張?jiān)茋?guó),李 敏,韓 玥
(1. 大連交通大學(xué) 土木與安全工程學(xué)院,遼寧 大連 116028; 2. 大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 116024)
纖維輕骨料混凝土因其高強(qiáng)、輕質(zhì)、抵抗變形能力強(qiáng)而在建筑、交通、水利工程中被廣泛應(yīng)用。然而在沿海地區(qū)、灑除冰鹽地區(qū)、鹽堿地帶,氯離子侵蝕會(huì)造成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的劣化,服役過(guò)程中混凝土結(jié)構(gòu)受到持續(xù)的荷載作用會(huì)改變混凝土的孔隙特征進(jìn)而產(chǎn)生裂縫,如果氯離子侵蝕和荷載損傷交替或同時(shí)進(jìn)行時(shí),結(jié)構(gòu)破壞將更加迅速[1-4]。因此,對(duì)荷載損傷后氯離子侵蝕問(wèn)題的研究變得尤為重要。近年來(lái),研究人員對(duì)加入鋼纖維[5]、聚丙烯纖維[6-7]的普通混凝土氯離子侵蝕進(jìn)行了大量研究。隨著研究的不斷深入,還有許多學(xué)者對(duì)荷載作用下的氯離子滲透性能做了研究,荷載作用方式主要有靜態(tài)壓荷載[8-9]、動(dòng)態(tài)壓荷載[10-11]、拉荷載[12-13]、彎曲荷載[14-16]等。鄒斌等[17]在研究剪應(yīng)力對(duì)混凝土氯離子侵蝕規(guī)律的影響時(shí)提出了四點(diǎn)彎剪切法自錨加載方式,為后續(xù)研究剪應(yīng)力作用下混凝土耐久性提供了新方法。
本文以纖維輕骨料混凝土圓柱體為試驗(yàn)對(duì)象,研究了拉應(yīng)力、壓應(yīng)力作用對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)損傷后耐久性的影響,采用試驗(yàn)機(jī)加載方式使混凝土試件承受不同等級(jí)拉應(yīng)力和壓應(yīng)力作用,通過(guò)試驗(yàn)研究拉應(yīng)力、壓應(yīng)力作用后輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)變和氯離子擴(kuò)散系數(shù)間的變化規(guī)律,為今后研究正應(yīng)力作用下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性提供參考。
水泥為大連小野田水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5R普通硅酸鹽水泥;摻合料為大連華能電廠Ⅰ級(jí)粉煤灰;砂為河砂,細(xì)度模數(shù)為2.79;輕骨料為宜昌生產(chǎn)的膨脹頁(yè)巖碎石型陶粒,連續(xù)級(jí)配為5~20 mm,堆積密度為783 kg·m-3;高效減水劑為磺酸基和羧酸基共聚物的第3代產(chǎn)物,減水率為28.4%;水為自來(lái)水;纖維為竹節(jié)型聚丙烯纖維和波浪形鋼纖維,其性能指標(biāo)如表1所示。
表1聚丙烯纖維和鋼纖維性能指標(biāo)Tab.1Performance Indexes of Polypropylene Fiber and Steel Fiber
采用全計(jì)算配合比法[18],以自密實(shí)砂漿為基礎(chǔ),用自密實(shí)砂漿超量取代粗骨料空隙,在骨料中加入砂漿,確定粗骨料體積率,最終確定輕骨料混凝土配合比。用纖維等體積代替粗骨料的方法,在輕骨料混凝土中加入纖維,得到纖維輕骨料混凝土配合比,如表2所示。
試驗(yàn)包括10組試件,分別為:未摻加纖維的P0組;聚丙烯纖維體積率為0.6%,0.9%,1.2%,1.5%的試驗(yàn)組(編號(hào)P6,P9,P12,P15);纖維總體積率為0.9%的試驗(yàn)組,其中鋼-聚丙烯纖維體積率為0.1%+0.8%,0.3%+0.6%,0.5%+0.4%(編號(hào)PS1,PS3,PS5);鋼纖維體積率為1.0%,1.5%的試驗(yàn)組(編號(hào)S10,S15)。每組27個(gè)試件,其中3個(gè)用于測(cè)量抗拉強(qiáng)度,3個(gè)用于測(cè)量抗壓強(qiáng)度,9個(gè)用于測(cè)定40%,60%,80%極限拉荷載損傷后的殘余應(yīng)變,9個(gè)用于壓荷載損傷試驗(yàn)(每個(gè)等級(jí)荷載需要3個(gè)試件),3個(gè)不進(jìn)行荷載損傷試驗(yàn)直接進(jìn)行氯離子侵蝕試驗(yàn),總計(jì)270個(gè)試件。
