孫 杰，吳 爽，馬 穩(wěn)，孫明星，馮 川，張 堯

(1.武漢科技大學 城市建設(shè)學院， 湖北 武漢 430065；2.湖北交投產(chǎn)城隨州發(fā)展有限公司， 湖北 隨州 441300)

我國北方不少地域均存在硫酸鹽和氯鹽等侵蝕混凝土結(jié)構(gòu)的介質(zhì)[1-2]，然而，高寒地區(qū)的水位變動，混凝土會同時受到干濕循環(huán)和凍融雙重因素影響，在該條件下的混凝土結(jié)構(gòu)損傷劣化速度更快。相關(guān)研究表明，硫酸鹽前期雖能降低凍融循環(huán)對混凝土的劣化，但后期膨脹力、結(jié)晶壓力和凍脹力共同作用使混凝土加速劣化[3]。相對于連續(xù)浸泡作用，干濕循環(huán)作用下混凝土受硫酸鹽侵蝕程度更嚴重[4-6]。有學者采用浸泡-室溫干燥的方法來創(chuàng)造干濕循環(huán)條件從而避免烘干過程中溫度對混凝土裂縫的影響[7-8]。

玄武巖纖維在高溫狀態(tài)和惡劣環(huán)境中能夠保持優(yōu)良形態(tài)和性能，是一種極具有應(yīng)用前景的天然無機非金屬材料[9-11]。研究表明：向基體混凝土中加入玄武巖纖維，會阻礙混凝土裂縫擴展、孔隙增加，可以有效緩和混凝土質(zhì)量損失以及相對動彈性模量的降低速度，削弱外界的侵蝕作用，從而使混凝土的抗凍性能得到提升[12-16]。聚丙烯纖維平均間距小，具有質(zhì)量輕、強度高和耐腐蝕等優(yōu)點，向混凝土中摻入聚丙烯纖維可以提高混凝土的韌性和抗開裂性能[17-19]。研究表明：混摻纖維混凝土的應(yīng)力和應(yīng)變均有顯著提升，而且聚丙烯纖維對初裂應(yīng)變的影響比較顯著[20-21]。水泥基復(fù)合材料受到外力時，不同力學性能或尺寸的混摻纖維能夠在不同層面和階段發(fā)揮各自的作用，會形成正效應(yīng)，所以適當摻量的混摻纖維多尺度復(fù)合材料混凝土性能更好[22-24]。

目前國內(nèi)外大量研究成果主要體現(xiàn)在雙重因素如干濕循環(huán)與鹽溶液耦合、凍融循環(huán)與鹽溶液耦合、荷載與鹽溶液耦合幾種情況作用下混凝土的力學性能與耐久性研究。然而在實際服役環(huán)境中，混凝土所遭受到的環(huán)境影響遠遠比這些更復(fù)雜，而且不同試驗制度的差異會影響試驗結(jié)果的準確性，目前關(guān)于干濕循環(huán)方法還沒有建立一個特別規(guī)范的試驗方法體系，所以需要更加積極地開展干濕循環(huán)相關(guān)研究。因此，開展復(fù)雜環(huán)境下干濕循環(huán)作用的混凝土損傷劣化研究非常迫切。本文研究硫酸鹽侵蝕干濕循環(huán)作用下對混摻纖維橡膠混凝土抗凍性能影響，為我國北方鹽堿地區(qū)混凝土耐久性提供理論支撐，具有長遠意義。

1 試驗部分

1.1 主要原料

采用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥；砂采用優(yōu)質(zhì)河砂，中砂，細度模數(shù)為2.7；橡膠粉為都江堰市華益橡膠有限公司生產(chǎn)40目規(guī)格的橡膠粉；粗骨料采用5 mm～20 mm的連續(xù)級配碎石；外加劑為聚羧酸型高效減水劑；選用湖南長沙匯祥纖維直銷廠生產(chǎn)的短切玄武巖纖維和聚丙烯纖維，各項性能指標見表1。

表1 纖維的技術(shù)性能指標

1.2 配合比設(shè)計及試驗方法

采用5%質(zhì)量濃度NaOH溶液對40目橡膠粉改性，且橡膠粉摻量均為細骨料體積的10%。選用玄武巖和聚丙烯兩種纖維，以混摻方式添加到C40改性橡膠混凝土中，其中玄武巖纖維體積摻量為0.1%、0.2%、0.3%及聚丙烯纖維體積摻量為0.1%、0.2%，共計6組試驗，參照《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》[25](JGJ/55—2011)的要求設(shè)計并配制C40混凝土，見表2。

