張勤 解雨璇 顧仁杰 梁熙 張正

DOI：?10.11835/j.issn.2096-6717.2022.062

基金項目：國家自然科學基金（51978125、51678104、51508154）；江蘇省自然科學基金（BK20211206）

作者簡介：張勤（1983-?），男，博士，副教授，主要從事鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震及新型結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用等研究，E-mail：zhangqin8190@163.com。

Received： 2022?03?31

Foundation items： National Natural Science Foundation of China （Nos. 51978125， 51678104， 51508154）; Natural Science Foundation of Jiangsu Province （No. BK20211206）

Author brief： ZHANG Qin （1983-?）， PhD， associate professor， main research interest： durability of reinforced concrete structure， E-mail： zhangqin8190@163.com.

（1. 河海大學?土木與交通學院，南京?210024；?2. 江蘇大學?土木工程與力學學院，江蘇?鎮(zhèn)江?212013）

摘要：為研究不同尺度纖維復合增強水泥基材料的抗氯離子滲透性能，對單摻和復摻碳酸鈣晶須、聚乙烯醇（PVA）纖維的水泥基材料分別進行電通量試驗、電鏡掃描觀測及基本力學性能試驗，分析不同纖維尺度、摻量及復合比例對水泥基材料抗氯離子滲透性能和基本力學性能的影響規(guī)律，并基于試驗結(jié)果給出了多纖維復合增強水泥基材料的氯離子侵蝕深度計算模型。結(jié)果表明，不同尺度纖維可在不同結(jié)構(gòu)層次上發(fā)揮對水泥基材料的增強作用，使得多纖維復合增強水泥基材料的抗氯離子滲透性能明顯優(yōu)于單一纖維增強水泥基材料；多纖維復合材料的抗壓強度與氯離子侵蝕深度及電通量大致呈反比例關(guān)系；當復合材料的抗壓強度提高13.6%時，其氯離子侵蝕深度和總電通量則分別降低39.1%和44.7%；建立的氯離子侵蝕深度計算模型，可用于多纖維復合增強水泥基材料的抗氯離子滲透和侵蝕性能評估。

關(guān)鍵詞：纖維增強混凝土；水泥基材料；抗氯離子滲透性能；電通量；抗壓強度

中圖分類號：TU528.572 ????文獻標志碼：A ????文章編號：2096-6717（2024）03-0198-09

Chloride ion resistance of multi-scale fiber reinforced cementitious composites

ZHANG Qin¹，?XIE Yuxuan¹，?GU Renjie¹，?LIANG Xi¹，?ZHANG Zheng²

（1. College of Civil and Transportation Engineering， Hohai University， Nanjing， 210024， P. R. China；?2. Faculty of Civil Engineering and Mechanics， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， Jiangsu， P. R. China）

Abstract： The electric flux tests， scanning electron microscope and mechanical tests were carried out respectively on cementitious composites with single mixing and compound mixing CaCO₃ whisker and PVA fiber to investigate chloride ion resistance of multi-scale fiber reinforced cementitious composites. The effects and mechanisms of different fiber sizes， amount of admixture and mixing ratios on the chloride ion resistance and basic mechanical properties of cementitious composites were analyzed. In addition， the calculation method of the depth of chloride ion erosion was proposed. The results showed that different types of fibers can enhance cementitious composites at different structural levels， and the chloride ion resistance of multi-scale fiber reinforced cementitious composites is much better than that of single fiber reinforced cementitious composites. The compressive strength of composites is inversely proportional to the depth of chloride ion erosion and the electric flux. When the compressive strength of the composite was increased by 13.6%， the depth of chloride ion erosion and the electric flux were decreased by 39.1% and 44.7%， respectively. Based on the experimental data， a calculation model of chloride ion erosion depth considering the influence of compressive strength is established， which can be used to evaluate the chloride ion penetration and erosion resistance of cement-based materials reinforced by multi-fiber composite.