按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352—2006)[19]、美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)混凝土試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[20]和歐洲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[21]的要求進(jìn)行混凝土的制備和工作性能的驗(yàn)證。將輕骨料混凝土拌制完成后,注入尺寸為102 mm×220 mm的PVC管模具中(內(nèi)貼1 mm厚紙片便于脫模),24 h后脫模,在溫度為20 ℃±2 ℃的飽和堿性溶液養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28 d,得到圓柱體試件,模具比試件高20 mm是為了試件成型后一端磨平處理所預(yù)留。
表2纖維輕骨料混凝土配合比Tab.2Mix Proportion of Fiber Reinforced Lightweight Aggregate Concrete
先將養(yǎng)護(hù)好的試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)??箟簭?qiáng)度試驗(yàn)在200 t萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,抗拉強(qiáng)度采用30 t電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試抗拉強(qiáng)度時(shí),先將試件兩側(cè)黏結(jié)面磨平,用植筋膠將兩端帶有拉桿的鋼制球鉸裝置固定在圓柱體試件兩端,靜置48 h進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試。鋼球鉸兩端拉桿可以±5°方向調(diào)節(jié),以保證試件所受拉力始終垂直于橫截面。受拉試件和受拉試驗(yàn)見(jiàn)圖1,2,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。然后進(jìn)行荷載損傷試驗(yàn),混凝土試件拉荷載、壓荷載損傷試驗(yàn)均采用電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。在混凝土圓柱體極限抗拉強(qiáng)度、極限抗壓強(qiáng)度的40%,60%,80%水平下持載60 s,然后卸載。試驗(yàn)過(guò)程中,用電阻應(yīng)變片測(cè)量試件在加載、持載過(guò)程中的應(yīng)變;用半橋式溫度補(bǔ)償片來(lái)減小溫度變化對(duì)應(yīng)變片電橋輸出的影響;采用DHDAS動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,采集頻率為10 Hz。
圖1受拉試件Fig.1Tensile Specimens
圖2受拉試驗(yàn)Fig.2Tensile Test
對(duì)卸載后的試件和未摻加纖維對(duì)照組試件進(jìn)行切割,先切去試件上下端部各50 mm,后將剩余部分切成兩半,得到2塊尺寸為100 mm×50 mm的小圓柱。將切割好的試塊放入氯離子濃度為4 mol·L-1的智能真空飽水機(jī)中浸泡18 h,然后用NEL-PDR氯離子擴(kuò)散系數(shù)快速測(cè)定儀測(cè)定氯離子擴(kuò)散系數(shù),儀器通過(guò)對(duì)真空飽鹽后的試件兩端施加固定電壓,使之產(chǎn)生通過(guò)試件的電流,通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算電導(dǎo)率,利用Nernst-Einstein方程計(jì)算氯離子擴(kuò)散系數(shù)。最后對(duì)每組6個(gè)數(shù)據(jù)取平均值。真空飽水機(jī)與氯離子擴(kuò)散系數(shù)快速測(cè)定儀如圖3,4所示。
圖3真空飽水機(jī)Fig.3Vacuum Water Saturation Instrument
圖4氯離子擴(kuò)散系數(shù)快速測(cè)定儀Fig.4Fast Measuring Instrument for Chloride Ion Diffusion Coefficient
圖5抗壓強(qiáng)度分布Fig.5Distribution of Compressive Strength
圖6抗拉強(qiáng)度分布Fig.6Distribution of Tensile Strength