表2 配合比設(shè)計方案

1.2.1 硫酸鈉干濕循環(huán)試驗

為了研究硫酸鈉溶液侵蝕作用，將混凝土試件先在5%Na2SO4溶液中浸泡16 h，然后保持良好的通風環(huán)境，放置室外自然干燥8 h,以24 h作為一個干濕循環(huán)周期，分別在干濕循環(huán)周期為0次、20次、40次、60次時進行相關(guān)力學性能試驗測定。在侵蝕過程中，需要定期測定溶液濃度，并根據(jù)實際情況更換溶液，保持溶液濃度的恒定。

1.2.2 凍融循環(huán)試驗

凍融循環(huán)試驗根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[26](GB/T 50082—2009)進行，混凝土試件在完成硫酸鈉干濕循環(huán)后，在水中浸泡4 d使達到充分飽水狀態(tài)，然后放入凍融循環(huán)試驗機分別進行0次、25次、50次、75次、100次、125次、150次、175次和200次的凍融試驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 外觀形貌變化

圖1為干濕循環(huán)20次后凍融循環(huán)200次下混凝土試件的外觀形貌。圖2為干濕循環(huán)60次后凍融循環(huán)200次下混凝土試件的外觀形貌。從圖1與圖2可以看出，干濕循環(huán)20次的試件經(jīng)過200次凍融作用后，試件表面凹凸不平且出現(xiàn)細小的裂縫，表面出現(xiàn)坑洞但無明顯裂紋，外形較為完整。隨著干濕循環(huán)周期增加，達到60次后，混凝土試件損傷程度加劇，表面坑洞增多，部分試件表面水泥漿解體，粗骨料外露，棱角處開始出現(xiàn)裂紋，且有剝落的趨勢。產(chǎn)生此現(xiàn)象是因為硫酸鹽的侵蝕作用，且SO42-在試件棱角處建立三維傳輸區(qū)域，所以侵蝕最為嚴重。此外，棱角處的裂紋會加速硫酸鹽的侵蝕破壞。

圖1 凍融循環(huán)200次試件外觀(20次)

圖2 凍融循環(huán)200次試件外觀(60次)

混凝土在硫酸鹽侵蝕作用下，受到物理和化學結(jié)晶作用，來自物理結(jié)晶產(chǎn)生的膨脹壓力會導(dǎo)致混凝土表面出現(xiàn)疏松和剝落等破壞，并且破壞逐步向內(nèi)部擴展?；瘜W結(jié)晶作用即SO42-進入混凝土內(nèi)部，發(fā)生水化反應(yīng)生成膨脹性的產(chǎn)物石膏和鈣礬石，從而在試件內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力?；炷量估瓘姸纫坏┑陀邴}結(jié)晶壓力、凍融產(chǎn)生的靜水壓力和侵蝕產(chǎn)物的膨脹壓力之和時，便會出現(xiàn)裂縫并進一步劣化。

2.2 抗壓強度變化

圖3為不同干濕循環(huán)次數(shù)下混凝土的立方體抗壓強度。從圖中可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土試件的立方體抗壓強度一直在增加，達到60次時，強度開始出現(xiàn)下降，說明干濕循環(huán)作用是一個漫長的破壞過程，只有干濕循環(huán)達到一定次數(shù)，混凝土劣化才會有明顯的變化。誤差棒可以反映數(shù)據(jù)的變異情況，圖中誤差棒離散程度比較小，表示試驗數(shù)據(jù)變化比較均勻，變異性不是特別大。