Keywords： fiber reinforced concrete；?cementitious composite；?chloride ion resistance；?electric flux；?compressive strength

水泥基材料在工程領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛，但材料自身也存在抗拉強度低、韌性差以及耐久性不足等問題，特別是用于海洋腐蝕環(huán)境下加固修復時。受氯離子侵蝕作用影響，鋼筋銹蝕、混凝土保護層開裂與剝落等一系列耐久性問題就更為突出^[1]，為改善水泥基材料的耐久性，增強其抗氯離子滲透能力尤為重要。而研究表明^[2-4]，在水泥基材料中摻入合適的纖維形成纖維復合增強水泥基材料能有效提高基體的抗氯離子滲透能力，有利于水泥基材料力學性能與耐久性的提升。因此，開展纖維增強水泥基材料的抗氯離子滲透性能研究具有十分重要的實用價值^[5]。

近年來，對于摻入不同纖維增強水泥基復合材料的抗氯離子滲透性能，學者們從不同角度開展了相關(guān)研究。部分學者通過對不同摻量的聚乙烯醇（PVA）纖維增強水泥基材料進行電通量試驗并根據(jù)灰色模型分析PVA摻量對水泥基材料抗氯離子滲透性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，適量厘米級的PVA纖維具有增強水泥基材料的阻裂作用，抗氯離子滲透性能也隨之增強^[6-9]。此外，還有相關(guān)學者研究發(fā)現(xiàn)在水泥基材料中摻入礦渣、粉煤灰、硅灰、碳酸晶須等對水泥基材料的抗氯離子滲透性能也有增強效果^[10-13]。主要原因是微米級摻合料可以有效填補水泥基材料的孔隙，與基體結(jié)合較好，增加結(jié)構(gòu)的密實性。上述研究表明，在水泥基材料中適量摻入單纖維或單礦物材料均可提高水泥基材料的抗氯離子滲透性能，但涉及多纖維摻合料復合增強水泥基抗氯離子滲透性能的研究相對較少，而水泥基材料有著明顯的多尺度特征^[14-15]，不同尺度纖維對水泥基材料內(nèi)部孔隙和微觀結(jié)構(gòu)改善效果不同，可在不同結(jié)構(gòu)層次上發(fā)揮作用^[16-17]。

筆者考慮摻入纖維的種類、尺度及摻量等因素，選用微米級纖維（碳酸鈣晶須）和厘米級纖維（PVA纖維）作為摻和物，并加入適量粉煤灰，組成多尺度纖維復合增強水泥基體系，通過電通量試驗從試件通過的電量、氯離子侵蝕深度等方面對不同尺度纖維增強水泥基復合材料的抗氯離子滲透性能進行研究，還通過相應(yīng)力學性能試驗分析了材料強度與抗氯離子滲透性的關(guān)系，并基于試驗結(jié)果以及相關(guān)文獻數(shù)據(jù)建立與抗壓強度相關(guān)的抗氯離子滲透性能預測模型。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗的水泥基復合材料采用普通硅酸鹽水泥（P·O 42.5）、普通河砂（Ⅱ區(qū)中砂）、JM-PCA（Ⅰ）型減水劑和自來水人工拌和而成；為提高增強效果，水泥基試件配比中加入了適量由鹽城發(fā)電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，具體的配合比設(shè)計為水泥：水：砂：粉煤灰：減水劑=1：0.35：1.62：0.2：0.015，其中粉煤灰密度約為2.1 g/cm³，堆積密度約為0.8 g/cm³，40 μm篩余量小于20%，顆粒級配屬于細灰，宏觀表面為灰色粉末狀。增強材料主要采用峰竺NP-CW2型碳酸鈣晶須和亞泰達公司生產(chǎn)的12 mm聚乙烯醇（PVA）纖維。其中，微米級碳酸鈣晶須如圖1（a）所示，宏觀表現(xiàn)為白色粉末狀，相對密度為2.9 g/cm³，平均直徑為1.5 μm，長徑比約為25；厘米級的PVA纖維如圖1（b）所示，宏觀表現(xiàn)為絮狀，PVA纖維力學性能指標見表1。