圖5,6給出了各組試件抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的分布規(guī)律。從圖5可以看出,摻加纖維試驗(yàn)組的抗壓強(qiáng)度均高于未摻加纖維的P0組,其中摻加鋼纖維的S15組抗壓強(qiáng)度最大,達(dá)到40.1 MPa。加入聚丙烯纖維的P6組抗壓強(qiáng)度從31.3 MPa提高到33.6 MPa,P9,P12,P15組分別提高到35.1,36.8,39.2 MPa,抗壓強(qiáng)度隨聚丙烯纖維體積率的增加近似呈線性增加趨勢(shì)。相比于抗壓強(qiáng)度,纖維增強(qiáng)抗拉強(qiáng)度的效果更顯著。單摻聚丙烯纖維的P6,P9,P12,P15組試件抗拉強(qiáng)度分別增加了10%,17%,23%,32%,單摻鋼纖維的S10組和S15組抗拉強(qiáng)度分別增加了33%和41%。由此可見(jiàn)輕骨料混凝土抗拉強(qiáng)度隨著聚丙烯纖維體積率的增加而增加,鋼纖維增強(qiáng)抗拉強(qiáng)度效果優(yōu)于聚丙烯纖維,纖維增強(qiáng)了混凝土的韌性,延緩其破壞過(guò)程,提高了抗拉強(qiáng)度。
殘余應(yīng)變是混凝土結(jié)構(gòu)在荷載卸載之后仍存在的不可恢復(fù)變形,表示為無(wú)荷載作用與荷載卸載之后的應(yīng)變差值,通過(guò)應(yīng)變片在試件加載前后的讀數(shù)得到殘余應(yīng)變值。圖7,8給出了拉、壓荷載損傷后的殘余應(yīng)變分布規(guī)律,其中P為極限荷載。由圖7,8可以看出,每組輕骨料混凝土應(yīng)力水平與殘余應(yīng)變呈正相關(guān)關(guān)系,即同組試件應(yīng)力水平越高,殘余應(yīng)變?cè)酱?,混凝土?nèi)部結(jié)構(gòu)塑性變形、微裂縫損傷程度和不可恢復(fù)程度越大。由于泌水、收縮、水化不充分等原因,輕骨料混凝土內(nèi)部已經(jīng)存在很多微裂縫,隨著應(yīng)力水平增加,微裂縫擴(kuò)展最終相互連通,導(dǎo)致塑性變形增大。
圖7拉荷載作用后殘余應(yīng)變Fig.7Residual Strain After Tensile Load
圖8壓荷載作用后殘余應(yīng)變Fig.8Residual Strain After Compressive Load
由圖7還可以看出,在40%極限荷載拉應(yīng)力水平作用下,各試驗(yàn)組殘余應(yīng)變差異不大,大多分布在10×10-6左右。主要原因?yàn)椋阂环矫?,試件在較低的荷載水平作用下,拉應(yīng)力對(duì)混凝土造成的損傷程度較小,變形主要是骨料與水泥砂漿之間的彈性應(yīng)變,塑性變形所占比例較??;另一方面,纖維的加入減小了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔隙率和孔徑,使得結(jié)構(gòu)更密實(shí)。在80%極限荷載應(yīng)力水平作用下,各試驗(yàn)組殘余應(yīng)變差異大于40%極限荷載應(yīng)力水平作用,分布范圍較大,在25×10-6~120×10-6之間。與P0組相比,P15組殘余應(yīng)變減小了27×10-6,而S15組減小了49×10-6,由此可見(jiàn)鋼纖維在抵抗輕骨料混凝土變形方面明顯優(yōu)于聚丙烯纖維。
從圖8還可以看出,40%極限荷載壓應(yīng)力水平作用后,各組殘余應(yīng)變分布在20×10-6左右,大多數(shù)試驗(yàn)組的殘余應(yīng)變大于40%極限荷載拉應(yīng)力水平,低荷載作用下,纖維減小輕骨料混凝土的塑性變形在拉荷載損傷下效果更明顯。在60%極限荷載作用后,摻加纖維的各試驗(yàn)組殘余應(yīng)變均小于P0組,加入纖維之后輕骨料混凝土的塑性變形得到不同程度的減小,P6,P9,P12,P15試驗(yàn)組隨著聚丙烯纖維體積率的增加,殘余應(yīng)變分布較為穩(wěn)定,沒(méi)有明顯增減變化趨勢(shì)。摻加聚丙烯纖維和鋼纖維的總體積率都為0.9%的試驗(yàn)組由于纖維摻量較小,鋼纖維體積率的變化對(duì)抵抗混凝土變形影響不顯著。60%極限荷載應(yīng)力水平相當(dāng)于混凝土結(jié)構(gòu)在日常工作中承受概率最大的荷載等級(jí),摻加鋼纖維的S10,S15組相對(duì)于P0對(duì)照組殘余應(yīng)變減小幅度較大,分別減少了57.7%和62.6%,再次證明了鋼纖維可以增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度,提高混凝土韌性。
氯離子擴(kuò)散系數(shù)與混凝土抵抗氯離子侵蝕能力呈反比關(guān)系,氯離子擴(kuò)散系數(shù)越大,混凝土抵抗氯離子侵蝕能力越弱。圖9,10為拉荷載、壓荷載損傷后氯離子擴(kuò)散系數(shù)的分布情況。由圖9,10可知,高應(yīng)力水平作用后的試件在同組試件中氯離子擴(kuò)散系數(shù)最大,這說(shuō)明當(dāng)荷載應(yīng)力水平比較大時(shí),應(yīng)力損傷對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)氯離子侵蝕有明顯的增大作用,不能忽略。
圖9拉荷載作用后氯離子擴(kuò)散系數(shù)Fig.9Chloride Ion Diffusion Coefficient After Tensile Load
