陶友海
(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司, 天津 300450)
混凝土作為應(yīng)用最為廣泛的建筑材料,在不同的服役條件下會(huì)受到各種環(huán)境因素的影響產(chǎn)生損傷,縮短混凝土使用壽命進(jìn)而威脅結(jié)構(gòu)安全。凍融破壞是我國北方寒區(qū)最為常見的混凝土耐久性問題。一般認(rèn)為,混凝土的凍融破壞是由于孔隙中的游離水在溫度的作用下循環(huán)地凍結(jié)消融,使孔隙不斷地受到凍脹壓力及滲透壓力的交替作用,導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。這種破壞由表層開始,不斷向內(nèi)部發(fā)展,使混凝土產(chǎn)生剝蝕破壞,從而影響混凝土的力學(xué)性能[1-2]。
在實(shí)際工程中,纖維被越來越多地應(yīng)用于混凝土中來改善混凝土的抗凍性能[3-6]。趙小明等[7]通過大量的試驗(yàn)研究表明,在混凝土中混合摻入鋼纖維和聚乙烯醇纖維,可以有效提高混凝土的抗凍耐久性。梁寧慧等[8]研究了多種尺寸的聚丙烯纖維對混凝土抗凍性的影響,結(jié)果表明,聚丙烯纖維可以明顯改善混凝土的微觀孔結(jié)構(gòu)和抗凍性,當(dāng)混摻多尺寸聚丙烯纖維時(shí),混凝土抗凍性提升最為明顯。何柏等[9]對比研究了幾種不同親水性纖維在凍融環(huán)境下對混凝土性能的影響規(guī)律,結(jié)果表明親水性更好的纖維素纖維對混凝土抗凍性的改善效果最佳。陳柳灼等[10]試驗(yàn)證明,聚丙烯纖維可以提高混凝土的抗拉性能,對抗壓強(qiáng)度影響不大,同時(shí)可以明顯改善混凝土抗凍耐久性。程猛等[11]也通過實(shí)驗(yàn)證明,摻入適量纖維和粉煤灰能緩解混凝土內(nèi)部壓力引起的應(yīng)力集中,從而增強(qiáng)混凝土抗凍破壞能力。
纖維素纖維是世界上含量最豐富的天然有機(jī)物,在自然界中分布廣泛。目前,纖維素纖維作為一種低碳環(huán)保材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于混凝土生產(chǎn)中[12-15]。纖維素纖維作為混凝土基體中的橋梁傳遞應(yīng)力,延緩裂紋的發(fā)展,同時(shí)也可以提升基體黏度,提高混凝土的強(qiáng)度[16-19]。但也有學(xué)者認(rèn)為混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的變化和發(fā)展是引起混凝土損傷的根本原因,而纖維的引入會(huì)一定程度增大混凝土內(nèi)部孔隙的尺寸,從而加快了孔隙破壞的速度。同時(shí),纖維在混凝土的堿性環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)老化的現(xiàn)象,在服役一段時(shí)間后失去傳遞應(yīng)力的能力。
粉煤灰作為最常見的輔助膠凝材料,具有弱堿性的特點(diǎn),同時(shí)由于其較好的火山灰活性,有助于提高混凝土內(nèi)部致密性。但現(xiàn)有的研究成果大多從宏觀力學(xué)角度分析粉煤灰對纖維素纖維混凝土力學(xué)性能的影響,從細(xì)觀機(jī)理分析研究尚少。因此,現(xiàn)對不同摻量粉煤灰對纖維素纖維混凝土在凍融環(huán)境下的力學(xué)性能及微觀孔隙信息參數(shù)進(jìn)行分析研究,歸納粉煤灰對纖維素纖維混凝土抗凍性的影響規(guī)律,以期為粉煤灰及纖維素纖維的實(shí)際應(yīng)用提供相應(yīng)的理論性參考。
當(dāng)過多的纖維摻入混凝土中時(shí),會(huì)導(dǎo)致纖維結(jié)團(tuán)從而影響局部砂漿的孔隙結(jié)構(gòu),同時(shí)也會(huì)降低混凝土的和易性,增加施工難度。當(dāng)纖維摻量為0.9 kg/m3時(shí),纖維可以最優(yōu)地發(fā)揮其特性,對混凝土的綜合性能起到增強(qiáng)效果。本次試驗(yàn)中的纖維素纖維混凝土纖維摻量均為0.9 kg/m3,按照粉煤灰代替0、10%、20%、30%的水泥,將試樣分別編號(hào)為CF0.9、CF0.9FA10、CF0.9FA20、CF0.9FA30,不添加纖維素纖維和粉煤灰的對照組混凝土編號(hào)為PC,具體的配合比如表1所示。
