荷载损伤后纤维轻骨料混凝土氯离子侵蚀研究

张云国，李 敏，韩 玥

(1. 大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028； 2. 大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024)

0引 言

纤维轻骨料混凝土因其高强、轻质、抵抗变形能力强而在建筑、交通、水利工程中被广泛应用。然而在沿海地区、洒除冰盐地区、盐碱地带，氯离子侵蚀会造成钢筋混凝土结构的劣化，服役过程中混凝土结构受到持续的荷载作用会改变混凝土的孔隙特征进而产生裂缝，如果氯离子侵蚀和荷载损伤交替或同时进行时，结构破坏将更加迅速[1-4]。因此，对荷载损伤后氯离子侵蚀问题的研究变得尤为重要。近年来，研究人员对加入钢纤维[5]、聚丙烯纤维[6-7]的普通混凝土氯离子侵蚀进行了大量研究。随着研究的不断深入，还有许多学者对荷载作用下的氯离子渗透性能做了研究，荷载作用方式主要有静态压荷载[8-9]、动态压荷载[10-11]、拉荷载[12-13]、弯曲荷载[14-16]等。邹斌等[17]在研究剪应力对混凝土氯离子侵蚀规律的影响时提出了四点弯剪切法自锚加载方式，为后续研究剪应力作用下混凝土耐久性提供了新方法。

本文以纤维轻骨料混凝土圆柱体为试验对象，研究了拉应力、压应力作用对混凝土结构损伤后耐久性的影响，采用试验机加载方式使混凝土试件承受不同等级拉应力和压应力作用，通过试验研究拉应力、压应力作用后轻骨料混凝土结构的残余应变和氯离子扩散系数间的变化规律，为今后研究正应力作用下混凝土结构耐久性提供参考。

1试验概况

1.1原材料与试件制备

水泥为大连小野田水泥厂生产的P.O42.5R普通硅酸盐水泥；掺合料为大连华能电厂Ⅰ级粉煤灰；砂为河砂，细度模数为2.79；轻骨料为宜昌生产的膨胀页岩碎石型陶粒，连续级配为5～20 mm，堆积密度为783 kg·m-3；高效减水剂为磺酸基和羧酸基共聚物的第3代产物，减水率为28.4%；水为自来水；纤维为竹节型聚丙烯纤维和波浪形钢纤维，其性能指标如表1所示。

表1聚丙烯纤维和钢纤维性能指标Tab.1Performance Indexes of Polypropylene Fiber and Steel Fiber

采用全计算配合比法[18]，以自密实砂浆为基础，用自密实砂浆超量取代粗骨料空隙，在骨料中加入砂浆，确定粗骨料体积率，最终确定轻骨料混凝土配合比。用纤维等体积代替粗骨料的方法，在轻骨料混凝土中加入纤维，得到纤维轻骨料混凝土配合比，如表2所示。

试验包括10组试件，分别为：未掺加纤维的P0组；聚丙烯纤维体积率为0.6%，0.9%，1.2%，1.5%的试验组(编号P6，P9，P12，P15)；纤维总体积率为0.9%的试验组，其中钢-聚丙烯纤维体积率为0.1%+0.8%，0.3%+0.6%，0.5%+0.4%(编号PS1，PS3，PS5)；钢纤维体积率为1.0%，1.5%的试验组(编号S10，S15)。每组27个试件，其中3个用于测量抗拉强度，3个用于测量抗压强度，9个用于测定40%，60%，80%极限拉荷载损伤后的残余应变，9个用于压荷载损伤试验(每个等级荷载需要3个试件)，3个不进行荷载损伤试验直接进行氯离子侵蚀试验，总计270个试件。

按照《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)[19]、美国材料与试验协会(ASTM)混凝土试验标准[20]和欧洲标准规范[21]的要求进行混凝土的制备和工作性能的验证。将轻骨料混凝土拌制完成后，注入尺寸为102 mm×220 mm的PVC管模具中(内贴1 mm厚纸片便于脱模)，24 h后脱模，在温度为20 ℃±2 ℃的饱和碱性溶液养护箱中养护28 d，得到圆柱体试件，模具比试件高20 mm是为了试件成型后一端磨平处理所预留。

表2纤维轻骨料混凝土配合比Tab.2Mix Proportion of Fiber Reinforced Lightweight Aggregate Concrete

