郭嘉歡， 王伯昕， 張?zhí)砥妫?王詩煜

(吉林大學 建設工程學院， 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，成為當今應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]，已廣泛應用于修復混凝土拱壩及重力壩[13].TRC材料各項力學性能良好，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：細骨料選用細度模數(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)指標如表2所示.

表2 纖維束參數(shù)指標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.當試件上表面開始沁出水珠時，關閉抗?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.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.縱向纖維束對應水紋波線的波峰，而纖維束之間混凝土基體則對應水紋波線的波谷.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

對取得的試樣進行連續(xù)12 h的抽真空處理，并對試樣進行噴金操作，每個試樣要進行3～5次噴金，在試樣表面覆蓋一層金粉，提高試樣的導電性.在掃描電鏡成像時增加信噪比，進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.基于毛細管壓力的基本原理，通過式(1)推導得到式(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具有線性相關關系，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，得到吻合度達標的分形維數(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關系，二者之間的比例參數(shù)φ與相關性系數(shù)R2的關系如表8所示.

表8 比例參數(shù)φ與相關性系數(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)的表達式(8).回歸分析結(jié)果如圖11所示，R2=0.891，相關性較高.

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)了壓力水的遷移進而導致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，進一步驗證了宏觀抗?jié)B性試驗的結(jié)果.

4) 根據(jù)宏、細觀試驗結(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滲流預測模型.