寒區(qū)水利工程建設(shè)中，混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍融性能十分重要，是影響工程質(zhì)量和耐久性的重要因素。此次研究利用室內(nèi)試驗(yàn)的方式，探討了復(fù)摻聚乙烯醇纖維和納米二氧化硅對(duì)水工混凝土耐久性的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在水工混凝土中同時(shí)摻入聚丙烯醇纖維和納米二氧化硅方案下，4萬(wàn)次抗疲勞試驗(yàn)次數(shù)的相對(duì)動(dòng)彈模量為81.46%；100次凍融循環(huán)次數(shù)下的質(zhì)量損失率為1.664%，抗壓強(qiáng)度為44.41 MPa；浸泡時(shí)間120 d的氯離子遷移系數(shù)為1.27×10-12m/s，上述指標(biāo)均顯著由于單摻方案，可以有效提升水利工程混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，可以為理論研究和工程實(shí)踐提供有益的支持和借鑒。當(dāng)然，此次研究?jī)H針對(duì)單一摻量水平展開，在今后的研究中應(yīng)該針對(duì)聚丙烯醇纖維和納米二氧化硅的不同摻量水平組合展開試驗(yàn)，以獲得最佳摻量水平組合，為工程設(shè)計(jì)建設(shè)提供更有利的支持。