郭嘉歡， 王伯昕， 張?zhí)砥妫?王詩煜

(吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院， 吉林 長春 130021)

水泥基材料在服役過程中表現(xiàn)出許多優(yōu)良性能，兼具來源及價格方面的優(yōu)勢，成為當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的建筑材料[1].但近年來，混凝土材料卻逐漸暴露出抗拉強度較低、易開裂的缺點.研發(fā)抗裂性能優(yōu)異的新型建筑材料成為研究熱點[2～4]，有學(xué)者提出在混凝土中加入纖維可以改善混凝土材料的各項力學(xué)性能[5～8].研究主要集中在RC，F(xiàn)RP及TRC等方面，以加強混凝土的各項性能，提高工程的安全系數(shù).其中TRC兼具安全性和耐久性的優(yōu)勢[9～12]，已廣泛應(yīng)用于修復(fù)混凝土拱壩及重力壩[13].TRC材料各項力學(xué)性能良好，但混凝土基體與內(nèi)部纖維束兩相性質(zhì)不同，導(dǎo)致其整體性下降，在混凝土基體內(nèi)易誘發(fā)微裂縫，液體和氣體容易侵入，對結(jié)構(gòu)造成不利影響.通過對比有無裂紋試件的吸水率和氣體滲透率來研究TRC材料的滲透性能[14-15].TRC的抗?jié)B性是獲得高性能和應(yīng)變硬化行為的控制因素，Peled也在探索其抗?jié)B性的控制方式[16].關(guān)于混凝土抗?jié)B性的研究方法較多[17]，本文采用滲水高度法，依據(jù)GB/T50082—2009規(guī)范[18]進(jìn)行混凝土抗水滲透試驗.

1 試驗概況

1.1 試驗材料

1) 水泥：本文中的膠凝材料選用標(biāo)號為PO42.5的普通硅酸鹽水泥，該材料的主要參數(shù)如表1所示.

表1 膠凝材料主要參數(shù)Table 1 Main parameters of cementing material

2) 骨料粒徑：細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)2.4～3.0，平均粒徑0.35～0.50 mm，含泥量15%的中砂；粗骨料選用粒徑5～10 mm的石灰?guī)r碎石.

3) 拌和用水：試驗中澆筑試件使用長春市自來水.

4) 試驗用纖維：在不同種類的纖維束中，玻璃纖維的抗拉強度并不突出，但其造價低且表面附著一層氧化鈷，耐堿性能良好，故本次試驗選用耐堿玻璃纖維，其參數(shù)指標(biāo)如表2所示.

表2 纖維束參數(shù)指標(biāo)Table 2 Parameters of fiber bundle

5) 混凝土配合比：水灰比為0.45，0.55時，混凝土配合比如表3所示.

表3 混凝土配合比Table 3 Concrete mix ratio

1.2 試件制備

本研究的關(guān)鍵在于TRC試件在壓力水作用下的抗?jié)B性能，試驗僅考慮縱向(壓力水自圓臺形試件底面向頂面遷移路徑的方向)纖維束對TRC抗?jié)B性的影響，橫向纖維束對抗?jié)B性的影響忽略不計.為使網(wǎng)格在基體中保持完整，用質(zhì)量比為5∶1(環(huán)氧樹脂∶固化劑)的環(huán)氧樹脂膠浸漬纖維編織網(wǎng).首先把環(huán)氧樹脂和固化劑混合，加入適量無水乙醇作為有機溶劑攪拌均勻，然后將編織完成的纖維網(wǎng)張拉固定在矩形鋼框中，用小刷子蘸取少量環(huán)氧樹脂膠刷涂在纖維網(wǎng)網(wǎng)格上，對整張纖維編織網(wǎng)刷涂3～5次，要保證環(huán)氧樹脂膠完全浸入到纖維束中又沒有多余聚集在網(wǎng)格節(jié)點處.

用平織法編織完成的纖維編織網(wǎng)如圖1所示，浸漬固化完成后剪裁成邊長為150 mm的方形網(wǎng)格，如圖2所示.

