趙 煒，馬志鳴，黃巍林

(1.青島市建筑設(shè)計(jì)研究院，山東青島 266003;2.青島理工大學(xué)，山東青島 266033)

普通混凝土具有優(yōu)異的抗壓性能，已廣泛用于國(guó)家建設(shè)行業(yè)的各個(gè)方面，具有良好的使用性能和經(jīng)濟(jì)效益。但由于混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其脆性大、抗拉強(qiáng)度較低(約為抗壓強(qiáng)度的1/10左右)，使其在彎曲荷載、拉伸應(yīng)力作用下迅速開裂;同時(shí)由于裂縫的存在及凍融循環(huán)等惡劣環(huán)境的耦合作用，氯離子、硫酸根離子等有害物質(zhì)隨著水分迅速浸入到混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，造成鋼筋發(fā)生銹蝕，降低混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，使結(jié)構(gòu)達(dá)不到設(shè)計(jì)的使用壽命［1-2］。

為解決混凝土材料抗拉強(qiáng)度低的問(wèn)題，向水泥砂漿中添加聚丙烯纖維制備應(yīng)變硬化水泥基材料(以下簡(jiǎn)稱PVA-SHCC)，由于其分散的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使其具有良好的拉伸、彎曲力學(xué)性能。國(guó)內(nèi)外對(duì) PVASHCC進(jìn)行的大量研究表明，聚丙烯纖維的摻入能夠明顯提高水泥基材料的拉伸和彎曲性能，同時(shí)對(duì)構(gòu)件的裂縫開展具有良好的抑制作用。即使在應(yīng)變較大、多縫開裂環(huán)境下仍保持良好的抗拉、抗彎等力學(xué)性能，進(jìn)而提高PVA-SHCC的使用壽命［3-4］。以往的研究側(cè)重于PVA-SHCC的力學(xué)性能，對(duì)其耐久性，特別是多縫開裂環(huán)境下的耐久性能研究較少［5-6］。基于此，本文對(duì)PVA-SHCC試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)定其在不同拉伸應(yīng)力、應(yīng)變環(huán)境下的抗水和抗氯離子滲透性能，為評(píng)定其在不同應(yīng)力、應(yīng)變、及多縫開裂環(huán)境下的耐久性能和實(shí)際工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)原材料與配合比

聚丙烯纖維來(lái)自日本KURARAY公司，聚丙烯纖維的主要性能指標(biāo)如表1所示。為使試件具有良好的拉伸性能，研究其在不同應(yīng)力、應(yīng)變環(huán)境下的抗?jié)B透性，對(duì)PVA-SHCC配合比進(jìn)行了試驗(yàn)優(yōu)化，結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 PVA纖維主要性能指標(biāo)

表2 PVA-SHCC配合比 kg/m3

2 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

2.1 PVA-SHCC拉伸試驗(yàn)

PVA-SHCC拉伸試件如圖1所示，厚30 mm。按照試驗(yàn)規(guī)范制備，在一定濕度、溫度環(huán)境下靜置24 h后將成型試件拆模，為保證試件內(nèi)部水化反應(yīng)完全和成型后的力學(xué)性能，待試件拆模后將其放入水中進(jìn)行水養(yǎng)(溫度為(20±2)℃)，試件養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到21 d后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)［7］。

圖1 啞鈴形試塊尺寸(單位:mm)

拉伸試驗(yàn)儀如圖2所示。待試件達(dá)到預(yù)定應(yīng)變值(占試件極限應(yīng)變的百分比)后，保持該應(yīng)變環(huán)境下的應(yīng)力值不變，進(jìn)行抗水滲透性試驗(yàn)和抗氯離子滲透性試驗(yàn)，同時(shí)繪制毛細(xì)吸水量隨時(shí)間變化曲線、氯離子含量隨深度變化曲線，從而評(píng)定PVA-SHCC試件在拉伸作用下的抗?jié)B透性能。

圖2 拉伸試驗(yàn)儀

2.2 PVA-SHCC毛細(xì)吸水試驗(yàn)

當(dāng)PVA-SHCC試件達(dá)到不同應(yīng)變后，使試件保持該應(yīng)變狀態(tài)下的應(yīng)力值，進(jìn)行毛細(xì)吸收試驗(yàn)(試驗(yàn)用水溶液為3%的NaCl溶液)，試驗(yàn)裝置如圖3所示。為保證水分不隨裂縫從試件四周流出，對(duì)試件表面用橡皮泥進(jìn)行封堵，只保留試驗(yàn)用毛細(xì)吸收區(qū)域，從加入3%的Nacl溶液后開始計(jì)時(shí)，分別記錄在吸水時(shí)間為0，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 h 時(shí)毛細(xì)吸水量，繪制試件毛細(xì)吸水量隨時(shí)間的變化曲線;同時(shí)將試件磨成粉末，進(jìn)行氯離子含量滴定試驗(yàn)，測(cè)定試件中氯離子含量隨氯離子侵入深度變化曲線，從抗水滲透性和抗氯離子滲透性兩個(gè)方面評(píng)定試件的耐久性能。