1.2荷载损伤试验

先将养护好的试件进行抗压强度和抗拉强度试验。抗压强度试验在200 t万能试验机上进行，抗拉强度采用30 t电液伺服万能试验机进行测试。在测试抗拉强度时，先将试件两侧黏结面磨平，用植筋胶将两端带有拉杆的钢制球铰装置固定在圆柱体试件两端，静置48 h进行抗拉强度测试。钢球铰两端拉杆可以±5°方向调节，以保证试件所受拉力始终垂直于横截面。受拉试件和受拉试验见图1，2，试验结果见表2。然后进行荷载损伤试验，混凝土试件拉荷载、压荷载损伤试验均采用电液伺服万能试验机。在混凝土圆柱体极限抗拉强度、极限抗压强度的40%，60%，80%水平下持载60 s，然后卸载。试验过程中，用电阻应变片测量试件在加载、持载过程中的应变；用半桥式温度补偿片来减小温度变化对应变片电桥输出的影响；采用DHDAS动态信号采集系统进行数据采集，采集频率为10 Hz。

图1受拉试件Fig.1Tensile Specimens

图2受拉试验Fig.2Tensile Test

1.3氯离子扩散系数测定

对卸载后的试件和未掺加纤维对照组试件进行切割，先切去试件上下端部各50 mm，后将剩余部分切成两半，得到2块尺寸为100 mm×50 mm的小圆柱。将切割好的试块放入氯离子浓度为4 mol·L-1的智能真空饱水机中浸泡18 h，然后用NEL-PDR氯离子扩散系数快速测定仪测定氯离子扩散系数，仪器通过对真空饱盐后的试件两端施加固定电压，使之产生通过试件的电流，通过计算机计算电导率，利用Nernst-Einstein方程计算氯离子扩散系数。最后对每组6个数据取平均值。真空饱水机与氯离子扩散系数快速测定仪如图3，4所示。

图3真空饱水机Fig.3Vacuum Water Saturation Instrument

图4氯离子扩散系数快速测定仪Fig.4Fast Measuring Instrument for Chloride Ion Diffusion Coefficient

2试验结果及分析

2.1抗拉强度和抗压强度分析

图5抗压强度分布Fig.5Distribution of Compressive Strength

图6抗拉强度分布Fig.6Distribution of Tensile Strength

图5，6给出了各组试件抗压强度和抗拉强度的分布规律。从图5可以看出，掺加纤维试验组的抗压强度均高于未掺加纤维的P0组，其中掺加钢纤维的S15组抗压强度最大，达到40.1 MPa。加入聚丙烯纤维的P6组抗压强度从31.3 MPa提高到33.6 MPa，P9，P12，P15组分别提高到35.1，36.8，39.2 MPa，抗压强度随聚丙烯纤维体积率的增加近似呈线性增加趋势。相比于抗压强度，纤维增强抗拉强度的效果更显著。单掺聚丙烯纤维的P6，P9，P12，P15组试件抗拉强度分别增加了10%，17%，23%，32%，单掺钢纤维的S10组和S15组抗拉强度分别增加了33%和41%。由此可见轻骨料混凝土抗拉强度随着聚丙烯纤维体积率的增加而增加，钢纤维增强抗拉强度效果优于聚丙烯纤维，纤维增强了混凝土的韧性，延缓其破坏过程，提高了抗拉强度。

2.2荷载损伤后应变分析

残余应变是混凝土结构在荷载卸载之后仍存在的不可恢复变形，表示为无荷载作用与荷载卸载之后的应变差值，通过应变片在试件加载前后的读数得到残余应变值。图7，8给出了拉、压荷载损伤后的残余应变分布规律，其中P为极限荷载。由图7，8可以看出，每组轻骨料混凝土应力水平与残余应变呈正相关关系，即同组试件应力水平越高，残余应变越大，混凝土内部结构塑性变形、微裂缝损伤程度和不可恢复程度越大。由于泌水、收缩、水化不充分等原因，轻骨料混凝土内部已经存在很多微裂缝，随着应力水平增加，微裂缝扩展最终相互连通，导致塑性变形增大。

图7拉荷载作用后残余应变Fig.7Residual Strain After Tensile Load

图8压荷载作用后残余应变Fig.8Residual Strain After Compressive Load

由图7还可以看出，在40%极限荷载拉应力水平作用下，各试验组残余应变差异不大，大多分布在10×10-6左右。主要原因为：一方面，试件在较低的荷载水平作用下，拉应力对混凝土造成的损伤程度较小，变形主要是骨料与水泥砂浆之间的弹性应变，塑性变形所占比例较小；另一方面，纤维的加入减小了内部结构的孔隙率和孔径，使得结构更密实。在80%极限荷载应力水平作用下，各试验组残余应变差异大于40%极限荷载应力水平作用，分布范围较大，在25×10-6～120×10-6之间。与P0组相比，P15组残余应变减小了27×10-6，而S15组减小了49×10-6，由此可见钢纤维在抵抗轻骨料混凝土变形方面明显优于聚丙烯纤维。