表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix proportion
水泥采用陜西銅川聲威產(chǎn)生的42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥;細(xì)骨料采用渭河中砂,細(xì)度模數(shù)為2.7,表觀密度為2.69 g/cm3,含泥量約為1.2%;粗骨料采用陜西鎮(zhèn)安的砂卵石,粒徑為5~20 mm,級(jí)配連續(xù);粉煤灰是以灞橋電廠的高爐礦渣為原料,等級(jí)為Ⅱ級(jí),減水劑使用萘系高效減水劑。
各組混凝土按照設(shè)計(jì)的配合比制作完成后,在100 mm×100 mm×100 mm及100 mm×100 mm×400 mm鋼模中澆筑,24 h后拆模,放入溫度為(20±2)℃,相對濕度為95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)28 d后,測定各組混凝土的抗壓強(qiáng)度。繼續(xù)養(yǎng)護(hù)60 d后開始凍融循環(huán)試驗(yàn)。
按照GB /T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的快凍法進(jìn)行凍融試驗(yàn)。在凍融過程中,樣品的中心溫度為-18~5 ℃。在凍融過程前測定混凝土的初始質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度及初始動(dòng)彈模量,并對初始采樣樣品進(jìn)行核磁共振掃描,測量孔隙率及孔隙分布等參數(shù)。凍融過程中,每25個(gè)循環(huán)對尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的樣品進(jìn)行質(zhì)量及橫向基頻測定,計(jì)算得出相應(yīng)的質(zhì)量損失率及相對動(dòng)彈模量;每50個(gè)循環(huán)對尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試樣進(jìn)行單軸受壓破壞試驗(yàn);每100個(gè)凍融循環(huán)對采取樣品進(jìn)行核磁共振分析,計(jì)算求得相關(guān)孔隙信息參數(shù)。
利用核磁共振準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測了混凝土在硫酸鹽侵蝕過程中的孔結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)前,對再生混凝土試件進(jìn)行真空和飽和處理。采用真空飽和裝置抽氣4 h,然后用水浸泡24 h。在將混凝土樣品放入核磁共振儀之前,用一層塑料薄膜包裹圓柱體樣品的表面,以防止試驗(yàn)過程中因失水而造成孔隙數(shù)據(jù)誤差。核磁共振T2譜的分布與孔徑有關(guān),T2譜的分布反映了孔隙的分布。T2值越大,孔隙半徑越大。峰的位置與孔徑有關(guān),峰面積與孔的數(shù)量有關(guān)[20]。T2值與孔隙半徑的關(guān)系為
r=CT2
(1)
式(1)中:C為常數(shù)轉(zhuǎn)換系數(shù)。本試驗(yàn)采用的數(shù)值為0.008 μm/ms。根據(jù)孔隙半徑,混凝土中的孔隙可分為4種類型:微孔(r<0.01 μm)、中孔(0.01~0.05 μm)、大孔(0.05~1 μm)和裂縫(r>1 μm)[21-22]。
混凝土凍融循環(huán)破壞的過程是自表至里的剝蝕作用,水體在凍融交替中對混凝土中的孔隙產(chǎn)生凍脹力和滲透壓力的綜合破壞,整個(gè)破壞過程中混凝土表面的孔隙逐漸變大,水泥砂漿脫落。這一過程中會(huì)造成混凝土試件質(zhì)量的變化,通過測量凍融循環(huán)過程中試件質(zhì)量并加以分析,可以對判定混凝土抗凍融能力提供參考。
圖1為各組混凝土在凍融循環(huán)下的質(zhì)量損失率情況??梢悦黠@看出,纖維素纖維混凝土試件在凍融循環(huán)下質(zhì)量損失率呈現(xiàn)先降后升的趨勢。整個(gè)過程基本分為3個(gè)階段:質(zhì)量增加期、質(zhì)量緩降期和質(zhì)量速降期。
