预加荷载下聚丙烯纤维混凝土抗渗机理研究

梁宁慧，严如，田硕，刘新荣，许益华，郭哲奇

（1.重庆大学 土木工程学院，重庆 400045；2.山地城镇建设与新技术教育部重点实验室（重庆大学），重庆 400030）

耐久性能不足是导致混凝土结构服役寿命锐减的主要原因之一，提高结构构件在设计使用年限内的安全性和耐久性，已成为学术界和工程界重点关注的问题[1].在氯盐环境中，混凝土构件在荷载作用下产生的损伤微裂纹会成为氯离子的侵入通道，加速混凝土构件内钢筋锈蚀，造成构件耐久性能劣化[2-3].研究表明：纤维的掺入可以抑制荷载作用下混凝土裂缝的产生并延缓其发展，能有效提高混凝土的抗氯离子渗透性能，改善其耐久性能[4-5].聚丙烯纤维化学性质稳定，与混凝土材料亲和性较好，具有造价低、质轻、摩擦因数高和耐腐蚀等优点，在工程中得到了广泛应用[6].

目前，国内外对于聚丙烯纤维混凝土（polypropylene fiber reinforced concrete，PFRC）的抗渗性能已有较多研究.徐晓雷等[7]研究发现：当聚丙烯纤维体积掺量为0.15%时，对混凝土抗渗性能提升最大.Wang等[8]研究表明：聚丙烯纤维能够显著提高C50 高性能混凝土的抗渗性能.何亚伯等[9]研究表明：当应力比在0.2 以下时，氯离子扩散系数出现略微下降；应力比超过0.2 时，氯离子扩散系数随荷载增大而增大，而纤维的掺入改善了混凝土裂纹形态及分布，减小了裂纹尖端的应力集中.孙家瑛[10]研究了植物纤维素纤维和聚丙烯纤维对混凝土在荷载作用下渗透性能的影响，结果表明：在一定荷载范围内，纤维混凝土的抗渗能力有所提高，当荷载超过混凝土破坏荷载30%左右时，其抗渗能力随之下降.张云国等[11]通过研究发现：未施加荷载时，掺入聚丙烯纤维可以降低混凝土氯离子扩散系数，但施加荷载后聚丙烯纤维无法显著改善混凝土抗氯离子渗透能力.文献[12]将不同尺寸的聚丙烯纤维按一定比例混掺到混凝土中，试验结果表明：多尺寸聚丙烯纤维能够发挥协调作用，对混凝土抗裂性能提升较为显著，粗细纤维的混掺可在不同时期发挥阻裂效果.

综上所述，纤维的掺入可以抑制混凝土裂缝开展，提升混凝土的抗渗性能.但目前研究多集中于单掺聚丙烯纤维混凝土，对于不同尺寸的聚丙烯纤维混掺对混凝土抗渗性能的影响研究较少，同时对于施加荷载后，聚丙烯纤维对混凝土抗渗性能的提升效果存在争议.因此，本文选用3 种尺寸的聚丙烯纤维进行单掺和不同比例的混掺，通过氯离子渗透试验研究了荷载大小和聚丙烯纤维尺寸对混凝土抗渗性能的影响，并运用压汞法和扫描电镜，探究了混掺多尺寸PFRC 的抗渗机理.

1 试验概况

1.1 试验材料

水泥选用P·O 42.5 重庆小南海普通硅酸盐水泥.细骨料选用细度模数为0.8、堆积密度为1 294 kg/m3的特细砂和细度模数为2.9、堆积密度为1 530 kg/m3的天然水洗河砂，二者质量比例为2 ∶8.粗骨料选用粒径为5～10 mm 和10～25 mm 的石灰石碎石，质量比例为4 ∶6，其表观密度分别为2 680 kg/m3和2 690 kg/m3.减水剂采用聚羧酸减水剂，减水率为15%～30%.试验采用的两种聚丙烯细纤维（FF1、FF2）和一种聚丙烯粗纤维（CF1）的外观形状如图1所示，性能参数见表1.