圖1 未刷膠的纖維編織網(wǎng)Fig.1 Non-glued textile

圖2 方形纖維編織網(wǎng)Fig.2 Square textile

試件內(nèi)部網(wǎng)格的放置方法如圖3所示.考慮本研究的基礎(chǔ)變量個數(shù)，本次抗水滲透試驗共澆筑試件12組，每組試件12塊.各組試件的具體指標(biāo)差異如表4所示.其中S2表示纖維編織網(wǎng)網(wǎng)格尺寸為20 mm×20 mm，S4表示纖維編織網(wǎng)網(wǎng)格尺寸為40 mm×40 mm；a表示纖維束Tex含量為9.2 k，b表示纖維束Tex含量為18.4 k，c表示纖維束Tex含量為27.6 k.

圖3 纖維編織網(wǎng)的位置Fig.3 The textile position

表4 試件分組Table 4 Grouping of specimens

2 試驗過程及分析

2.1 抗?jié)B試驗與分析

根據(jù)GB/T 50082—2009規(guī)范，進(jìn)行混凝土抗水滲透試驗.將石蠟放在托盤中用烘箱加熱至流動狀態(tài)，把TRC試件的側(cè)壁打磨光滑并裹涂一層熔化的石蠟，保證密封效果.使用壓力機將密封完成的TRC試件壓入預(yù)熱過的環(huán)狀試模上，確保二者底面相平.將試模及試件安裝在抗?jié)B儀上，啟動抗?jié)B儀開始試驗.當(dāng)試件上表面開始沁出水珠時，關(guān)閉抗?jié)B儀結(jié)束試驗.若試件上表面一直沒有水珠沁出，則儀器啟動24 h后結(jié)束試驗.

完成TRC抗?jié)B性試驗后，觀察TRC試件的上表面，僅在布有網(wǎng)格的對應(yīng)位置上方發(fā)現(xiàn)排列規(guī)律的水珠，如圖4所示.

圖4 試件上表面滲透現(xiàn)象Fig.4 Seepage phenomenon on the upper surface of the specimen

從中間劈開TRC試樣，標(biāo)記出水紋在TRC試件劈裂面上的高度痕跡，對比劈開前后的TRC試件，發(fā)現(xiàn)水珠位置與縱向纖維束位置一一對應(yīng).該試驗現(xiàn)象證明：縱向纖維束使混凝土基體的整體性降低，附近產(chǎn)生了相對薄弱區(qū)，與遠(yuǎn)離纖維束的混凝土相比存在更多缺陷及微裂縫.

按實際水痕在試件劈裂截面上描繪出試件上部的水紋波線，如圖5所示.縱向纖維束對應(yīng)水紋波線的波峰，而纖維束之間混凝土基體則對應(yīng)水紋波線的波谷.該水紋痕跡的形成原因：壓力水易沿著混凝土內(nèi)部裂隙遷移，滲流流量較大，該處的水紋位置較高.

圖5 試件水痕路徑Fig.5 Water path in the specimen

用TRC試件的水紋高度算出其相對滲透系數(shù)，進(jìn)而更直觀地得出各因素對TRC抗?jié)B性能的影響程度.平均滲水高度和相對滲透系數(shù)如圖6所示.

圖6 平均滲水高度和相對滲透系數(shù)Fig.6 The average height and the relative permeability coefficient

1) 當(dāng)混凝土基體水灰比、纖維束Tex含量均相同時，平均滲水高度和相對滲透系數(shù)隨纖維編織網(wǎng)網(wǎng)格尺寸的減小而增大.

2) 當(dāng)混凝土水灰比、纖維編織網(wǎng)網(wǎng)格尺寸均相同時，平均滲水高度和相對滲透系數(shù)隨纖維束Tex含量的增加而增大.

3) 當(dāng)纖維編織網(wǎng)網(wǎng)格尺寸、纖維束Tex含量均相同時，平均滲水高度和相對滲透系數(shù)隨混凝土基體水灰比的增加而增大.

