PVA纤维水泥砂浆氯离子扩散性研究

邵俊丰，张世义，范颖芳

(大连海事大学道路与桥梁工程研究所， 辽宁大连116026)



PVA纤维水泥砂浆氯离子扩散性研究

邵俊丰，张世义，范颖芳

(大连海事大学道路与桥梁工程研究所， 辽宁大连116026)

为研究PVA(聚乙烯醇)纤维掺量对不同龄期水泥砂浆氯离子扩散性能的影响规律，采用了快速氯离子迁移系数法(RCM)，研究了PVA纤维水泥砂浆(7种配合比)抗氯离子渗透性能。分析了PVA纤维掺量与水泥砂浆孔隙率、电阻率的指标的关系，基于热传递方程建立氯离子扩散过程理论模型。结果表明，PVA纤维对水泥砂浆氯离子扩散系数有显著影响，改变了水泥砂浆的孔隙结构。28 d龄期，2%纤维掺量试件氯离子扩散系数和毛细孔率比不掺纤维试件分别降低24.1%和50.2%；PVA纤维水泥砂浆氯离子扩散系数与电阻率二者具有良好的线性负相关关系；PVA纤维掺量与水泥砂浆毛细孔率、气孔含量、电阻率之间有很好的相关性；桥面板中氯离子浓度与扩散系数成指数关系。

纤维；水泥砂浆；电阻率；孔隙率；氯离子扩散系数

0　引　言

海洋环境中钢筋混凝土桥梁很容易因氯盐侵蚀而造成结构耐久性破坏，氯离子的渗入是引起钢筋锈蚀最主要的因素[1-2]。加之冬天雨雪冰冻天气，为了保证通行畅通，往往在桥梁上撒布大量氯盐型融雪剂。桥面板和保护层在荷载、恶劣环境作用下很容易发生耐久性破坏，对内部钢筋保护将大为减弱，给桥梁维护管理带来巨大考验。

PVA(聚乙烯醇)纤维水泥砂浆作为一种新型桥梁修补加固材料，已经取得了大量理论和试验成果。但目前研究重点主要集中在材料力学性能和工作性能，而对PVA纤维水泥砂浆在工程环境下耐久性研究较为缺乏。特别是工程结构物处于海洋环境中以及大量使用除冰盐的情况下，许多实际工程因为耐久性不足远远没有达到设计使用年限。此外，PVA纤维水泥砂浆抗氯离子扩散性能机理、PVA纤维抗氯盐侵蚀最佳掺量等方面的研究也有待展开。已有研究表明：氯离子在水泥砂浆中扩散性能受孔隙结构影响较大，毛细孔隙和贯穿裂缝是氯离子扩散的主要通道[3-4]。PVA纤维水泥砂浆在受力开裂时产生的裂缝平均宽度约为50 μm，能够满足桥面板耐久性要求。将其用作混凝土结构保护层时，能够有效减少或抑制基体塑性开裂[5-6]，进而阻断了有害介质侵入内部的通道，提高结构耐久性[7-9]。

为了明确不同PVA纤维掺量对水泥砂浆氯离子扩散系数的影响，本文制作了7种掺量(0%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%、1.8%、2.0%)试件。利用快速氯离子渗透法(RCM)测试不同PVA纤维掺量下水泥砂浆的氯离子扩散系数，同时测得试件毛细孔率、气孔含量以及电阻率。分别从孔隙结构和电阻率两个角度分析纤维掺量对砂浆氯离子扩散性的影响。基于热传递方程的基础上建立氯离子扩散模型，为实际工程中无损检测结构抗氯离子扩散性能和进行防腐处理提供了科学参考。

1　试验研究

1.1原材料

试验用水泥为大连小野田P.O42.5级普通硅酸盐水泥，其化学成分见表1；粉煤灰采用大连华能电厂Ⅰ级粉煤灰，密度为2 548 kg/m3；细骨料选用大沙河砂(0.6～1.18 mm)；减水剂选用大连申维建筑材料有限公司生产的聚羧酸盐类高效减水剂；塑化剂选用羟丙基甲基纤维素(HPMC)；自来水；纤维选用日本Kuraray公司生产的RECS15×12型高强度PVA纤维，其基本参数见表2。

表1　水泥化学成分Tab.1　Chemical composition of cement

表2　PVA纤维基本参数Tab.2　Basic parameters of PVA fiber

1.2试件制作

试验水胶比为0.35，PVA纤维掺量分别为0%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%、1.8%、2.0%，为防止掺入纤维导致泌水，按0.333 kg/m3掺入纤维素,详细配合比见表3。为使纤维在基体中均匀分散，拌和时采用无锡建仪器有限公司制造的SJ-15型砂浆搅拌机，拌制时先将干料干拌后加水湿拌，再掺入纤维继续搅拌，详细工序见表4。