图1 聚丙烯纤维外观形状Fig.1 Appearance and shape of polypropylene fibers

表1 聚丙烯纤维性能参数Tab.1 Property parameters of polypropylene fibers

1.2 配比参数

混凝土强度等级为C30，试验基准配合比为：水泥380 kg/m3，水175 kg/m3，砂701 kg/m3，石灰石碎石1 144 kg/m3，减水剂3.8 kg/m3.根据试验研究及工程经验，细纤维单掺最佳掺量为0.9 kg/m3，粗纤维单掺最佳掺量为6.0 kg/m3.为保证各组试验结果的可比性，各试验组的配合比保持一致，混掺聚丙烯纤维的总量为6.0 kg/m3.试验采用3 种尺寸的聚丙烯纤维进行单掺及混掺，各组试件纤维掺量见表2.

表2 试件纤维掺量Tab.2 Fiber content of specimen

1.3 试验过程

1.3.1 NEL 氯离子扩散系数试验

试验采用NEL 氯离子扩散系数法测定聚丙烯纤维混凝土的渗透性能.该方法是基于离子扩散和电迁移的一种饱盐电导率法，结果可靠性、稳定性较好[13].参照《纤维混凝土结构技术规程》[14]，混凝土试件浇筑共两批、第一批9 组尺寸为100 mm×100 mm×100 mm 的立方体试件，每组3 个试件.第一批试件经标准养护28 d 后进行混凝土立方体抗压强度测试，各组试件的立方体抗压强度见表3.

表3 各组混凝土的抗压强度Tab.3 Compressive strength of concrete specimens MPa

将第二批尺寸为150 mm×150 mm×150 mm 立方体混凝土试件，采用单轴加载的方式进行预压，分别施加0、0.2、0.4、0.6、0.8 倍的极限抗压荷载.混凝土承受的轴向荷载水平用λ 表示，即混凝土试件承受荷载F 与极限荷载Fcu的比值，表达式为：

试件取样以0.5 MPa/s 的速率将立方体混凝土试件加载至对应荷载并维持荷载30 min 后，使用钻芯机垂直于试件受压方向进行钻芯，并使用磨平机打磨试件，在钻芯打磨过程中取试件中间部分，避免表面浮浆层的影响，保证上下表面平整，同时使用千分尺量取试件中心厚度，得到Φ100 mm×50 mm 的试件，将试件放入4 mol/L 的NaCl 盐溶液中并静置8 h，饱盐后，使用NEL 型混凝土渗透性电测仪测量试样的氯离子扩散系数.真空饱水设备为UJS 型智能混凝土真空饱水机，渗透性电测仪为NEL-PEU 型混凝土渗透性电测仪.试验试件制作如图2 所示.

1.3.2 压汞试验及电镜扫描试验

混凝土的孔结构特征直接影响混凝土抗渗性能[15-16]，为研究聚丙烯纤维尺寸和荷载大小对混凝土微观孔结构的影响、探究多尺寸PFRC 的抗渗机理，进行了压汞和电镜扫描试验.压汞试验采用A0、A3、A6、A8 四组尺寸为150 mm×150 mm×150 mm 的混凝土立方体试件，分别对各组试件施加λ=0、λ=0.4 和λ=0.8 的荷载进行120 min 预压.预压后选取完整、无人为损伤、大小约为5 mm 的细颗粒，经无水乙醇浸泡处理1 d 后取出，在100 ℃恒温烘箱中烘至恒重后，进行压汞试验.压汞仪选用Pore-master-33型全自动压汞仪.

电镜扫描试样取自立方体抗压强度测试后试件中心的碎块，制成大小约为1 cm3的试块，经无水乙醇浸泡、烘干、喷金后，置于TESCAN-7718 型电镜扫描仪下观察.

2 氯离子扩散系数试验结果与分析

2.1 结果分析

9 组混凝土试件在不同荷载水平作用下的氯离子扩散系数如图3 所示.

图3 不同荷载水平下混凝土氯离子扩散系数的变化曲线Fig.3 Variation curve of chloride diffusion coefficient of concrete under different load levels

由图3 可知，未施加轴向荷载时，添加纤维的A1～A8 试件的氯离子扩散系数均比素混凝土A0低，即聚丙烯粗细纤维的掺入均能提高混凝土抗氯离子渗透能力.A1～A8 的氯离子扩散系数相较A0分别降低了32.6%、27%、10.7%、37.8%、72.9%、93.3%、88%和93.9%，其中混掺纤维的A4～A8 试件比单掺聚丙烯纤维的A1～A3 试件的氯离子扩散系数低50%左右，即不同尺寸聚丙烯纤维混掺对混凝土抗渗性能的提升优于聚丙烯纤维单掺.