圖3 毛細(xì)吸水試驗(yàn)裝置

3 結(jié)果與分析

3.1 不同拉伸應(yīng)變水平下抗水滲透性試驗(yàn)

不同拉伸應(yīng)變水平下，PVA-SHCC吸水量與吸水時(shí)間平方根的關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖4 不同直拉應(yīng)變水平下試件吸水量隨時(shí)間變化曲線

由圖4可知，試件毛細(xì)吸水量隨著與水接觸時(shí)間的增加而增加;同時(shí)，試件毛細(xì)吸水量隨著直拉應(yīng)變的增大而增大。對(duì)比未受應(yīng)力、應(yīng)變作用的空白試件毛細(xì)吸水?dāng)?shù)據(jù)可知，當(dāng)試件上的應(yīng)變值超過(guò)1.0%時(shí)，試件毛細(xì)吸水量呈突變式增加;當(dāng)試件應(yīng)變值達(dá)到2.0%時(shí)，其毛細(xì)吸水量約為空白試件的3.5倍。分析其原因有:由于在拉伸作用下，當(dāng)應(yīng)變值超過(guò)1.0%時(shí)，試件出現(xiàn)較多的裂縫，同時(shí)有些裂縫會(huì)增大并貫通，但是由于PVA-SHCC內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分散性，在持續(xù)應(yīng)力作用下仍能保持試件的整體完整性，此時(shí)裂縫的存在為水分迅速侵入試件內(nèi)部提供了通道，造成應(yīng)變值超過(guò)1.0%時(shí)，水分侵入量突變式增長(zhǎng)。

對(duì)圖4中曲線進(jìn)行線性擬合，得到試件在不同應(yīng)變水平下的毛細(xì)吸收系數(shù)，見(jiàn)表3?？梢钥闯觯嚰拿?xì)吸收系數(shù)隨著試件應(yīng)變值的增加而增加，當(dāng)應(yīng)變值超過(guò)0.5%時(shí)，其毛細(xì)吸收系數(shù)有較大幅度的提高;對(duì)比空白試件毛細(xì)吸收系數(shù)，當(dāng)應(yīng)變值為2.0%時(shí)，試件的毛細(xì)吸收系數(shù)增量約為4.52倍。實(shí)際工程中應(yīng)用PVA-SHCC，雖然其具有良好的抗拉、抗彎曲性能，在較多裂縫環(huán)境下仍具有良好的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)完整性，但當(dāng)其應(yīng)變超過(guò)一定限度時(shí)，在毛細(xì)吸收作用下，(SO4)2－，Cl－等有害離子會(huì)隨裂縫迅速進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，造成耐久性不足、使用壽命降低，故應(yīng)對(duì)PVA-SHCC進(jìn)行防護(hù)處理。如采取表面防水處理可減少水分及有害離子的侵入，提高其耐久性能。

表3 不同拉伸應(yīng)變水平下PVA-SHCC毛細(xì)吸收系數(shù)g/(m2·h1/2)

3.2 不同拉伸應(yīng)變水平下PVA-SHCC抗氯離子滲透性試驗(yàn)

對(duì)試件進(jìn)行抗氯離子滲透性試驗(yàn)，測(cè)定試件在不同拉伸應(yīng)變水平下，氯離子含量隨滲透深度變化曲線，如圖5所示。由圖可知，在同一應(yīng)變水平下，在開始一段區(qū)域內(nèi)，氯離子含量隨著試件深度的增加而減少;在不同應(yīng)變水平下，氯離子含量隨著應(yīng)變的增加而增加，當(dāng)試件應(yīng)變值達(dá)到0.5%時(shí)，氯離子已侵入到整個(gè)試件。這是因?yàn)閼?yīng)變?yōu)?.5%時(shí)，試件表面和內(nèi)部出現(xiàn)較多的裂縫，氯離子隨水分沿著裂縫侵入到試件內(nèi)部，導(dǎo)致其氯離子含量增加。在不同應(yīng)變水平下，試件背面的氯離子含量較高出現(xiàn)氯離子富集現(xiàn)象。這是由于在拉伸作用下，為防止溶液從試件四周流出，在試件表面用橡皮泥進(jìn)行了封堵，從而造成試件背面氯離子含量較其他部位高。

圖5 不同拉伸應(yīng)變水平下氯離子分布曲線

4 結(jié)語(yǔ)

1)PVA-SHCC試件在較高應(yīng)變水平下仍具有良好的力學(xué)性能，隨著拉伸應(yīng)力和拉伸應(yīng)變的提高，試件表面和內(nèi)部出現(xiàn)較多的裂縫，水分及氯離子迅速侵入試件內(nèi)部，導(dǎo)致其抗水滲透性及抗氯離子滲透性均呈突變式降低，使結(jié)構(gòu)耐久性降低，使用壽命縮短。

2)實(shí)際工程應(yīng)用PVA-SHCC，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有較多裂縫出現(xiàn)時(shí)，應(yīng)及時(shí)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行表面防水處理，保證其在良好的力學(xué)性能下，具有良好的抗水和抗氯離子滲透性能，從而提高結(jié)構(gòu)的耐久性能。

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