温湿耦合循环作用下纤维混凝土的耐久性能变化

李霞

（山西工程职业学院，山西 太原 030013）

0 引言

混凝土广泛应用于土木工程的各行业中，如建筑、大坝、隧道和桥梁等。不同行业对混凝土性能的要求有所不同，这主要是因为混凝土所处的环境不同。研究者对不同环境下混凝土性能进行了分析研究，金浏等[1]考虑高温下细观组分力学性能退化效应及率效应的影响，建立了高温作用下混凝土动态压缩破坏行为及应变率效应研究的细观尺度数值分析模型。王明年等[2]研究了不同火灾高温作用对隧道衬砌混凝土损伤的影响程度。刘宗辉等[3]分析了不同温度后全轻混凝土单轴受压疲劳性能。陈宗平等[4]以温度、再生粗骨料取代率、混凝土强度为变化参数，观察了高温后试件的受力破坏过程。李伟民等[5]通过不同含气量混凝土的冻融循环试验，对冻融后混凝土的抗冻性能进行分析。时旭东等[6]探讨不同强度等级混凝土在低温冻融循环作用下弹性模量的变化。董伟等[7]研究粉煤灰再生混凝土的碳化规律，并建立碳化预测模型。吴必良等[8]采用非洲凝灰岩和火山渣2种天然火山灰质材料，研究了其对混凝土抗碳化性能的影响。曹雁峰等[9]研究不同掺合料对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响。牛建刚和王潇鹏[10]采用快速氯离子迁移系数法对塑钢纤维轻骨料混凝土的氯离子渗透性进行研究。钱晓倩等[11]研究了相对湿度对混凝土和砂浆收缩率和收缩规律的影响。不同外界环境对混凝土的性能有不同的影响，且通常情况下混凝土所处的环境并不是单一环境，因此必须要分析耦合环境下混凝土的性能变化。丁杨等[12]通过仿真模拟，分析了多场耦合作用下的混凝土性能变化。沈晴晴等[13]运用大型有限元分析软件ANSYS进行了足尺门框构件的热-结构耦合模拟分析。李荣涛和Christopher[14]考虑热湿影响，分析了氯盐侵蚀下混凝土中多相传输与相变模拟。逯静洲等[15]研究了混凝土结构荷载与环境耦合作用下混凝土性能劣化时的变化规律。刘宇森等[16]分析了不同温度、湿度的耦合作用下，界面力学性能及粘结耐久性能的变化规律。

从上述研究成果可知，耦合环境作用下的混凝土性能与单一环境下的性能存在明显差异。本文对混凝土进行温湿度耦合循环试验，分析混凝土抗压强度、抗氯离子侵蚀和抗碳化性能的变化规律，同时在混凝土中掺加2%聚乙烯纤维来提高混凝土的耐久性能。

1 实验

1.1 原材料

水泥：P·O42.5R水泥，主要化学成分如表1所示；石：粒径6~14 mm，堆积密度1326 kg/m3，表观密度2166 kg/m3，压碎指标6%；粗砂：粒径≤6 mm，堆积密度1472 kg/m3，表观密度3259 kg/m3；水：蒸馏水；聚乙烯纤维：山东菖源新材料科技有限公司提供，型号为1500D，直径约18μm，密度1.34 g/cm3，抗拉强度1500 MPa。

表1 水泥的主要化学成分 %

1.2 实验仪器设备

恒温恒湿箱：HWS-1200，江苏天翎仪器有限公司生产；万能试验机：河北中毅达科技发展有限公司生产；氯离子渗透仪：青岛明博环保科技有限公司生产；碳化箱：南京安奈试验设备有限公司生产；导热系数测试仪：DRJ-II，常州三丰仪器科技有限公司生产；扫描电镜：费尔伯恩精密仪器（上海）有限公司生产。

1.3 实验方法

本研究中，普通混凝土配合比（kg/m3）为：m（水泥）∶m（砂）∶m（石）∶m（水）=130∶159.5∶323∶57.2，在此基础上掺加2%聚乙烯纤维（体积掺量）制备聚乙烯纤维混凝土。根据配合比配制混凝土试件，成型后放入标准养护箱内养护（温度25℃、相对湿度98%以上）。养护28 d后放入恒温恒湿箱中进行温湿度耦合循环实验，实验方案为：首先将混凝土试块放入恒定温度为20℃、相对湿度为90%的环境下2 h；然后调节温度为60℃、相对湿度为60%，在此环境下2 h，以此为1个温湿度耦合循环。在分别循环0、30、60、90、120次后进行抗压强度测试，将试件放入氯离子渗透仪中2 h后进行抗氯离子侵蚀性能测试，放入碳化箱中碳化2 h后进行碳化性能测试，采用导热系数测试仪测试混凝土的导热系数，采用扫描电镜分析聚乙烯纤维混凝土在不同循环次数时的微观形貌。