1.2 試件設(shè)計及制作

參考《水泥復合砂漿鋼筋加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 242—2016）^[18]的試驗要求，以單摻或復摻碳酸鈣晶須、PVA纖維的含量作為變化參數(shù)共設(shè)計了9組纖維增強水泥基材料試件，具體參數(shù)如表2所示。其中，用于電通量試驗的試件為直徑100 mm、厚度50 mm的圓柱體；用于抗壓、劈拉試驗的試件為邊長70.7 mm的立方體、用于抗折試驗的試件為40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體，每組試件均澆筑3個。

注：符號CF表示未摻纖維的基準組；CFCW1表示混凝土中摻入1.2%的碳酸鈣晶須；CFCW1-P1表示混凝土中摻入1.2%的碳酸鈣晶須和1%的?PVA 纖維；其他符號含義以此類推。

1.3 試驗方法

1.3.1 電通量試驗測值

試件抗氯離子滲透能力可用試件的電通量試驗反映，電通量越高，試件的抗氯離子滲透性能越弱。試件的電通量試驗裝置及示意圖如圖2所示，主要包括智能化真空飽水儀、NEL-PEU混凝土電通量測定儀等。電通量試驗原理是利用電場來加速氯離子的移動，氯離子在電流作用下穿過試件，在一定時間內(nèi)通過試件的電量可以反映出試件的抗氯離子滲透能力。試驗步驟主要為先將圓柱體試件標準養(yǎng)護28 d；然后將其拿出烘干，并在試件側(cè)壁包裹一層石蠟，待其固化后放入真空飽水機進行飽水；將飽水試件安裝在試驗槽內(nèi)并密封，符合密封要求后，向裝置的負極槽內(nèi)注入質(zhì)量分數(shù)為3%的NaCl溶液以及在正極槽中注入0.3 mol/L的NaOH溶液；最后接上電源開始通電，通電時間為6 h，每30 min記錄一次電流值。

試驗結(jié)束后，通過電流值計算出纖維復合增強水泥基材料圓柱試件的總通電量，并以每組3個試件的平均電量值作為最終測試值。纖維增強水泥基材料的總電通量Q_s參考《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009）^[19]并考慮試件實際截面尺寸的影響，采用式（1）計算。 （1）

式中：為實際電通量值，C；為95 mm直徑的電通量測試試件截面面積與試件實際截面面積之比；為初始電流，A；為在時間間隔tmin的電流（如，表示為時間間隔為30 min的電流），A。

1.3.2 顯色法試驗測深度

為了進一步分析不同設(shè)計參數(shù)對試件抗氯離子滲透性能的影響，對經(jīng)過電通量試驗后的試件采用顯色法來測量氯離子侵蝕的深度。試驗主要方法為，先將通電完成的試件取出擦凈并在萬能試驗機下沿直徑劈裂成兩半，再將這條直徑線平均分成n+1段；隨后在半圓柱體試件的斷裂面噴上已配好的0.3 mol/L AgNO₃溶液；10 min后試件斷裂表面可呈現(xiàn)一條明顯的銀白色帶狀沉淀物（即AgCl沉淀），用卡尺測量每個標記點位置所對應(yīng)的斷裂面上白色沉淀的深度（mm），并分別記為、至，最后取所有測量深度的平均值作為氯離子實際侵蝕深度，氯離子侵蝕深度測定示意圖及實物圖如圖3所示。試件的總電通量越大，其斷裂面處顯現(xiàn)的帶狀沉淀物的深度就越深；圖4為不同試件遭受氯鹽侵蝕后所呈現(xiàn)不同顯色深度的對比情況。

1.3.3 力學性能試驗及掃描電鏡觀測

除了電通量試驗和顯色法試驗外，為探討試件抗氯離子滲透性能與強度的關(guān)系，分析不同尺度纖維在水泥基復合材料微觀細部孔隙結(jié)構(gòu)上對氯離子滲透的影響機理和改善作用，筆者進一步對相同配比的水泥基復合材料進行相應(yīng)的力學性能試驗和電鏡掃描觀測。其中，纖維增強水泥基材料的力學性能試驗參照《水泥復合砂漿鋼筋加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 242—2016）^[18]的要求進行。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 抗氯離子滲透性能及力學性能