本次试验根据不同试验要求制作了15组试件，7组Φ100 mm×50 mm的氯离子扩散系数测试试件；7组160 mm×40 mm×20 mm真空保水试件；1组100 mm×100 mm×400 mm电阻率测试试件。在标准养护环境下，氯离子扩散系数测试试件分别养护至3 d、7 d和28 d进行试验；其余试件养护至28 d进行试验。

表3　试件编号与配合比设计Tab.3　Specimen numberand mix proportions　kg·m-3

表4　拌和过程Tab.4　Mix protocol

1.3试验方法

1.3.1氯离子扩散系数

为评价PVA水泥砂浆抗氯离子渗透性能，利用 Tang等[10-11]提出的快速氯离子迁移(RCM)测试不同试件氯离子扩散系数。按公式(1)计算砂浆的氯离子扩散系数：

(1)

式中：DRCM为氯离子扩散系数，m2/s；T为电解液初始温度和最终温度的平均值，K；h为试件高度，m；xd为氯离子扩散深度，m；t为通电时间，s；α为辅助变量。

1.3.2孔隙结构

电镜扫描分析方法能够很好地揭示材料的微观结构。为清楚地了解PVA纤维对水泥砂浆微观结构的影响，采用SUPRA 55SAPPHIRE型场发射扫描电镜对不同掺量PVA纤维水泥砂浆进行微观结构分析，试验加速电压为3 kV。

孔隙率利用Ngala等[12]提出的可蒸发水含量法测得。试件养护到规定龄期，按美国材料与试验协会(ASTM)C1202规定完成真空饱水，测得试件体积v，质量m。 然后移至标准养护环境中，等到试件质量趋于不变，称取质量m1。最后将试件置于烘箱中，105 ℃恒温烘干至质量不变，称取试件质量m2。由v、m、m1和m2按式(2)计算试件的总孔隙率p和气孔含量p1，毛细孔率等于p减去p1。

(2)

1.3.3电阻率

试验在电场力作用下迫使氯离子向阳极迁移，所以试件电阻率对扩散深度影响较大。本文利用Resitest-400型电阻率测试仪测试试件电阻率。

2　试验结果及分析

2.1纤维掺量对氯离子扩散系数的影响

不同龄期试件氯离子扩散系数见表5和图1。可以看出，试件氯离子扩散系数随养护龄期的增长逐渐减小，氯离子扩散系数随纤维掺量的增加变化趋于平缓，水泥砂浆抗氯离子扩散性能逐步增强。水泥砂浆中掺入PVA纤维对其抗氯离子扩散起到了促进作用；由3 d和7 d养护龄期可以看出，纤维掺量1.4%左右时砂浆的氯离子扩散系数较其他掺量小，比不掺纤维的分别降低了7.9%和5.9%，继续增加纤维掺量，水泥砂浆抗氯离子扩散性能有所降低。由28 d试验龄期可以看出，纤维掺量2.0%时氯离子扩散系数达到最小，比不掺纤维降低24.1%。

表5　氯离子扩散系数Tab.5　Chloride diffusion coefficient values　m2·s-1

图1氯离子扩散系数

Fig.1Chloride diffusion coefficient values

2.2纤维掺量对孔隙结构的影响

试件养护至规定龄期后真空保水，测得毛细孔率和气孔含量分别见图2和图3。图4为试件FESEM(场发射扫描电镜)照片。

由图2可以看出,PVA纤维改变了水泥砂浆的孔隙结构，降低了毛细孔率，纤维掺量为2%时比不掺纤维毛细孔率降低了50.2%。氯离子扩散的主要通道是毛细孔，纤维的掺入降低了氯离子扩散的有效孔隙[13]，从而可以提高水泥砂浆抗氯离子扩散性能。由图3可以看出纤维提高了水泥砂浆的气孔含量。这一方面是由于PVA纤维掺入会引入大量微小气泡[14]；另一方面，由图4看到PVA纤维表面附着大量的水化产物,随着掺量的增加，纤维与基体的界面也在增加。它有比基体高的水灰比，因而离子浓度低，水化产物平均尺度大，取向指数高，形成疏松的网络结构[15]。原始裂缝增多变大，形成类似于气孔的结构。由图4可以看到，纤维掺量为1.4%、1.8%时水化产物呈现条状，纤维掺量为2.0%时孔隙周围布满相互交错的网状结构。