2.2 掃描電鏡試驗與分析

選取纖維與混凝土黏結(jié)良好的部分作為TRC試樣，試樣尺寸如圖7所示，并標(biāo)記出纖維束位置.

圖7 掃描電鏡試樣Fig.7 Specimens for SEM

對取得的試樣進(jìn)行連續(xù)12 h的抽真空處理，并對試樣進(jìn)行噴金操作，每個試樣要進(jìn)行3～5次噴金，在試樣表面覆蓋一層金粉，提高試樣的導(dǎo)電性.在掃描電鏡成像時增加信噪比，進(jìn)而確保成像的高分辨率.用洗耳球輕吹試件表面，吹掉浮塵，最后送入艙門.

掃描電鏡(scanning electron microscope，SEM)試驗選擇的放大倍數(shù)為500倍.SEM照片如圖8所示，可以觀察到纖維束與混凝土的相對位置.

圖8 不同Tex含量TRC試樣的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.8 SEM photos of different Tex content of TRC(a)—Tex含量9.2 k的TRC試樣；(b)—Tex含量18.4 k的TRC試樣；(c)—Tex含量27.6 k的TRC試樣.

通過SEM照片測出裂隙寬度，多次測量求解平均值，如表5所示.可知，TRC試件纖維束周圍混凝土基體的裂隙寬度隨Tex含量及水灰比的增大而增大，這一結(jié)果與2.1節(jié)抗?jié)B試驗中，水紋波線體現(xiàn)的宏觀試驗現(xiàn)象一致.

表5 單寬裂隙寬度Table 5 Width of single-wide cracks μm

2.3 核磁共振試驗及分析

分形維數(shù)能夠更加準(zhǔn)確地確定混凝土基體中孔隙的大小及分布情況，可用來表示混凝土內(nèi)部的粗糙程度.通過數(shù)字圖像盒子計數(shù)法、壓汞測孔法和核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)試驗法得到混凝土的分形維數(shù)[19-20].核磁共振試驗原理：用真空飽水儀對材料提前進(jìn)行飽水處理，通過追蹤材料孔隙中的水分子得到其內(nèi)部孔隙的分布情況.由式(1)可計算出弛豫時間.本文借助NMR試驗求解TRC試件的分形維數(shù)值.

(1)

式中：T2B為體積弛豫時間；D為分形維數(shù)；γ為旋磁比；G為磁場梯度；TE為回波間隔時間；ρ為多孔材料的表面弛豫率；S為孔隙表面積；V為孔隙體積.基于毛細(xì)管壓力的基本原理，通過式(1)推導(dǎo)得到式(2)：

lgSV=(3-D)lgT2+(D-3)lgT2,max.

(2)

由式(2)可知，在核磁共振T2譜中l(wèi)gSV與lgT2具有線性相關(guān)關(guān)系，采用回歸分析法計算方程的系數(shù)，即混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的分形維數(shù).通過多次計算，得到吻合度達(dá)標(biāo)的分形維數(shù)值.

通過核磁試驗T2譜計算分形維數(shù)，如圖9、圖10所示.試樣中孔隙的大小差異導(dǎo)致試樣中含水量的高低差異，在T2譜中體現(xiàn)為峰值的高低.在T2譜中共有3個峰值，由左至右分別表示微小孔隙、中等孔隙及較大孔隙的分布情況.

圖9 C1試件T2譜Fig.9 T2atlas of C1 specimen

圖10 C2試件T2譜Fig.10 T2 atlas of C2 specimen

用T2譜中第一峰值數(shù)據(jù)及2.2節(jié)中求得的裂隙平均值求解分形維數(shù)，分形維數(shù)的計算結(jié)果如表6所示，進(jìn)一步證明了纖維束對混凝土基體整體性的不利影響，使得混凝土基體內(nèi)部的粗糙程度增大.

表6 試件分形維數(shù)值Table 6 The fractal dimension values of specimens

當(dāng)其他變量一致時，在混凝土基體一定體積范圍內(nèi)纖維的根數(shù)越少，對混凝土基體的整體破壞就越小，基體內(nèi)部粗糙程度也越?。幌喾?，在混凝土基體一定體積范圍內(nèi)纖維的根數(shù)越多，對混凝土基體的整體破壞就越大，基體內(nèi)部粗糙程度也越大.