表3給出了不同設(shè)計參數(shù)纖維增強水泥基材料試件的抗氯離子滲透性能及力學性能的試驗結(jié)果。需要說明的是，參照規(guī)范《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009）^[19]可根據(jù)實際電通量Q_s將氯離子滲透等級劃為5個等級：高、中等、低、很低、可忽略，分別對應(yīng)通過的總電通量為Q_s≥4 000、2 000≤Q_s≤4 000、1 000≤Q_s≤2 000、500≤Q_s≤1 000、Q_s≤500的情況。由表3可見，與基準組試件CF相比，單獨摻入碳酸鈣晶須時，其電通量降低，最大可降低19.3%；單獨摻入PVA纖維時，電通量最大可降低38.7%；同時摻入碳酸鈣晶須與PVA纖維時，電通量下降更為明顯，降低幅度可達44.7%。然而當這兩種纖維摻入過量時，水泥基材料的抗氯離子滲透能力提高程度會相應(yīng)減弱，甚至呈現(xiàn)負增長，如試件CF-P2和試件CFCW2。表3中也給出了各試件的氯離子侵蝕深度，不同試件的氯離子侵蝕深度與總電通量值保持基本相同的變化趨勢，試件的總電通量越大，試件斷裂面處顯現(xiàn)的白色帶狀沉淀物的深度就越大。此外，表3中還給出了不同設(shè)計參數(shù)水泥基材料的抗壓、抗折及劈拉力學性能試驗結(jié)果，用以分析抗氯離子滲透性能與力學性能之間的關(guān)系。由表3中的數(shù)據(jù)可以看出，摻入適量纖維可提高水泥基材料的力學性能，特別是抗壓性能提高明顯，最大可提高13.6%。這表明在一定摻量范圍內(nèi)，試件強度越高，其抗氯離子滲透性能越好，對應(yīng)的侵蝕深度越小。

2.2 纖維增強影響分析

2.2.1 單纖維增強

圖5、圖6分別給出了單摻不同含量的碳酸鈣晶須和PVA纖維增強水泥基材料的氯離子侵蝕深度、與對比組的電通量比值以及抗壓強度的變化趨勢。由圖5可知，單摻碳酸鈣晶須的試件與基準組試件CF相比，氯離子侵蝕深度與電通量比值最大降低幅度可達9.9%和19.3%，而其抗壓強度最大只提高0.5%，變化較小。由圖6可知，單摻PVA纖維的試件與基準組試件CF相比，抗壓強度最大可提高11.1%，其氯離子侵蝕深度則相應(yīng)降低，最大可達33.8%，同時電通量比值降低可達38.7%。由此可見，纖維增強水泥基材料的種類和摻量不同，對應(yīng)的抗壓強度以及抗氯離子滲透能力也不同。結(jié)合氯離子侵蝕深度、電通量比值及抗壓強度隨摻量的變化規(guī)律可以看出，在一定摻量范圍內(nèi)，抗氯離子滲透性能以及抗壓強度隨纖維摻量的增加而增強；超出摻量范圍時，抗氯離子滲透性能和抗壓能力反而會減弱。此外，水泥基復合材料抗氯離子滲透性能與抗壓強度存在明顯的正相關(guān)性，抗壓強度越高，抗氯離子滲透性能越強。

2.2.2 多纖維復合增強

圖7給出了碳酸鈣晶須和PVA纖維復合增強水泥基復合材料試件的氯離子侵蝕深度、與基準組電通量比值及抗壓強度隨纖維摻量增加的變化趨勢?？梢钥闯?，在摻有1.2%碳酸鈣晶須的水泥基材料中逐漸增加PVA纖維含量后，在一定摻量范圍內(nèi)，試件的氯離子侵蝕深度及電通量比值隨著抗壓強度的增強而下降。當PVA纖維摻量為1.6%時，其抗壓強度與抗氯離子侵蝕性能效果最佳，此時抗壓強度為63.6 MPa，與基準組試件CF相比，提高了13.6%；侵蝕深度為9.2 mm，與基準組試件CF相比降低了39.1%；與基準組試件CF電通量比值為0.553，比值下降最明顯。然而，當繼續(xù)增加PVA摻量到2%，如試件CFCW1-P2，其抗壓強度和抗氯離子滲透性能的提升幅度有明顯降低。由此可見，復摻一定量的碳酸鈣晶須、PVA纖維比單一纖維增強效果更優(yōu)，有利于提高水泥基復合材料的抗壓強度，進而增強其抗氯離子滲透性能。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得出，在試驗范圍內(nèi)碳酸鈣晶須和PVA纖維的最佳摻量分別為1.2%和1.6%。