随着荷载的增加，氯离子扩散系数呈现逐渐增大的趋势.在荷载水平λ 由0 增加到0.2 的过程中，各组试件的氯离子扩散系数变化不大，此时混凝土尚处在弹性阶段，自身结构有一定的抵抗能力和恢复能力.在荷载水平λ 超过0.4 之后，各组试件的氯离子扩散系数的增幅显著提高，这是由于在荷载水平λ 达到0.4 之后，在荷载作用下试件内部开始产生微裂纹并逐渐贯通形成通道，导致混凝土内部的氯离子扩散速度显著增加.对比单掺纤维的A1、A2和A3 试件可以发现，在荷载水平λ 低于0.4 时，单掺粗纤维的A3 混凝土试件的氯离子扩散系数高于单掺细纤维的A1 和A2，表明在低荷载水平下细纤维对于混凝土抗渗性能的提升优于粗纤维，一方面细纤维的掺入能有效控制混凝土的塑性收缩，减少混凝土的初始孔洞[17]；另一方面，当荷载较低时，混凝土内部主要以微裂纹为主，而此时细纤维由于其较小的直径，能较好地抑制微裂纹的扩展.荷载水平在0.6 以后，A0～A6 试件的氯离子扩散系数出现了陡增现象，即出现了临界应力现象.A1 试件在λ=0.2、0.4、0.6、0.8 四种荷载水平作用下，相较于未加荷载时，氯离子扩散系数增长率分别为11.26%、55.89%、95.31%、314.07%.当荷载水平达到临界应力后，界面处产生的裂缝与砂浆中的裂缝相互贯通，裂缝发展很不稳定，呈快速扩展趋势，混凝土的抗渗性能大幅下降[18].

多尺寸聚丙烯纤维混掺A8 试件相对于A0 试件在λ=0、0.2、0.4、0.6、0.8 五种轴向荷载水平作用下的氯离子扩散系数分别降低了93.9%、90.8%、77.5%、63.5%、66.5%，均为降低幅度最大的一组，这表明不同尺寸的聚丙烯纤维混掺能够产生正向效应.不同尺寸的聚丙烯纤维混掺能在不同的荷载阶段发挥阻裂作用，发挥协同作用，可以更有效地提高混凝土试件在各个荷载水平下的抗氯离子渗透性能.A7、A8 均为多尺寸纤维混凝土，但A8 在五种轴向荷载水平作用下的氯离子扩散系数均低于A7，但A7、A8在五种轴向荷载水平作用下的氯离子扩散系数降低幅度相差最大不超过10%，说明在纤维类型相同、总掺量相同的情况下，不同的混杂比例对混凝土的氯离子扩散系数也有所影响，但影响幅度有限.

2.2 数学模型

同时由图3 可以看出，混凝土氯离子扩散系数D 与荷载水平λ 呈近似满足二次函数关系，即

式中：D0是无荷载时混凝土的氯离子扩散系数；λ 为荷载水平；a、b 为拟合常数.根据上述关系式，对A0～A8 混凝土试件的氯离子扩散系数与荷载水平之间的关系式进行拟合，可以得到不同纤维掺量下混凝土试件随荷载水平变化的氯离子扩散系数方程，各方程的相关参数见表4.

表4 氯离子扩散方程系数Tab.4 Coefficient of chloride diffusion equation

由表4 可以看出，按照式（2）拟合所得的氯离子扩散方程系数的R2值均在0.92 以上，拟合相关度较高，也验证了运用式（2）表达氯离子扩散系数随荷载水平的变化关系是比较准确的.