3 TRC滲流預(yù)測模型

引入分形維數(shù)以表示混凝土內(nèi)部的粗糙程度，根據(jù)宏觀抗?jié)B試驗及細(xì)觀掃描電鏡試驗的結(jié)果，選取5個主要影響因素：水壓力、裂隙寬度、分形維數(shù)、流體黏度系數(shù)、滲流流量，基于量綱分析法建立TRC的滲流預(yù)測模型:

F=F(dp/dy,w,D,μ,Q) .

(3)

式中：dp/dy為水壓力；w為裂隙寬度；μ為流體黏度系數(shù)；Q為滲流流量.滲流預(yù)測模型中各物理量量綱如表7所示.

表7 物理量量綱Table 7 Dimensions of physical quantities

式(3)中有2個無量綱物理量，其中一個是分形維數(shù)D，另一個是函數(shù)F的無量綱參數(shù)，設(shè)為π：

(4)

將物理量量綱代入式(4)，經(jīng)簡化得

dimμ=dim(Qα(dP/dy)βwγ) .

(5)

通過量綱方程得α=-1，β=1，γ=3.TRC滲流預(yù)測模型為

(6)

式中，f(D)為粗糙度函數(shù)，可借助TRC抗?jié)B試驗的結(jié)果回歸得出.

通過回歸分析發(fā)現(xiàn)，相對滲透系數(shù)與裂隙寬度之間存在正向相關(guān)關(guān)系，二者之間的比例參數(shù)φ與相關(guān)性系數(shù)R2的關(guān)系如表8所示.

表8 比例參數(shù)φ與相關(guān)性系數(shù)R2Table 8 The scale parameter φ and the correlation coefficient R2

比例參數(shù)φ與分形維數(shù)D的變化規(guī)律一致，可用參數(shù)φ表征試件內(nèi)部粗糙度:

(7)

將抗水滲透結(jié)果，μ=1.005×10-3Pa·s，L=0.15 m，代入式(7)中，得到試驗條件下f(D)的表達(dá)式(8).回歸分析結(jié)果如圖11所示，R2=0.891，相關(guān)性較高.

圖11 分形維數(shù)D與參數(shù)φ的擬合曲線Fig.11 Fitting curve of the fractal dimension D and the parameter φ

f(D)=-0.007 34D+2.739 51 .

(8)

將式(8)代入式(6)中，得到TRC滲流預(yù)測模型.該模型依據(jù)量綱分析原理和抗?jié)B性試驗結(jié)果建立，是一種理論與試驗相結(jié)合的預(yù)測方法：

(9)

4 結(jié) 論

1) TRC的抗?jié)B性隨混凝土水灰比的增大、網(wǎng)格尺寸的減小、纖維束Tex含量的增大而降低.

2) 通過掃描電鏡試驗，從細(xì)觀層面驗證了宏觀抗?jié)B性試驗結(jié)果產(chǎn)生的原因.TRC掃描電鏡結(jié)果證明：纖維束附近裂隙寬度隨混凝土水灰比的增大、網(wǎng)格尺寸的減小、纖維束Tex含量的增大而增加，裂隙引發(fā)了壓力水的遷移進(jìn)而導(dǎo)致TRC試件抗?jié)B性能下降.

3) 通過核磁共振試驗引入分形維數(shù)評價混凝土的粗糙程度，NMR試驗結(jié)果表明：TRC混凝土基體的粗糙度隨纖維編織網(wǎng)網(wǎng)格尺寸的減小、纖維束Tex含量的增大而增大，進(jìn)一步驗證了宏觀抗?jié)B性試驗的結(jié)果.

4) 根據(jù)宏、細(xì)觀試驗結(jié)果，選取5個基本物理量，基于量綱分析法建立了理論與試驗相結(jié)合的TRC滲流預(yù)測模型.