2 实验结果与分析

2.1 温湿度耦合循环对混凝土抗压强度的影响（见表2）

表2 温湿度耦合循环对混凝土抗压强度的影响

由表2可以看出：

（1）随着循环次数的增加，2种混凝土的抗压强度均逐渐降低，并且当循环次数超过60次时，降幅明显增大。这是因为在温湿度循环作用下，混凝土内外表面会出现温差，从而破坏混凝土结构。

（2）掺加聚乙烯纤维可提高混凝土的抗压强度，循环次数为0、30、60、90、120次时，聚乙烯纤维混凝土的抗压强度分别为普通混凝土的1.11、1.15、1.19、1.29、1.39倍。

（3）聚乙烯纤维能够有效提高混凝土抗温湿度循环作用，当循环30、60、90、120次时，普通混凝土的抗压强度较循环0次时分别降低了6.09%、12.18%、24.36%、35.36%，而聚乙烯纤维混凝土的抗压强度较循环0次时则分别降低了2.73%、6.51%、12.18%、19.11%。这是因为在混凝土中掺入纤维能够降低混凝土的塑性流动，减少收缩微裂纹。

2.2 温湿度耦合循环对混凝土抗氯离子渗透性能的影响（见表3）

表3 温湿度耦合循环对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

由表3可以看出：

（1）随着循环次数的增加，2种混凝土的渗透深度均逐渐增大，并且当循环次数超过60次后，增幅明显提高。

（2）掺加聚乙烯纤维能降低混凝土的渗透深度，循环次数为0、30、60、90、120次时，聚乙烯纤维混凝土的渗透深度分别为普通混凝土的56.2%、52.6%、54.5%、57.7%、61.3%。聚乙烯纤维能够有效提高混凝土抗温湿度循环作用，这是因为聚乙烯纤维的直径和长度都很小，能够填充混凝土内部之间的空隙，从而使得混凝土的抗氯离子侵蚀性能提高。

2.3 温湿度耦合循环对混凝土抗碳化性能的影响（见表4）

表4 温湿度耦合循环对混凝土碳化深度的影响

由表4可以看出：

（1）随着循环次数的增加，2种混凝土的碳化深度均逐渐增大，并且当循环次数超过60次后，增幅明显提高。

（2）掺加聚乙烯纤维能降低混凝土的碳化深度，循环次数为0、30、60、90、120次时，聚乙烯纤维混凝土的碳化深度分别为普通混凝土的36.4%、35.7%、41.2%、42.8%、46.2%。

2.4 温湿度耦合循环对混凝土导热系数的影响（见表5）

表5 温湿度耦合循环对混凝土导热系数的影响

由表5可以看出：

（1）随着循环次数的增加，2种混凝土的导热系数均逐渐增大，并且当循环次数超过60次后，增幅明显提高。

（2）掺加聚乙烯纤维能降低混凝土的导热系数，循环次数为0、30、60、90、120次时，聚乙烯纤维混凝土的导热系数分别为普通混凝土的80.3%、78.8%、78.2%、77.7%、77.4%。

2.5 微观分析

聚乙烯纤维混凝土在循环30、60、90、120次时SEM照片见图1。

图1 聚乙烯纤维混凝土在循环30、60、90、120次时SEM照片

由图1可见，随着温湿度耦合循环作用次数的增加，纤维混凝土的微观孔直径逐渐增大，混凝土内部已发生破坏，从而使得混凝土的耐久性能变差。

3 结论

（1）随着温湿度耦合循环次数的增加，2种混凝土的抗压强度均逐渐降低，并且当循环次数超过60次后，降幅明显增大；渗透深度、碳化深度和导热系数逐渐增大，并且当循环次数超过60次后，增幅明显提高。

（2）掺加聚乙烯纤维可提高混凝土的抗压强度，降低渗透深度、碳化深度和导热系数，循环次数为0次时，聚乙烯纤维混凝土的抗压强度为普通混凝土的1.11倍，渗透深度、碳化深度和导热系数分别为普通混凝土的56.2%、36.4%、80.3%。