在凍融循環(huán)早期,各組混凝土的質(zhì)量都有一定程度的增加,其中普通混凝土質(zhì)量增長程度最小,而4組纖維素纖維混凝土均在凍融50~75次時(shí)達(dá)到最大。這一階段,凍融循環(huán)對混凝土的破壞程度相對較小,破壞導(dǎo)致剝落的砂漿質(zhì)量小于進(jìn)入混凝土內(nèi)部的水的質(zhì)量,所以質(zhì)量有所增加。由于纖維素纖維較好的吸水性,使得4組纖維素纖維混凝土的質(zhì)量增加更為明顯。隨著凍融循環(huán)的繼續(xù),試樣表層砂漿持續(xù)掉落,破壞由此可以進(jìn)一步深入。在凍融循環(huán)200次以后,各組混凝土均進(jìn)入質(zhì)量速降階段,破壞產(chǎn)生的微裂隙持續(xù)發(fā)展,砂漿掉落明顯,混凝土表層結(jié)構(gòu)逐漸疏松。在凍融300次以后,PC的質(zhì)量損失最大,為2.1%。CF0.9、CF0.9FA10、CF0.9FA20和CF0.9FA30的質(zhì)量損失率分別為1.41%、1.23%、1.18%和1.87%。
圖1 凍融循環(huán)下的混凝土質(zhì)量損失率Fig.1 Mass loss rate of concrete under freeze-thaw cycle
相對動(dòng)彈模量反映的是混凝土樣品的內(nèi)部密實(shí)程度,也從側(cè)面反映出混凝土在不同環(huán)境下的受破壞程度。從圖2中可以明顯看出,在凍融循環(huán)75次時(shí),PC的相對動(dòng)彈模量已經(jīng)明顯低于幾組纖維素纖維混凝土,這說明纖維素纖維的摻入對混凝土凍融前期的耐久性提升作用還是很明顯的。隨著凍融次數(shù)的增加,PC的相對動(dòng)彈模量持續(xù)下降,且下降速率明顯高于纖維素纖維混凝土。幾組纖維素纖維混凝土在凍融循環(huán)150次前的相對動(dòng)彈模量差異不大。150次后,CF0.9和CF0.9FA30的相對動(dòng)彈模量下降速率比CF0.9FA10和CF0.9FA20更加明顯。在300次凍融循環(huán)后,PC、CF0.9、CF0.9FA10、CF0.9FA20和CF0.9FA30的相對動(dòng)彈模量分別為73.3%、84.9%、87.9%、89.5%和82.1%。纖維素纖維可以明顯提升混凝土在凍融環(huán)境下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,粉煤灰對于纖維素纖維混凝土的抗凍性也有顯著的改善作用,且在20%的取代率內(nèi),粉煤灰摻量越多對纖維素纖維抗凍性的提升越明顯。30%摻量的粉煤灰并不能使混凝土抗凍性持續(xù)提升,且效果反而不如CF0.9。
圖2 凍融循環(huán)下的混凝土相對動(dòng)彈模量Fig.2 Relative dynamic elastic modulus of concrete under freeze-thaw cycles
各組混凝土在標(biāo)準(zhǔn)氧化條件下養(yǎng)護(hù)28 d和60 d后的立方體抗壓強(qiáng)度如圖3所示。顯然,纖維素纖維可以一定程度上提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。而粉煤灰對于混凝土的抗壓強(qiáng)度有負(fù)面影響,且粉煤灰摻量越高,混凝土抗壓強(qiáng)度越低。在28~60 d養(yǎng)護(hù)階段,PC、CF0.9、CF0.9FA10、CF0.9FA20和CF0.9FA30的抗壓強(qiáng)度增長率分別為9.3%、11.2%、15.8%、17.9%和13.1%。粉煤灰有利于混凝土強(qiáng)度的長期增長,這是由于粉煤灰與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生二次反映,從而形成致密的C-S-H凝膠,增強(qiáng)了基體強(qiáng)度。
圖3 養(yǎng)護(hù)期及凍融循環(huán)下的立方體抗壓強(qiáng)度Fig.3 Cube compressive strength during curing period and freeze-thaw cycle