3 孔结构分析

通过压汞试验可以得到不同荷载水平下的孔径分布曲线，纵坐标为进汞体积增量与孔径的对数之比（dV/dlgr），横坐标为孔径r，如图4 所示.曲线所对应的峰值即为最可几孔径，它表示混凝土试样中出现概率最大的孔径.根据压汞试验结果还可以得到不同应力比下的混凝土试件的孔隙率、平均孔径和孔径分布等孔结构参数，见表5.混凝土按孔径分为以下3 类：孔径＜20 nm 为对抗渗性能几乎无影响的无害孔，孔径20～100 nm 为对抗渗性能影响较小的少害孔，孔径＞100 nm 为对抗渗性能影响较大的有害孔和多害孔[19].

图4 不同荷载水平λ 下的孔径分布曲线Fig.4 Aperture distribution curves under different loading level

3.1 未加载时孔径分布

由表5 可以看出，在未加载时，掺入纤维对混凝土孔隙率影响很小，5 组试件孔隙率均在3.3%左右.对比A0、A1、A3 的孔结构参数可知，A1、A3 的最可几孔径和平均孔径均小于A0，表明掺入粗细聚丙烯纤维减小了混凝土内部孔隙的尺寸.从孔径分布上看，A0 的有害孔与多害孔占比达到了41.22%，而A1、A3 仅为31.46%和33.27%，有害孔占比减少了9.76%和7.95%，同时A1 的无害孔的孔径占比增加了5%，而粗纤维A3 组仅略有增加，提升了1.37%，即聚丙烯粗纤维主要通过减小有害孔、多害孔的占比来提升混凝土的抗渗性能，而聚丙烯细纤维还能减小孔隙孔径增加无害孔占比、进一步增强混凝土密实度.同时，当不同尺寸的聚丙烯纤维混掺时，A6和A8 的无害孔占比均得到了进一步的增加，分别较A1 增加了3.31%和5.59%，表明不同尺寸的聚丙烯纤维混掺在混凝土内部形成的纤维网架能更好地改善混凝土内部的孔隙结构，提升混凝土结构的密实度，更进一步地提升混凝土的抗渗性能.

表5 混凝土孔结构参数表Tab.5 Structural parameters of concrete pore

3.2 加载后孔径分布

随着荷载水平的增大，5 组试件的孔隙率、最可几孔径、平均孔径和有害孔与多害孔占比均随之增大，无害孔占比下降，这与氯离子渗透试验结果比较吻合，说明荷载会增加混凝土内部的孔隙尺寸和数量，导致混凝土抗渗性能下降.

图5、图6 分别给出了不同荷载水平下，纤维混掺与孔隙率和最可几孔径的关系变化图.由图5 可知，随着荷载水平的增加，纤维混掺的不同表现出了一定的差异，素混凝土的增长幅度最大，单掺粗纤维混凝土次之，多尺寸聚丙烯纤维混凝土增长幅度最小.当λ=0.4 时，A0、A1、A3、A6、A8 试件的孔隙率较未加荷载分别增长了23.23%、17.96%、17.21%、14.79%和10.06%；当λ=0.8 时，A0、A1、A3、A6、A8试件的孔隙率较未加载分别增长了93.75%、83.62%、70.46%、62.73%和44.32%.

图5 不同荷载水平时混掺纤维与孔隙率关系Fig.5 The relationship between fiber hybridization and porosity under different loading level

由图6 可知，最可几孔径变化规律与孔隙率类似，纤维混凝土试件在不同荷载水平下的最可几孔径均小于素混凝土，细纤维对低荷载水平下微小孔隙的发展影响较大，粗纤维能更有效地抑制较高荷载水平下大孔隙的发展.当荷载水平λ=0.8 时，A0、A1、A3、A6、A8 的最可几孔径增幅分别为106.69%、110.17%、90.23%、69.43%和30.38%，多尺寸纤维混掺表现较优.

图6 不同荷载水平时混掺纤维与最可几孔径关系Fig.6 The relationship between fiber hybridization and optimum aperture under different loading level

另一方面，5 组试件中，A8 试件在所有荷载水平下的孔隙率、最可几孔径、平均孔径和有害孔与多害孔占比均为最小.在荷载水平λ=0.8 时，A8 比A0的孔隙率降低了26.97%，最可几孔径、平均孔径和有害孔与多害孔占比分别降低了52.82%、22.21%和32.77%，这表明多尺寸聚丙烯纤维能够发挥不同尺寸纤维混掺的优势，均匀分散的多尺寸聚丙烯纤维在承受荷载作用时可发挥自身桥接作用，能更好地控制荷载作用下混凝土内部裂缝的萌发和发展，更有效地提升混凝土的抗渗性能.