从图8还可以看出，40%极限荷载压应力水平作用后，各组残余应变分布在20×10-6左右，大多数试验组的残余应变大于40%极限荷载拉应力水平，低荷载作用下，纤维减小轻骨料混凝土的塑性变形在拉荷载损伤下效果更明显。在60%极限荷载作用后，掺加纤维的各试验组残余应变均小于P0组，加入纤维之后轻骨料混凝土的塑性变形得到不同程度的减小，P6，P9，P12，P15试验组随着聚丙烯纤维体积率的增加，残余应变分布较为稳定，没有明显增减变化趋势。掺加聚丙烯纤维和钢纤维的总体积率都为0.9%的试验组由于纤维掺量较小，钢纤维体积率的变化对抵抗混凝土变形影响不显著。60%极限荷载应力水平相当于混凝土结构在日常工作中承受概率最大的荷载等级，掺加钢纤维的S10，S15组相对于P0对照组残余应变减小幅度较大，分别减少了57.7%和62.6%，再次证明了钢纤维可以增强混凝土强度，提高混凝土韧性。

2.3氯离子扩散系数分析

氯离子扩散系数与混凝土抵抗氯离子侵蚀能力呈反比关系，氯离子扩散系数越大，混凝土抵抗氯离子侵蚀能力越弱。图9，10为拉荷载、压荷载损伤后氯离子扩散系数的分布情况。由图9，10可知，高应力水平作用后的试件在同组试件中氯离子扩散系数最大，这说明当荷载应力水平比较大时，应力损伤对混凝土结构氯离子侵蚀有明显的增大作用，不能忽略。

图9拉荷载作用后氯离子扩散系数Fig.9Chloride Ion Diffusion Coefficient After Tensile Load

图10压荷载作用后氯离子扩散系数Fig.10Chloride Ion Diffusion Coefficient After Compressive Load

从图9还可以得出，各试验组中，随着拉应力水平的增加，氯离子扩散系数呈增长趋势。例如掺加1.2%聚丙烯纤维的P12组，在没有施加荷载时测得氯离子扩散系数为5.66×10-9m2·s-1，施加40%，60%，80%极限荷载之后，测得氯离子扩散系数分别为11.04×10-9，13.04×10-9，17.1×10-9m2·s-1，呈递增趋势。拉荷载作用下混凝土微观结构逐步劣化，产生微裂缝，且拉应力使得混凝土内部孔隙率和孔径增大，随着荷载水平的提高，微裂缝进一步扩展和相互连通，这些微裂缝可形成潜在的氯离子传输通道，使氯离子更容易进入结构内部。因此施加的荷载等级越高，混凝土抵抗氯离子侵蚀能力越弱。

在没有施加荷载的试验组中，P0组氯离子扩散系数为8.86×10-9m2·s-1，与P0组相比，P6，P9，P12，P15组氯离子扩散系数分别减少0.75×10-9，2.23×10-9，3.2×10-9，3.35×10-9m2·s-1，降低率分别为8%，26%，36%，37%。由此说明聚丙烯纤维的加入，使得轻骨料混凝土的抗渗性能得到提高，加入体积率为1.5%的聚丙烯纤维试验组的抵抗氯离子侵蚀性能优于其他聚丙烯纤维体积率的混凝土。掺加聚丙烯纤维和钢纤维的PS1，PS3，PS5试验组氯离子扩散系数减少了17%，15%，18%，随钢纤维体积率的增加不明显。

对于没有施加荷载的试验组S10，S15，氯离子扩散系数与没有施加荷载的P0组相比均增大，其中掺加钢纤维体积率为1.5%的S15组增加了77.2%，增长十分显著。对于增长显著的原因，一般认为这是由于氯离子侵蚀加速了钢纤维钝化膜的破坏。水泥水化过程产生的高碱性环境(pH≥12.6)会使得钢纤维表面形成一层致密的钝化膜，钢纤维正常环境下不被侵蚀是因为钝化膜中的Si-O键对其有保护作用，而钝化膜只有在高碱性环境下才能达到稳定状态，一旦pH值减小(pH<11.5时)，钝化膜就开始变得不稳定；当pH<9.88时，钝化膜就会被破坏。研究表明，混凝土孔隙溶液中的Cl-与Fe2+反应生成易溶的绿锈FeCl2·4H2O，并立即分解，反应式如下