圖10壓荷載作用后氯離子擴(kuò)散系數(shù)Fig.10Chloride Ion Diffusion Coefficient After Compressive Load
從圖9還可以得出,各試驗(yàn)組中,隨著拉應(yīng)力水平的增加,氯離子擴(kuò)散系數(shù)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。例如摻加1.2%聚丙烯纖維的P12組,在沒(méi)有施加荷載時(shí)測(cè)得氯離子擴(kuò)散系數(shù)為5.66×10-9m2·s-1,施加40%,60%,80%極限荷載之后,測(cè)得氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別為11.04×10-9,13.04×10-9,17.1×10-9m2·s-1,呈遞增趨勢(shì)。拉荷載作用下混凝土微觀結(jié)構(gòu)逐步劣化,產(chǎn)生微裂縫,且拉應(yīng)力使得混凝土內(nèi)部孔隙率和孔徑增大,隨著荷載水平的提高,微裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展和相互連通,這些微裂縫可形成潛在的氯離子傳輸通道,使氯離子更容易進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部。因此施加的荷載等級(jí)越高,混凝土抵抗氯離子侵蝕能力越弱。
在沒(méi)有施加荷載的試驗(yàn)組中,P0組氯離子擴(kuò)散系數(shù)為8.86×10-9m2·s-1,與P0組相比,P6,P9,P12,P15組氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別減少0.75×10-9,2.23×10-9,3.2×10-9,3.35×10-9m2·s-1,降低率分別為8%,26%,36%,37%。由此說(shuō)明聚丙烯纖維的加入,使得輕骨料混凝土的抗?jié)B性能得到提高,加入體積率為1.5%的聚丙烯纖維試驗(yàn)組的抵抗氯離子侵蝕性能優(yōu)于其他聚丙烯纖維體積率的混凝土。摻加聚丙烯纖維和鋼纖維的PS1,PS3,PS5試驗(yàn)組氯離子擴(kuò)散系數(shù)減少了17%,15%,18%,隨鋼纖維體積率的增加不明顯。
對(duì)于沒(méi)有施加荷載的試驗(yàn)組S10,S15,氯離子擴(kuò)散系數(shù)與沒(méi)有施加荷載的P0組相比均增大,其中摻加鋼纖維體積率為1.5%的S15組增加了77.2%,增長(zhǎng)十分顯著。對(duì)于增長(zhǎng)顯著的原因,一般認(rèn)為這是由于氯離子侵蝕加速了鋼纖維鈍化膜的破壞。水泥水化過(guò)程產(chǎn)生的高堿性環(huán)境(pH≥12.6)會(huì)使得鋼纖維表面形成一層致密的鈍化膜,鋼纖維正常環(huán)境下不被侵蝕是因?yàn)殁g化膜中的Si-O鍵對(duì)其有保護(hù)作用,而鈍化膜只有在高堿性環(huán)境下才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),一旦pH值減小(pH<11.5時(shí)),鈍化膜就開(kāi)始變得不穩(wěn)定;當(dāng)pH<9.88時(shí),鈍化膜就會(huì)被破壞。研究表明,混凝土孔隙溶液中的Cl-與Fe2+反應(yīng)生成易溶的綠銹FeCl2·4H2O,并立即分解,反應(yīng)式如下
Fe2++2Cl-+4H2O→FeCl2·4H2O
(1)
FeCl2·4H2O→Fe(OH)2+2Cl-+H++2H2O
(2)
可以看出Cl-在反應(yīng)中只是起到了催化作用,生成的H+和OH-發(fā)生中和反應(yīng),使得結(jié)構(gòu)內(nèi)部pH下降,從而導(dǎo)致鈍化膜破壞。在加入鋼纖維的輕骨料混凝土試驗(yàn)組中,氯離子滲透進(jìn)入混凝土內(nèi)部加速破壞了鈍化膜,引起鋼纖維銹蝕,由于銹蝕物的體積大于原來(lái)消耗的鋼纖維體積并且會(huì)對(duì)周圍的混凝土產(chǎn)生銹脹作用,使得結(jié)構(gòu)不密實(shí)。再加上鋼纖維本身具有良好的導(dǎo)電性質(zhì),本次試驗(yàn)氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定的方法實(shí)質(zhì)是電通量法,因此得到的氯離子擴(kuò)散系數(shù)增長(zhǎng)幅度較大。