圖3 干濕循環(huán)作用對混凝土立方體抗壓強度的影響

以未進行干濕循環(huán)時的混凝土試件的立方體抗壓強度為基準強度，繪制強度變化圖，如圖4所示?？箟簭姸冉?jīng)歷了增長階段和下降階段，分析原因是在硫酸鹽侵蝕前期，SO42-進入混凝土內(nèi)部會發(fā)生水化反應(yīng)，膨脹性產(chǎn)物的產(chǎn)生填充了混凝土孔隙和骨料漿體界面區(qū)，從而提高了混凝土密實度，對混凝土試件的抗壓強度起到增強作用。循環(huán)周期延長，產(chǎn)生的膨脹性產(chǎn)物不斷增多，混凝土內(nèi)部的孔隙無法容納更多的膨脹性產(chǎn)物，且膨脹性內(nèi)應(yīng)力逐漸比混凝土的抗拉強度高，從而產(chǎn)生新的裂縫，裂縫不斷擴張，使溶液中的SO42-沿著裂縫進去混凝土內(nèi)部，加快了硫酸鹽的侵蝕，導(dǎo)致混凝土的抗壓強度不斷下降。另外，圖中不同纖維摻量的混凝土試件，立方體抗壓強度存在差異。當干濕循環(huán)次數(shù)為40次時，BF10PP10、BF20PP10、BF30PP10、BF20PP10、BF20PP20的立方體抗壓強度分別為47.05、50.29、44.46、50.29、51.96，表明適宜摻量的混摻纖維可以提高混凝土的力學性能，當玄武巖和聚丙烯纖維摻量分別為0.2%時，試件的立方體抗壓強度最大，此時力學性能最優(yōu)。

圖4 混凝土立方體抗壓強度變化圖

2.3 質(zhì)量損失變化

圖5—圖8為各組混凝土在硫酸鹽環(huán)境下干濕循環(huán)凍融后的質(zhì)量損失。

圖5 質(zhì)量損失率變化圖(0次)

圖6 質(zhì)量損失率變化圖(20次)

圖7 質(zhì)量損失率變化圖(40次)

圖8 質(zhì)量損失率變化圖(60次)

可以看出，隨著凍融循環(huán)周期的延長，混凝土的質(zhì)量損失率明顯增大，損失速率加快。圖5為沒有進行干濕循環(huán)的試件經(jīng)過凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失，當達到200次凍融循環(huán)后，各組試件的質(zhì)量損失達到最大，最大為1.55%。BF10PP10、BF20PP10、BF30PP10質(zhì)量損失分別為1.54%、1.52%、1.53%，BF10PP20、BF20PP20、BF30PP20質(zhì)量損失分別為1.53%、1.50%、1.55%，可以看出隨著玄武巖纖維摻量增多，質(zhì)量損失出現(xiàn)先減小后增加的變化規(guī)律，說明適當體積摻量的玄武巖纖維使混凝土在硫酸鹽干濕循環(huán)凍融環(huán)境中的抗侵蝕能力增強，當纖維摻量較大時，可能纖維發(fā)生重疊，使混凝土更容易被凍融破壞，會起到“負效應(yīng)”。

當凍融循環(huán)次數(shù)達到150次后，混凝土試件的質(zhì)量損失呈現(xiàn)快速增長。150次以前，試件在硫酸鈉溶液中浸泡達到飽和狀態(tài)，過飽和會出現(xiàn)鹽結(jié)晶，鹽結(jié)晶帶來的膨脹作用會使混凝土表層出現(xiàn)開裂、剝落。再次進行凍融作用時，試件內(nèi)部的孔隙水結(jié)冰和融化導(dǎo)致體積膨脹和收縮，這種內(nèi)應(yīng)力使得混凝土出現(xiàn)裂縫。同時，纖維和橡膠粉的加入提高了混凝土密實性，減少了SO42-進入發(fā)生水化反應(yīng)產(chǎn)生膨脹性產(chǎn)物，從某種程度上來說減輕了混凝土的破壞程度，導(dǎo)致初期質(zhì)量變化不大。當凍融循環(huán)次數(shù)達到150次后，混凝土試件裂紋逐步擴展，開裂和剝落程度加劇，使得質(zhì)量損失快速增長。

比較各圖發(fā)現(xiàn)在不同干濕循環(huán)周期下，各組混凝土試件質(zhì)量損失差異很小，干濕循環(huán)的實質(zhì)是膨脹性鹽結(jié)晶破壞，這是一個緩慢的侵蝕過程，時間有限的情況下，破壞不明顯。

2.4 相對動彈性模量變化

圖9—圖12為各組混凝土試件凍融干濕循環(huán)作用后相對動彈性模量變化，相對動彈性模量變化呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢，存在快速下降、緩慢下降和快速下降三個階段。

圖9 相對動彈性模量變化圖(0次)

圖10 相對動彈性模量變化圖(20次)

圖11 相對動彈性模量變化圖(40次)

圖12 相對動彈性模量變化圖(60次)

