郭麗萍　 張文瀟　 孫　偉　 諶正凱　 丁　聰

(1東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 211189)(2東南大學(xué)江蘇省先進(jìn)土木工程材料協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 211189)(3南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210029)

隧道用纖維素纖維混凝土在彎拉荷載作用下的耐久性

郭麗萍1,2張文瀟1,3孫偉1,2諶正凱1丁聰1

(1東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 211189)(2東南大學(xué)江蘇省先進(jìn)土木工程材料協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 211189)(3南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210029)

摘要:針對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)混凝土在服役過程中承受彎拉荷載的實(shí)際情況，研究了纖維素纖維混凝土分別在加載40%四點(diǎn)抗彎強(qiáng)度和不加荷載條件下的抗氯離子滲透性、抗碳化、抗凍融及抗硫酸鹽侵蝕等耐久性能及其微觀機(jī)理，并與未加載的普通素混凝土耐久性能進(jìn)行了對(duì)比分析.結(jié)果表明：由于纖維素纖維具有獨(dú)特的空腔結(jié)構(gòu)和親水性，可在硬化混凝土基體中亂向均勻分布并顯著優(yōu)化混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，使得未加載的纖維素纖維混凝土與基準(zhǔn)素混凝土相比，耐久性顯著提高，電通量?jī)H降低25%，不同齡期碳化深度減小0.9～2.5 mm.與未加載的纖維素纖維混凝土相比，加載后的纖維素纖維混凝土耐久性略有削弱，電通量增加了17%，不同齡期碳化深度加深了0.2～1.3 mm；但與未加載的基準(zhǔn)素混凝土相比，加載后的纖維素纖維混凝土耐久性仍有所提高，電通量?jī)H降低了12%,不同齡期碳化深度減小0.4～1.2 mm；200次硫酸鹽干濕循環(huán)后，加載后的纖維素纖維混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量仍比未加載的基準(zhǔn)素混凝土高出3%.

關(guān)鍵詞:隧道混凝土;纖維素纖維;耐久性;微觀機(jī)理

隧道工程往往要受到多種破壞因素的交互作用,既有來自內(nèi)部空氣環(huán)境的侵蝕,又有來自外部土壤環(huán)境的侵蝕,且由于地下水中含有很多侵蝕性介質(zhì),隨著服役期的延長(zhǎng),隧道襯砌混凝土逐漸產(chǎn)生各種各樣的病害,導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)劣化、承載能力下降等結(jié)構(gòu)耐久性問題逐漸突出[1-3]．《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10003—2005)明確提出隧道建筑物按100年使用年限設(shè)計(jì),其混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮耐久性問題．因此,為了提升高鐵隧道結(jié)構(gòu)材料的抗裂性和耐久性,制備滿足耐久性設(shè)計(jì)要求的隧道結(jié)構(gòu)混凝土具有重大的工程應(yīng)用價(jià)值．

纖維素纖維是改性植物纖維的代表,已作為新一代的工程纖維用于增強(qiáng)混凝土．纖維素纖維混凝土(cellulosefiberreinforcedconcrete,CFRC)在我國已被應(yīng)用于南水北調(diào)工程的引水渡槽、高鐵隧道襯砌和無砟軌道板等重大基礎(chǔ)工程中．曹擎宇等[1,3-4]曾針對(duì)貴廣高鐵隧道二次襯砌工程的耐久性要求,研究了CFRC的抗?jié)B性、電通量和抗碳化等耐久性,其結(jié)果表明CFRC可以提高部分耐久性能指標(biāo),適合在隧道結(jié)構(gòu)中使用．Banthia等[5]研究了纖維素纖維對(duì)混凝土抗裂性能的影響,對(duì)比了混凝土摻入不同體積摻量的纖維素纖維與聚丙烯纖維時(shí)的抗凍融循環(huán)性能,研究表明纖維素纖維的摻入顯著改善了混凝土的抗凍融性能,并且其作用明顯優(yōu)于聚丙烯纖維．但是,目前的研究主要集中在單因素耐久性的作用,而針對(duì)高鐵隧道襯砌這類在服役周期內(nèi)需要承受外部荷載與環(huán)境因素耦合作用的結(jié)構(gòu),其耐久性如何尚未見報(bào)道．

隧道結(jié)構(gòu)混凝土在正常情況下主要承受壓應(yīng)力,而當(dāng)襯砌背后出現(xiàn)空鼓[6],該處結(jié)構(gòu)混凝土將承受彎拉荷載,成為結(jié)構(gòu)混凝土的薄弱環(huán)節(jié)．為了科學(xué)評(píng)價(jià)CFRC在承受彎拉應(yīng)力與環(huán)境因素耦合作用下的耐久性,保證其滿足設(shè)計(jì)壽命和高鐵運(yùn)營安全要求,本文模擬開展了施加40%應(yīng)力水平彎拉荷載與典型環(huán)境因素耦合作用下的CFRC耐久性能研究,具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值．

1試驗(yàn)