2.3 纖維增強機理分析

為研究碳酸鈣晶須、PVA纖維對水泥基復合材料抗氯離子滲透性能的增強機理，圖8給出了不同纖維單一及復合增強水泥基材料基體的掃描電鏡結(jié)果圖?？梢钥闯觯煌叨鹊睦w維對水泥基材料的增強機理不同。對于微米級尺度的碳酸鈣晶須，如圖8（a）所示，適量晶須與基體結(jié)合較好，在水泥基材料內(nèi)部分散均勻，能夠在微米級尺度上有效填充孔隙，提高結(jié)構(gòu)的密實性，從而提高水泥基試件的抗壓強度，而抗壓強度又與試件抗氯離子滲透性能呈正相關(guān)，因此試件的抗氯離子滲透性能也隨之提高。對于厘米級的PVA纖維，其在單一增強時，作用更多表現(xiàn)在對裂縫的抑制以及對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的橋聯(lián)。如圖8（b）所示，在水泥基材料中摻入一定量的PVA纖維后，除了能在厘米尺度上改善水泥基內(nèi)部孔隙缺陷外，其更大的作用則體現(xiàn)在抑制裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展上，從而達到增強增韌的目的，隨著強度的提高，其抗氯離子滲透性能也相應(yīng)地得到了提高。需要注意的是，當纖維摻量過多時，由于分散不均，纖維會出現(xiàn)“團聚”現(xiàn)象，如圖8（c）所示。由于“團聚”效應(yīng)，材料內(nèi)部出現(xiàn)更多新的孔隙，影響了材料的均勻性和密實性，導致抗壓強度下降，進而降低抗氯離子滲透性能。

結(jié)合微米級碳酸鈣晶須和厘米級PVA纖維不同的增強機理可知，不同尺度的纖維對材料的微觀孔隙和細部結(jié)構(gòu)可在不同層次上發(fā)揮著改善作用，因此將二者復合可充分發(fā)揮各自不同的增強特性，達到抗氯離子滲透性能更優(yōu)的增強效果。如圖8（d）所示，兩種不同尺度的纖維共同作用，大大提高了試件的抗壓強度，一方面，碳酸鈣晶須對內(nèi)部孔隙起到一定的填充效果，使之更為密實；另一方面，PVA纖維均勻分布在材料內(nèi)部，與水泥漿體界面充分結(jié)合，有效阻擋了宏觀裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展；因此對材料的抗氯離子滲透性能的增強效果比單一纖維作用時更佳。但需要說明的是，當纖維摻量過多時，纖維表面會形成新的滲透界面，對孔隙的填充以及材料之間的橋聯(lián)作用效果減弱，孔隙變大從而引起對水泥基復合材料強度的增強作用下降，氯離子滲透性能變強，侵蝕深度增大。由此可見，微米級碳酸鈣晶須和厘米級PVA纖維在不同微觀尺度上改變了水泥基材料的密實性，進而影響水泥基材料的抗氯離子滲透性能。