圖9為沒有進行干濕循環(huán)的試件經(jīng)過凍融循環(huán)后的相對動彈性模量，當達到200次凍融，各組試件的相對動彈性模量達到最小，最小為70.2%。BF10PP10、BF20PP10、BF30PP10質(zhì)量損失分別為72.1%、80.2%、71.2%，可以看出隨著玄武巖纖維摻量增多，相對動彈性模量出現(xiàn)先增加后減小的變化規(guī)律，說明適當體積摻量的玄武巖纖維使混凝土在硫酸鹽干濕循環(huán)凍融環(huán)境中的抗侵蝕能力增強，當纖維摻量較大時，可能纖維發(fā)生重疊，使混凝土更容易被凍融破壞，會起到“負效應(yīng)”。

凍融循環(huán)前期，干濕循環(huán)起主要作用，相對動彈性模量呈現(xiàn)快速下降趨勢。在干濕循環(huán)作用的浸泡階段，進入混凝土內(nèi)部的SO42-會與水泥發(fā)生水化反應(yīng)，產(chǎn)生石膏、鈣礬石等膨脹性產(chǎn)物，在初期這些侵蝕產(chǎn)物的形成會提高混凝土密實性，從而提高混凝土的相對動彈性模量，但是由于試驗中纖維和橡膠粉的加入，使得混凝土的密實性更好，所以減少了進入混凝土內(nèi)部的SO42-，即從某種程度上來說在干濕循環(huán)作用的初期，橡膠粉減少了侵蝕產(chǎn)物的產(chǎn)生。在干濕循環(huán)作用的干燥狀態(tài)下，混凝土中的水分不斷散發(fā)出去，混凝土內(nèi)部孔隙中的鹽溶液逐漸飽和，鹽溶液結(jié)晶會產(chǎn)生壓力導(dǎo)致試件的表層開始剝落，從而動彈性模量下降。凍融循環(huán)作用加速了混凝土的損傷剝落，所以整個過程中混凝土的動彈性模量不斷降低。中期裂縫擴展，硫酸鹽進入混凝土內(nèi)部不斷發(fā)生化學反應(yīng)，生成鈣礬石和石膏等產(chǎn)物，膨脹作用暫時起到了密實作用，從而相對動彈性模量下降速率減緩；隨著凍融破壞繼續(xù)進行，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生更多裂縫，加劇了凍融與侵蝕破壞，相對動彈性模量下降迅速。

2.5 混凝土損傷度

現(xiàn)以相對動彈性模量定義混凝土試件損傷度D，使試件內(nèi)部的損傷衰變更好得到體現(xiàn)。

D=1-En/E0

(1)

式中：E0為初始動彈模量；En為經(jīng)n次凍融循環(huán)后的動彈模量。

圖13為混凝土損傷度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線，圖14為干濕循環(huán)周期60次下，混凝土損傷度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線。對曲線進行分析得到：當凍融循環(huán)次數(shù)為200次，單一凍融循環(huán)作用下混凝土損傷度可達29.8%，凍融-干濕循環(huán)作用下混凝土損傷度可達31.9%。混凝土損傷度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐步增加，在硫酸鹽侵蝕干濕循環(huán)作用下，加速了混凝土損傷進程。當損傷度相同均為16%時，單一凍融循環(huán)需要175次，凍融-干濕循環(huán)需要150次，因此，凍融-干濕循環(huán)損傷效應(yīng)是凍融循環(huán)的1.17倍。同時說明，混凝土內(nèi)部反應(yīng)中不同損傷因素的存在會互相加速損傷效應(yīng)。

圖13 損傷程度與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線(0次)

圖14 損傷程度與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線(60次)

現(xiàn)以干濕循環(huán)周期60次為例，以混凝土試件的相對動彈性模量變化作為考慮因素，構(gòu)建試件的二次函數(shù)衰減模型[27]：

Y=aN2+bN+c

(2)

式中：a、b、c為系數(shù)；N為凍融循環(huán)次數(shù)。

將相對動彈性模量代入式(2)進行擬合，得到衰減模型如表3所示。

表3 相對動彈性模量凍融循環(huán)損傷程度二次函數(shù)衰減系數(shù)