1.1原材料及配合比

水泥采用南京海螺水泥有限公司的P·Ⅱ42.5R硅酸鹽水泥．粉煤灰是南京熱電廠提供的Ⅰ級(jí)粉煤灰,燒失量小于等于5.0%,SO3含量小于等于3%．試驗(yàn)用水為自來水．細(xì)骨料為普通河砂,細(xì)度模數(shù)2.7,表觀密度2 650kg/m3．粗骨料為石灰?guī)r碎石,粒徑范圍為5～16,16～20mm兩種,按2∶3比例混合使用,表觀密度2 720kg/m3．試驗(yàn)用外加劑為聚羧酸系高性能減水劑,固含量為20%,減水率20%～25%,坍落度1h經(jīng)時(shí)變化量小于等于80mm．纖維采用UF500纖維素纖維,其物理力學(xué)性能見表1．

表1　纖維素纖維的物理力學(xué)性能

混凝土按C30強(qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì),制備了基準(zhǔn)素混凝土(C0系列)和CFRC(C1系列),其具體配合比見表2．實(shí)際工程通常采取的纖維素纖維摻量為0.9 ～1.3kg/m3,本課題組前期研究成果[1]證實(shí)0.9kg/m3的纖維素纖維摻量可以滿足隧道襯砌結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度和耐久性要求．為了滿足工程實(shí)際和從經(jīng)濟(jì)性考慮,選取纖維素纖維摻量為0.9kg/m3．混凝土坍落度為(180±20)mm,含氣量為2%～3%．

表2　混凝土配合比　kg/m3

1.2試驗(yàn)方法

力學(xué)性能測(cè)試按《普通混凝土力學(xué)性能測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081—2002)進(jìn)行,抗壓強(qiáng)度測(cè)試用試件采用100mm×100mm×100mm的立方體試塊,抗彎強(qiáng)度測(cè)試用試件采用100mm×100mm×400mm的棱柱體試塊．混凝土耐久性能測(cè)試參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50082—2009)進(jìn)行．混凝土試件成型后靜置24h,拆模后至養(yǎng)護(hù)室(溫度為(20±2)℃,相對(duì)濕度大于95%)養(yǎng)護(hù)．所有試件均在養(yǎng)護(hù)至28d齡期時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)．

試驗(yàn)中采用四點(diǎn)彎曲加載,靜載彎曲應(yīng)力為抗彎強(qiáng)度的40%(即加載應(yīng)力水平為40%)．每組試驗(yàn)分別采用同批成型試件,試件加載前,超聲波通過每個(gè)試件的聲時(shí)之差不超過±1.5μs．

電通量試驗(yàn)和凍融試驗(yàn)采用預(yù)加載的方式,試驗(yàn)前使用電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件預(yù)加載12h,預(yù)加載應(yīng)力為抗彎強(qiáng)度的40%, 然后分別進(jìn)行耐久性試驗(yàn)．預(yù)加載后的試塊在耐久性試驗(yàn)過程中不再進(jìn)行加載．其中,凍融試驗(yàn)(快凍法)采用70mm×70mm×280mm的棱柱體試塊,利用超聲檢測(cè)法對(duì)試件經(jīng)歷不同凍融循環(huán)之后的相對(duì)動(dòng)彈性模量進(jìn)行測(cè)試．電通量試驗(yàn)采用100mm×100mm×400mm的試塊,預(yù)加載后使用切割機(jī)切取每塊試件純彎段中部50mm長(zhǎng)的棱柱體進(jìn)行試驗(yàn)．

抗碳化和抗硫酸鹽試驗(yàn)在四點(diǎn)彎曲應(yīng)力和耐久性因素的耦合作用下進(jìn)行,加載應(yīng)力水平為40%(見圖1)．試驗(yàn)采用70mm×70mm×280mm的棱柱體試塊．其中,抗碳化試驗(yàn)的二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持在(20±3)%,相對(duì)濕度控制在(70±5)%,溫度在(20±2)℃,分別測(cè)試碳化到3,7,14,28d時(shí)的碳化深度．抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)使用的浸泡液為5%Na2SO4溶液,干濕循環(huán)周期為(24±2)h,每15次循環(huán)測(cè)試試件超聲波波速,直至200次循環(huán)結(jié)束(180次循環(huán)后測(cè)試周期為20次干濕循環(huán))．

(a) 試塊受力示意圖

(b) 試塊加載方式示意圖

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1基本力學(xué)性能

基準(zhǔn)素混凝土與外摻纖維素纖維混凝土的抗彎和抗壓強(qiáng)度結(jié)果見表3．纖維素纖維摻量為0.9kg/m3時(shí),CFRC的抗彎強(qiáng)度略高于基準(zhǔn)素混凝土,抗壓強(qiáng)度略低于基準(zhǔn)素混凝土,因此纖維素纖維對(duì)混凝土的力學(xué)性能影響不大．