图2纤维掺量对毛细孔率的影响

Fig.2Effect of fiber content on capillary porosity

图3纤维掺量对气孔含量的影响

Fig.3Effect of fiber content on void content

(a) 1.0%纤维掺量

(b) 1.4%纤维掺量

(c) 1.8%纤维掺量

(d) 2.0%纤维掺量

图4试件场发射扫描电镜(FESEM)照片

Fig.4The photographs of the specimen by field emission scanning electron microscopy(FESEM)

2.3纤维掺量对电阻率的影响

试验是在电场力的作用下迫使氯离子向阳极方向迁移，试件电阻率对氯离子扩散至关重要。由于早期水化程度较低，大量未被水化的自由水对电阻率影响较大，待水化充分后，测试试件电阻率。28天龄期试件电阻率与纤维掺量的关系以及氯离子扩散系数与电阻率的关系分别如图5、图6所示。

图5纤维掺量与电阻率的关系

Fig.5Relationship between fiber content and resistivity

图6扩散系数与电阻率的关系

Fig.6Relationship between diffusion coefficient and resistivity

由图5可以看出PVA纤维砂浆电阻率随纤维掺量增加成线性增长。这一方面是由于掺入PVA纤维客观上会使导电面减少，电阻与导电面成反比，PVC绝缘性良好，从而导致电阻率增大；另一方面，由于PVA纤维掺入会引入气泡和基体裂缝等劣化效应的客观存在[14]，这些气孔同样会对氯离子的扩散产生影响，在非饱和状态下气孔含量p1对基体同样有增大电阻的效应。

由图6可以看出，PVA水泥砂浆的氯离子扩散系数随电阻率的增大而减小，二者具有良好的线性负相关关系[16]，符合Nernst-Einstein方程[17]。因为电阻率测量是无损的，实际施工中，可以预先确定电阻率与氯离子扩散系数关系曲线，通过测试电阻率来间接反映抗氯离子扩散性能。

2.4理论分析

图7　氯离子扩散示意图Fig.7　Schematic diagram of chloride diffusion

参照实际工程，将桥面板看作无限大平面板，如图7所示。氯离子密度沿X轴方向从一个截面到另一个截面是连续变化的，氯离子向X轴方向扩散，将扩散模型简化成一维扩散模型。

参照热传递方程，得到扩散方程：

(3)

初始条件：u(x,0)=0，u(0,t)=ρ，u(∞,0)=0，

式中，u为氯离子浓度，a为扩散系数，ρ为外界氯离子浓度。

解方程(3)得：

(4)

其中，高斯误差函数：

(5)

此函数类似正态分布函数，期望为0，方差为0.5。转化成标准正态分布函数，又因概率密度函数关于Y轴对称，解得：

(6)

图8　氯离子浓度与纤维掺量的关系Fig.8　Relationship between chloride concentration and fiber content

式中,Ф(x)表示x对应的标准正态分布概率，查表可得100年后保护层为5 cm处氯离子浓度，如图8所示。

由式(6)可以看出，氯离子浓度u随扩散系数a成指数变化关系。由图8可知，氯离子含量随PVA纤维掺量增加而减小，但减小幅度较小，相比于28 d龄期，2.0%纤维掺量氯离子扩散系数比不掺纤维降低24.1%，而100年后保护层5 cm处氯离子浓度约占外界氯离子含量的75.1%，比不掺纤维降低了3.9%。可见氯离子扩散系数的减小对降低氯离子浓度作用并不显著，由式(6)可知相比于降低氯离子扩散系数，提高保护层厚度则更为有效。

4　结　论

本文测试了不同PVA纤维掺量下水泥砂浆的氯离子扩散系数，基于孔隙结构和电阻率对水泥砂浆氯离子扩散性进行分析，理论推导一维氯离子扩散方程。主要得到以下结论：

①PVA纤维可以有效提高水泥砂浆抗氯离子扩散性能。28 d龄期，纤维掺量2%时氯离子扩散系数比不掺纤维降低24.1%。

②PVA纤维改变了水泥砂浆的孔隙结构，降低了氯离子扩散的有效孔隙，28 d龄期，纤维掺量2%时毛细孔率比不掺纤维降低50.2%。

③PVA纤维提高了水泥砂浆的电阻率，氯离子扩散系数与电阻率成负相关关系，可以通过测量电阻率来间接反映材料的抗氯离子扩散性能。

④理论计算表明桥面板中氯离子含量与扩散系数成指数关系。

[1]范颖芳,张世义.纳米高岭土颗粒改性水泥基复合材料的性能[J]. 土木建筑与环境工程,2014,36(4):130-137.