各組混凝土在凍融循環(huán)條件下的強(qiáng)度變化如圖3所示。在凍融循環(huán)初期(0~50個(gè)循環(huán)),各組混凝土的強(qiáng)度基本維持不變,只有小幅的下降。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,各組混凝土強(qiáng)度開始出現(xiàn)明顯的下降,PC組下降的速率最快,CF0.9的強(qiáng)度下降程度也明顯高于摻入粉煤灰的幾組纖維素纖維混凝土。在200次凍融循環(huán)后,各組混凝土的強(qiáng)度進(jìn)入快速劣化階段,300次凍融循環(huán)后,PC、CF0.9、CF0.9FA10、CF0.9FA20和CF0.9FA30的抗壓強(qiáng)度分別為凍融前的64.7%、73%、81.9%、83%和75.6%。纖維素纖維和粉煤灰的摻入都可以一定程度提高混凝土的抗凍耐久性。
本次試驗(yàn)借助核磁共振技術(shù),獲得了各組混凝土樣品在凍融循環(huán)條件下的T2譜曲線,在曲線上,左邊的峰代表小孔,第二個(gè)峰代表中孔,最右邊的峰代表大孔和微裂隙。圖4為CF0.9FA10在凍融過程中的T2曲線,凍融前,CF0.9FA10內(nèi)部孔隙主要以小孔為主,占比為86.65%,而中孔和大孔占比分別為10.74%和3.61%。隨著凍融過程的繼續(xù),中孔和大孔的發(fā)展更為明顯,在300次凍融循環(huán)后,大孔占比明顯增加,達(dá)到了21.87%??梢?,凍融破壞是混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)演變的結(jié)果,小孔隙逐漸在凍脹力和滲透壓力的作用下發(fā)展為較大的孔隙,進(jìn)而產(chǎn)生微裂隙,導(dǎo)致漿體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。
各組混凝土樣品在凍融過程中的孔隙分布變化情況如表2所示,可見纖維素纖維的摻入對混凝土孔隙分布的影響不大,但粉煤灰對于纖維素纖維混凝土的孔隙分布有著明顯的改善作用,且粉煤灰摻量越大,小孔和中孔的合計(jì)占比越高。另外,粉煤灰和纖維素纖維聯(lián)合使用可以有效改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu),其中CF0.9FA20在300次凍融循環(huán)后的大孔占比為14.04,明顯小于其他幾組混凝土。
圖4 凍融循環(huán)下CF0.9FA10的核磁共振T2曲線Fig.4 NMR T2 curve of CF0.9FA10 under freeze-thaw cycle
表2 凍融循環(huán)下混凝土孔隙分布變化Table 2 Change of pore distribution in concrete under freeze-thaw cycle
纖維素纖維具有很好的吸水性,且比表面積極高,水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣(C-H)可以沉淀在纖維素上,從而促進(jìn)水泥的水化程度[23]。再加上纖維素纖維嵌入基體,這樣的綜合作用可以顯著提高基體的強(qiáng)度。粉煤灰的加入可以使活性組分與C-H發(fā)生火山灰反應(yīng),生成致密且穩(wěn)定的C-S-H凝膠,使得混凝土孔隙均勻化,從而一定程度上改善孔隙結(jié)構(gòu)[24]。粉煤灰摻量越高,孔隙結(jié)構(gòu)越致密,但過多的粉煤灰又會(huì)降低水泥基體的強(qiáng)度,所以粉煤灰摻量為20%較為合適,同時(shí)粉煤灰是低堿材料,消耗堿性物質(zhì)C-H,在基體內(nèi)形成低堿環(huán)境,可以使纖維素纖維有著更好的耐久性。
(1)纖維素纖維可以增強(qiáng)混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu),提高內(nèi)部強(qiáng)度。同時(shí)也可以提升混凝土的抗凍耐久性;將粉煤灰摻入纖維素纖維混凝土?xí)r,可以提升纖維素纖維混凝土的基體強(qiáng)度,使混凝土在凍融循環(huán)條件下內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,提高混凝土的抗凍耐久性。
(2)在凍融循環(huán)作用下,低摻量粉煤灰可以有效延緩纖維素纖維混凝土力學(xué)性能的劣化,而當(dāng)粉煤灰摻量超過30%后,反而會(huì)削弱基體強(qiáng)度,對抗凍性產(chǎn)生不利影響。
(3)凍融循環(huán)下,纖維素纖維混凝土的力學(xué)性能差異是基體強(qiáng)度和孔隙分布差異的宏觀表現(xiàn),減少大孔隙,遏制其發(fā)展對于提高抗凍耐久性有重要意義。