從表3中可以看出，擬合系數(shù)均在0.97以上，表明建立的二次函數(shù)衰減模型具有較高的精確度，與試驗結(jié)果有較好的擬合程度，對混摻纖維改性橡膠混凝土的凍融損傷程度能夠起到一定的預(yù)測效果。影響二次函數(shù)衰減模型的關(guān)鍵系數(shù)為a和b，試驗中各組試件衰減系數(shù)b差異不是特別大，所以主要考慮衰減系數(shù)a的影響。BF10PP20、BF20PP20、BF30PP20組混凝土試件擬合系數(shù)a絕對值分別為3.366 2、3.283 1、5.170 6，可以看出在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，不同纖維摻量對基于相對動彈性模量定義的損傷度的敏感程度不一樣。所以開展在復(fù)雜環(huán)境下不同摻量混摻纖維混凝土的抗凍性研究十分必要。

趙小明[27]研究中凍融循環(huán)損傷度二次衰減系數(shù)見表4，不同類型試件的二次函數(shù)衰減系數(shù)相差很小，而且數(shù)值都非常小。表3與表4相比，本實驗擬合的各項系數(shù)的絕對值更大，擬合曲線的變化趨勢更明顯，從某種程度來講，研究硫酸鹽侵蝕干濕循環(huán)作用下玄武巖-聚丙烯混摻纖維橡膠混凝土的凍融損傷模型更具有現(xiàn)實意義。

表4 相對動彈性模量凍融循環(huán)損傷程度二次函數(shù)衰減系數(shù)

一般二次多項式擬合度比較高，但是二次項系數(shù)非常小且均為負值，所以存在一定局限性?？紤]到二次函數(shù)衰減模型的局限性，現(xiàn)以干濕循環(huán)周期60次為例，下面將Logistic函數(shù)引入到混凝土的凍融損傷研究中，構(gòu)建試件的衰減模型：

Y=a/(1+be-kx)

(3)

式中：a、b、k為系數(shù)；x為凍融循環(huán)次數(shù)。

將相對動彈性模量代入式(3)進行擬合，得到衰減模型如表5所示。

從表5中可以看出，擬合系數(shù)均在0.95以上，表明建立的衰減模型具有較高的精確度，與試驗結(jié)果的擬合程度較好，對混摻纖維改性橡膠混凝土的凍融損傷程度能夠起到一定的預(yù)測效果。

表5 相對動彈性模量凍融循環(huán)損傷程度Logistic函數(shù)衰減系數(shù)

3 結(jié) 論

本文開展了硫酸鹽干濕循環(huán)作用下玄武巖-聚丙烯纖維橡膠混凝土的抗凍性，主要從混凝土外觀形貌變化、抗壓強度變化、質(zhì)量損失、相對動彈性模量和混凝土損傷度五個方面，分析了混凝土的抗凍性，主要結(jié)論如下：

(1) SO42-在試件棱角處會產(chǎn)生一個三維傳輸區(qū)域，試件極容易在棱角處出現(xiàn)裂紋破壞，且有剝落的趨勢。隨著干濕凍融循環(huán)周期延長，混凝土的質(zhì)量損失逐漸增加，相對動彈性模量逐漸減小。纖維摻量過大時，纖維對混凝土的抗凍性起到“負效應(yīng)”。加入纖維和橡膠粉，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更密實，改善了混凝土的抗凍性能。

(2) 在硫酸鹽環(huán)境干濕凍融循環(huán)作用下，混凝土耐久性破壞程度明顯加大。干濕循環(huán)的作用是促進硫酸鹽結(jié)晶，使混凝土內(nèi)部裂紋擴展，凍融循環(huán)和干濕循環(huán)共同作用的效果遠遠大于單一因素對混凝土的破壞作用，二者相互影響、相互促進，共同導(dǎo)致混凝土破壞。當混凝土達到相同損傷度時，凍融-干濕循環(huán)損傷速率更快，是單一凍融循環(huán)的1.17倍。

(3) 在硫酸鹽侵蝕干濕循環(huán)作用下，混凝土試件的抗壓強度經(jīng)歷了增長階段和下降階段，當玄武巖和聚丙烯纖維摻量分別為0.2%時，試件的立方體抗壓強度最大，力學性能最優(yōu)。采用相對動彈性模量建立的二次函數(shù)和Logistic函數(shù)衰減模型具有較高的精確度，與試驗結(jié)果有較好的擬合程度，對混摻纖維改性橡膠混凝土的凍融損傷程度能夠起到一定的預(yù)測效果。