[2]汪琪,栾海洋,范颖芳.涂覆异丁基三乙氧基硅烷混凝土氯离子渗透性[J]. 广西大学学报(自然科学版), 2015,40(4):878-879.

[3]高礼雄,孙国文,张云升,等.水泥砂浆氯离子扩散系数与孔隙率之间的关系[J]. 重庆大学学报,2012,35(11):53-61.

[4]张奕.氯离子在混凝土中的运输机理研究[D]. 杭州:浙江大学,2008.

[5]LI V C.Progress and application of engineering cementitious composite[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2007, 35(4):531-536.

[6]马一平,朱蓓蓉,谈慕华.纤维参数对水泥砂浆塑性收缩开裂性能的影响[J]. 建筑材料学报,2009,5(3):220-224.

[7]徐世烺,李贺东.超高韧性水泥基复合材料研究进展及其工程应用[J]. 土木工程学报, 2008,41(6):45-60.

[8]薛会青,邓宗才.高韧性水泥复合材料试验研究[J]. 东南大学学报(自然科学版),2010,40(2):21-27.

[9]SAHMAEAN M.Durability properties of micro-cracked ECC containing high volumes fly ash[J]. Cement and Concrete Research, 2009, 39(11):1033-1043.

[10]TANG L, NILSSON L O.Rapid determination of chloride diffusivity of concrete by applying an electric field[J]. ACI Materials Journal, 1992, 49 (1):49-53.

[11]SPIESZ P, BALLARI M M, BROUWERS H J H. RCM: A new model accounting for the non-linear chloride binding isotherm and the non-equilibrium conditions between the free-and bound-chloride concentrations[J]. Construction and Building Materials, 2012, 27(1): 293-304.

[12]NGALA V T, PAGE C L, PARROTT L J.Diffusion in cementitious materials: Further investigations of chloride and oxygen diffusion in well-cured OPC and OPC 30% PFA plasters[J]. Cement and Concrete Research, 1995, 25(4):819-826.

[13]王晨飞.氯盐环境下聚丙烯纤维混凝土耐久性能研究[D]. 西安：西安建筑科技大学,2012.

[14]徐世烺,蔡新华,李贺东.超高韧性水泥砂浆抗冻耐久性能试验研究[J]. 土木工程学报,2009,42(9):42-43.

[15]孙伟,高建明,秦鸿根.钢纤维混凝土界面粘结强度的研究[J]. 硅酸盐学报,1985,13(5):292-299.

[16]元成方,赵卓,应凌云.纤维混凝土电阻率与氯离子扩散系数相关性试验研究[J]. 硅酸盐通报,2015,34(5):1205-1209.

[17]傅献彩,沈文霞,姚天扬,等.物理化学:下册[M]. 5版.北京:高等教育出版社,2005:68-70.

(责任编辑唐汉民梁健)

Study on chloride diffusion in PVA fiber cement mortar

SHAO Jun-feng, ZHANG Shi-yi, FAN Ying-fang

(Institute of Road and Bridge Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

The influence of PVA (Polyvinyl alcohol) fiber content on chloride diffusion in cement mortar at various curing ages is systematically discussed. The chloride resistance of seven types of specimens has been investigated using the Rapid Chloride Migration (RCM) method. The relationship between the PVA fiber content and the porosity and electrical resistivity of the mortar was analyzed. Theoretical model of the chloride diffusion process based on the heat transfer equation is established. The results show that PVA fiber has a significant effect on the chloride diffusion coefficient of cement mortar, and the pore structure of cement mortar was changed. After 28-day curing, when compared to the untreated samples, the chloride diffusion coefficient and the capillary porosity of the mortar with a fiber content of 2% were decreased by 24.1% and 50.2%, respectively; The chloride diffusion coefficient and resistivity have good linear negative correlation; There are good correlations between fiber content and capillary porosity, and void content and resistivity; There is a significant exponential relationship between chloride concentration and chloride diffusion coefficient.

fiber; cement mortar; resistivity; porosity; chloride diffusion coefficient

2015-12-30；

2016-05-27

国家自然科学基金资助项目(51178069)；辽宁省交通科研项目(201310)；教育部新世纪优秀人才基金项目(NCET-11-0860)

范颖芳(1972—)，女，河南开封人，大连海事大学教授，博士生导师，博士；E-mail:fanyf72@aliyun.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1170

TU528.58

A

1001-7445(2016)04-1170-08

引文格式：邵俊丰，张世义，范颖芳.PVA纤维水泥砂浆氯离子扩散性研究[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(4)：1170-1177.