4 多尺寸PFRC 抗渗机理分析

纤维与水泥基体之间的黏结力主要分为机械咬合力和摩擦黏结力[20].图7 所示为在5 000×时拍摄的在0.8 荷载水平作用后的多尺寸纤维混凝土A8试件中的细纤维与混凝土基体的过渡层界面，可以看出，细纤维表面存在大量颗粒状水化产物，能够产生化学黏聚力，使得混凝土基体更为密实，因此细纤维能够减少混凝土基体初始缺陷，细化孔径.由图1（c）中可以看到粗纤维表呈波浪状，这能够保证粗纤维与水泥基体之间紧密结合，产生较大的摩擦黏结力，使得粗纤维能够分担混凝土基体开裂时的荷载，延缓裂纹发展.图8 所示为1 000×时拍摄的在0.8荷载水平作用后A8 试件的内部微观结构，可以看出，混凝土内部遍布着孔隙和微裂纹，粗细聚丙烯纤维则无规律地均匀分散在混凝土基体与孔隙和微裂纹之间.混凝土基体内的粗细纤维相互搭接，形成了具有较好整体性的三维空间网架结构，一方面可以降低混凝土拌和料的离析程度，对骨料起到一定承托作用，减少因骨料沉降而形成的泌水通道；另一方面可以降低混凝土的孔隙率，大幅减少有害孔与多害孔占比，提升无害孔占比，改善混凝土的孔结构，提高混凝土的抗氯离子渗透性能.

图7 细纤维过渡层界面SEM 形貌（5 000×）Fig.7 SEM morphology of ITZ of fine fiber（5 000×）

图8 混凝土内部微观结构（1 000×）Fig.8 Internal microstructure of concrete（1 000×）

在荷载作用下，混凝土内部开始产生微裂纹，裂纹尖端出现拉应力集中，使得微裂纹继续发展成逐渐贯通的、渗透性较高的裂缝.多尺寸PFRC 在低荷载水平下微裂纹产生时，细纤维可分担裂纹尖端的应力，抑制微裂纹的发展.随着荷载增大，微裂纹将横穿细纤维持续扩展，此时细纤维由于与水泥基体之间存在较大的摩擦力，将发挥桥接作用，承担基体开裂后的荷载，因此细纤维可以抑制混凝土在低荷载水平下裂缝产生与发展，减小混凝土的孔隙率和孔径大小，提高混凝土在低荷载水平下的抗渗性能.当荷载增大到一定程度时，部分细纤维由于无法承受过大的力而被拔出或拔断，此时粗纤维由于与混凝土基体黏结强度和自身承载力更高，将接替细纤维继续承担荷载，阻碍裂缝的发展与贯通，因此粗纤维对高荷载水平下裂缝发展与贯通的抑制作用更明显，能提高混凝土在高荷载水平下的抗渗性能.

5 结论

1）聚丙烯纤维能够提高混凝土在不同荷载水平下的抗氯离子渗透性能，混掺组A8 试件在λ=0、0.2、0.4、0.6、0.8 五种荷载水平下的氯离子扩散系数均为降低幅度最大的一组，其抗渗性能优于素混凝土和单掺聚丙烯纤维混凝土.

2）聚丙烯细纤维对微小孔隙的抑制作用较为显著，在荷载水平低于0.4 时，微小孔隙较多，此时细纤维能更有效地降低混凝土的孔隙率和孔径大小；粗纤维对大孔隙抑制作用较为明显，在荷载水平高于0.6 时，混凝土的平均孔径和最可几孔径均增大，此时粗纤维能更有效地降低混凝土的孔隙率和孔径大小.

3）不同尺寸的聚丙烯纤维混掺可以形成三维空间网架结构，使得粗细纤维产生协同作用，更有效地抑制不同受荷阶段、不同孔径孔隙的产生与发展，提高混凝土在各个荷载水平下的抗渗性能.