Fe2++2Cl-+4H2O→FeCl2·4H2O

(1)

FeCl2·4H2O→Fe(OH)2+2Cl-+H++2H2O

(2)

可以看出Cl-在反应中只是起到了催化作用，生成的H+和OH-发生中和反应，使得结构内部pH下降，从而导致钝化膜破坏。在加入钢纤维的轻骨料混凝土试验组中，氯离子渗透进入混凝土内部加速破坏了钝化膜，引起钢纤维锈蚀，由于锈蚀物的体积大于原来消耗的钢纤维体积并且会对周围的混凝土产生锈胀作用，使得结构不密实。再加上钢纤维本身具有良好的导电性质，本次试验氯离子扩散系数测定的方法实质是电通量法，因此得到的氯离子扩散系数增长幅度较大。

由图10还可以看出，随着压应力水平的逐渐提高，聚丙烯纤维体积率为1.5%的P15组氯离子扩散系数逐渐增大。在不受荷载时氯离子扩散系数为5.51×10-9m2·s-1，受到40%，60%，80%极限荷载后氯离子扩散系数分别为10.13×10-9，12.3×10-9，16.67×10-9m2·s-1，与施加同等荷载的P0组相比，分别增长8.8%，28.1%，42.5%。由于在轻骨料混凝土中掺入一定量的纤维，会产生很多新的界面，和水泥砂浆与骨料界面一样，都是结构内部的薄弱部位，当受到的压应力水平逐渐提高时，这些薄弱部位首先破坏，为氯离子进入混凝土内部提供更多的通道，因此，氯离子扩散系数随荷载等级增加呈增长趋势。与P15组掺加同体积率的钢纤维S15组在不施加荷载时氯离子扩散系数为15.1×10-9m2·s-1，施加40%，60%，80%极限荷载后氯离子扩散系数分别为16.8×10-9，18.2×10-9，25.6×10-9m2·s-1，与施加同等荷载的P0组相比，增长幅度分别为80.4%，89.6%，118.8%，增长率远大于P15组。氯离子对聚丙烯纤维混凝土结构内部的酸碱环境改变不会影响到纤维本身，而氯离子通过改变钢纤维轻骨料混凝土内部的酸碱度，对破坏钢纤维表面的钝化膜起到催化作用，由于钢纤维具有导电性高的特点，在同等强度等级作用下，钢纤维轻骨料混凝土氯离子扩散系数更大一些。

2.4残余应变-氯离子扩散系数关系

图11拉荷载作用后残余应变与氯离子扩散系数分布Fig.11Distributions of Residual Strain and Chloride Diffusion Coefficient After Tensile Load

图12压荷载作用后残余应变与氯离子扩散系数分布Fig.12Distributions of Residual Strain-chloride Diffusion Coefficient After Compressive Load

图11，12给出了拉、压荷载作用后纤维轻骨料混凝土在不同荷载等级作用下残余应变与氯离子扩散系数的分布情况。从图11，12可以看出，总的趋势是随着荷载等级的增大，混凝土残余应变在增大，内部结构不可恢复变形增大，最终导致氯离子扩散系数明显增大。结合图7，8可以看出，随着纤维掺量的增加，混凝土残余应变并没有呈现显著的变小趋势。这是因为纤维掺量的增加导致了极限强度增加，在施加相应水平的损伤荷载时其荷载大小也在增加，因而没有出现残余应变减小的情况。结合图9，10可以看出，未施加荷载时，单掺聚丙烯纤维组的氯离子扩散系数随着纤维的增加而变小，混掺纤维组基本保持不变，钢纤维组显著增加，施加荷载后纤维的增加没有显著改善混凝土抗氯离子扩散性能。总之，残余应变与氯离子扩散系数间存在正相关特性，残余应变越大，氯离子扩散系数越大。

3结语

(1)荷载作用后，混凝土残余应变随着拉、压荷载等级的增大而增大，残余应变增加后，混凝土抗氯离子侵蚀能力降低，纤维对轻骨料混凝土极限强度和抗变形能力提高显著。

(2)无荷载作用时，随着聚丙烯纤维掺量的增加氯离子扩散系数降低，混凝土抵抗氯离子侵蚀能力增加；有荷载作用时，纤维的掺入对混凝土抗氯离子侵蚀能力并无显著改善。

(3)工程中应用纤维改善轻骨料混凝土抗氯离子侵蚀能力建议采用聚丙烯等有机纤维；NEL法测量氯离子扩散系数并不适用于钢纤维轻骨料混凝土，钢纤维自身导电性会影响测试结果的准确性。