3 抗氯離子滲透性能預測模型

基于掃描電鏡分析結(jié)果以及已有的研究結(jié)果^[10]可知，水泥基材料的抗氯離子滲透性能與材料密實性有直接聯(lián)系，而其密實度與抗壓強度呈正相關(guān)性，因而抗壓強度在一定程度上反映了水泥基材料的抗氯離子滲透性能。此外，水泥基材料的抗氯離子滲透性能又與通過水泥基材料的總電通量值相關(guān)，通過的總電通量越低則表示水泥基材料的抗氯離子滲透性能越好。因此，在總電通量與抗壓強度之間建立聯(lián)系，以方便反映水泥基材料的抗氯離子滲透性能。圖9給出了纖維增強水泥基復合材料抗氯離子滲透試驗總電通量與抗壓強度之間的關(guān)系。需要說明的是，圖中除了包含本文試驗數(shù)據(jù)外，還補充了文獻[20-22]的相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，盡管不同學者采用的水泥基材料有所區(qū)別，但統(tǒng)一到水泥基材料抗氯離子滲透試驗的總電通量與其抗壓強度的關(guān)系上，各試驗數(shù)據(jù)之間仍具有一致的相關(guān)性。由圖中可以看出，纖維增強水泥基復合材料的抗壓強度與實際總電通量大致呈冪函數(shù)遞減關(guān)系，可采用式（2）表達。 （2）

式中：、為與試件抗壓強度和實際電通量相關(guān)的系數(shù)，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)經(jīng)優(yōu)化擬合后、分別取2.835和1.929。采用式（2）計算得到的總電通量如圖9中的點曲線所示，該計算結(jié)果與試驗結(jié)果總體吻合較好。因此，可以根據(jù)式（2）基于抗壓強度進行纖維增強水泥基復合材料的抗氯離子滲透性能預測。值得注意的是，圖9中相關(guān)水泥基材料抗壓強度的范圍為40～80 MPa，因而利用式（2）進行總電通量預測時要考慮水泥基材料的抗壓強度值。

電通量Q_s除與纖維增強水泥基材料的抗壓強度存在相關(guān)性外，還與氯離子侵蝕深度有關(guān)，如圖10所示。由圖可見，水泥基材料的侵蝕深度與電通量呈正相關(guān)性。因而，為進一步分析侵蝕深度與抗壓強度的關(guān)系，以電通量為中間變量，建立氯離子侵蝕深度與抗壓強度之間的相關(guān)性模型，以便于進行纖維增強水泥基材料的氯離子侵蝕深度預測，二者的關(guān)系為 ??（3）

式中：、分別為與試件抗壓強度與氯離子侵蝕深度相關(guān)的系數(shù)，基于試驗結(jié)果優(yōu)化分析可得系數(shù)、分別取0.004和1.598。圖11給出了采用式（3）計算的侵蝕深度與實際侵蝕深度的比較。由圖可見，各試件的計算值和試驗值吻合較好；表明可以根據(jù)抗壓強度對多纖維復合增強水泥基材料的抗氯離子侵蝕性能進行預測。

4 結(jié)論

1）在基體中摻入適量的碳酸鈣晶須或PVA纖維可以有效提高纖維增強水泥基復合材料的抗氯離子滲透性能與力學性能，且兩種纖維復摻時提高效果更明顯。當纖維復合增強水泥基材料中的碳酸鈣晶須和PVA纖維體積摻量分別達到1.2%和1.6%時，該復合增強材料的力學性能相對較好，對應(yīng)的抗壓強度提高13.6%、總電通量和氯離子侵蝕深度分別降低44.7%和39.1%。

2）在多尺度纖維復合增強水泥基材料中，微米級的碳酸鈣晶須能在微米尺度上填充基體孔隙，增強其密實性；厘米級的PVA纖維則更多表現(xiàn)在對裂縫的抑制以及對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的橋聯(lián)作用。復摻一定量的碳酸鈣晶須和PVA纖維可在不同結(jié)構(gòu)層次上對水泥基材料的微觀結(jié)構(gòu)起到改善作用，進而提高水泥基材料的強度，增強試件的抗氯離子滲透性能。

3）纖維增強水泥基復合材料的抗氯離子滲透性能與其抗壓強度呈明顯的負相關(guān)關(guān)系；材料的密實性越好，抗壓強度越高，越能有效阻斷氯離子滲透。建立的抗氯離子滲透性能預測模型，能夠基于多纖維復合增強水泥基復合材料的抗壓強度直接確定其抗氯離子滲透等級及對應(yīng)的侵蝕深度。

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（編輯??王秀玲）