由圖10還可以看出,隨著壓應(yīng)力水平的逐漸提高,聚丙烯纖維體積率為1.5%的P15組氯離子擴(kuò)散系數(shù)逐漸增大。在不受荷載時(shí)氯離子擴(kuò)散系數(shù)為5.51×10-9m2·s-1,受到40%,60%,80%極限荷載后氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別為10.13×10-9,12.3×10-9,16.67×10-9m2·s-1,與施加同等荷載的P0組相比,分別增長(zhǎng)8.8%,28.1%,42.5%。由于在輕骨料混凝土中摻入一定量的纖維,會(huì)產(chǎn)生很多新的界面,和水泥砂漿與骨料界面一樣,都是結(jié)構(gòu)內(nèi)部的薄弱部位,當(dāng)受到的壓應(yīng)力水平逐漸提高時(shí),這些薄弱部位首先破壞,為氯離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部提供更多的通道,因此,氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨荷載等級(jí)增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。與P15組摻加同體積率的鋼纖維S15組在不施加荷載時(shí)氯離子擴(kuò)散系數(shù)為15.1×10-9m2·s-1,施加40%,60%,80%極限荷載后氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別為16.8×10-9,18.2×10-9,25.6×10-9m2·s-1,與施加同等荷載的P0組相比,增長(zhǎng)幅度分別為80.4%,89.6%,118.8%,增長(zhǎng)率遠(yuǎn)大于P15組。氯離子對(duì)聚丙烯纖維混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的酸堿環(huán)境改變不會(huì)影響到纖維本身,而氯離子通過(guò)改變鋼纖維輕骨料混凝土內(nèi)部的酸堿度,對(duì)破壞鋼纖維表面的鈍化膜起到催化作用,由于鋼纖維具有導(dǎo)電性高的特點(diǎn),在同等強(qiáng)度等級(jí)作用下,鋼纖維輕骨料混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)更大一些。
圖11拉荷載作用后殘余應(yīng)變與氯離子擴(kuò)散系數(shù)分布Fig.11Distributions of Residual Strain and Chloride Diffusion Coefficient After Tensile Load
圖12壓荷載作用后殘余應(yīng)變與氯離子擴(kuò)散系數(shù)分布Fig.12Distributions of Residual Strain-chloride Diffusion Coefficient After Compressive Load
圖11,12給出了拉、壓荷載作用后纖維輕骨料混凝土在不同荷載等級(jí)作用下殘余應(yīng)變與氯離子擴(kuò)散系數(shù)的分布情況。從圖11,12可以看出,總的趨勢(shì)是隨著荷載等級(jí)的增大,混凝土殘余應(yīng)變?cè)谠龃?,?nèi)部結(jié)構(gòu)不可恢復(fù)變形增大,最終導(dǎo)致氯離子擴(kuò)散系數(shù)明顯增大。結(jié)合圖7,8可以看出,隨著纖維摻量的增加,混凝土殘余應(yīng)變并沒(méi)有呈現(xiàn)顯著的變小趨勢(shì)。這是因?yàn)槔w維摻量的增加導(dǎo)致了極限強(qiáng)度增加,在施加相應(yīng)水平的損傷荷載時(shí)其荷載大小也在增加,因而沒(méi)有出現(xiàn)殘余應(yīng)變減小的情況。結(jié)合圖9,10可以看出,未施加荷載時(shí),單摻聚丙烯纖維組的氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著纖維的增加而變小,混摻纖維組基本保持不變,鋼纖維組顯著增加,施加荷載后纖維的增加沒(méi)有顯著改善混凝土抗氯離子擴(kuò)散性能。總之,殘余應(yīng)變與氯離子擴(kuò)散系數(shù)間存在正相關(guān)特性,殘余應(yīng)變?cè)酱螅入x子擴(kuò)散系數(shù)越大。
(1)荷載作用后,混凝土殘余應(yīng)變隨著拉、壓荷載等級(jí)的增大而增大,殘余應(yīng)變?cè)黾雍?,混凝土抗氯離子侵蝕能力降低,纖維對(duì)輕骨料混凝土極限強(qiáng)度和抗變形能力提高顯著。
(2)無(wú)荷載作用時(shí),隨著聚丙烯纖維摻量的增加氯離子擴(kuò)散系數(shù)降低,混凝土抵抗氯離子侵蝕能力增加;有荷載作用時(shí),纖維的摻入對(duì)混凝土抗氯離子侵蝕能力并無(wú)顯著改善。
(3)工程中應(yīng)用纖維改善輕骨料混凝土抗氯離子侵蝕能力建議采用聚丙烯等有機(jī)纖維;NEL法測(cè)量氯離子擴(kuò)散系數(shù)并不適用于鋼纖維輕骨料混凝土,鋼纖維自身導(dǎo)電性會(huì)影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。