表3　混凝土28 d齡期基本力學(xué)性能　MPa

2.2預(yù)加載后混凝土的損傷程度

超聲波速與材料內(nèi)部的細(xì)觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān),超聲波速的變化可以有效反映材料內(nèi)部的損傷情況．混凝土經(jīng)過預(yù)加載后的損傷程度定義如下[7]:

式中,D為材料的損傷度;V,T分別為受載后材料的超聲波速和聲時(shí);V0,T0分別為受載前材料的超聲波速和聲時(shí)．

采用超聲測(cè)試儀測(cè)試每塊混凝土試塊預(yù)加載40%彎拉荷載后的超聲波速和聲時(shí),根據(jù)上述方法計(jì)算的混凝土的平均損傷程度D為8.2%．

2.3抗氯離子滲透性

本文采用電通量法測(cè)試混凝土的氯離子滲透性,試件尺寸為100mm×100mm×50mm．基準(zhǔn)素混凝土(C0)和未加載(C1)與加載(C1-加載)的CFRC的電通量測(cè)試結(jié)果如表4所示．

表4　混凝土電通量　C

3組混凝土的電通量均小于1 000C，氯離子滲透性都很低.滿足《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10005—2010)高鐵隧道襯砌混凝土在T1環(huán)境等級(jí)電通量的相關(guān)規(guī)定.與未加載的基準(zhǔn)素混凝土(C0)相比，未加載的CFRC(C1)電通量降低了25%.而與未加載的CFRC(C1)相比，預(yù)加載的CFRC(C1-加載)電通量增加了17%，與未加載的基準(zhǔn)素混凝土(C0)相比則降低了12%.

摻入纖維素纖維的混凝土的電通量小于基準(zhǔn)素混凝土,說明纖維素纖維的摻入,有效提高了混凝土抗氯離子滲透性能．該性能與混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān),降低孔隙率和孔隙直徑可以大幅提高混凝土的抗氯離子滲透能力,由此可見纖維素纖維的摻入對(duì)改善混凝土結(jié)構(gòu)的孔隙結(jié)構(gòu)十分有利．這是因?yàn)槔w維素纖維具有獨(dú)特的空腔結(jié)構(gòu)和親水性,在混凝土攪拌初期可以保有一定的水分,并在水化后期釋放，促進(jìn)了水泥的進(jìn)一步水化,從而細(xì)化混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)．

經(jīng)過預(yù)加載后CFRC(C1-加載)的電通量值大于未加載CFRC(C1)的電通量值,但小于基準(zhǔn)素混凝土(C0)的電通量.這是因?yàn)榻?jīng)過預(yù)加載的CFRC內(nèi)部產(chǎn)生了微裂縫,這些缺陷全部變成氯離子的擴(kuò)散通道,加速了氯離子在基體中的滲透．但相對(duì)素混凝土而言,仍可提高混凝土的抗氯離子滲透能力．

2.4抗凍性

凍融循環(huán)后的混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示．

(a) 相對(duì)動(dòng)彈性模量損失

(b) 質(zhì)量損失

由圖2可看出,在經(jīng)歷25次凍融循環(huán)后,CFRC的質(zhì)量略有增加,而后隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,質(zhì)量損失逐漸增大．這主要是由于在經(jīng)歷凍融作用后,CFRC內(nèi)部孔隙由于凍脹壓力的作用,進(jìn)一步擴(kuò)展,吸水率增大,而此時(shí)凍融循環(huán)次數(shù)較少,混凝土表面剝落較少,因此試件的質(zhì)量反而略有提高;當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)增加時(shí),試件表面凍融剝落增多,導(dǎo)致質(zhì)量損失逐漸隨之增加[8]．相對(duì)動(dòng)彈性模量是表征混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷程度的重要指標(biāo)．凍融循環(huán)作用下,混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷程度逐漸增大,動(dòng)彈性模量逐漸下降．凍融循環(huán)初期混凝土的損傷程度很小,經(jīng)歷25次凍融循環(huán)后,經(jīng)過預(yù)加載的CFRC試塊的相對(duì)動(dòng)彈性模量仍高達(dá)99.24%．

經(jīng)歷100次凍融循環(huán)后,基準(zhǔn)素混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量為93.4%,未經(jīng)加載和預(yù)加載后的CFRC的相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為99.5%和92.3%.未預(yù)加載的CFRC的相對(duì)動(dòng)彈性模量值最高,表明纖維改善了混凝土的抗凍性能;而經(jīng)過預(yù)加載的CFRC的相對(duì)動(dòng)彈性模量值最低,表明預(yù)加載在混凝土內(nèi)部留下了不可恢復(fù)的結(jié)構(gòu)劣化,導(dǎo)致混凝土的抗凍性能下降．

經(jīng)過200次凍融循環(huán)后,基準(zhǔn)素混凝土的質(zhì)量損失超過5%,相對(duì)動(dòng)彈性模量也低于60%,實(shí)驗(yàn)停止．而未加載與預(yù)加載的CFRC的質(zhì)量損失均小于3%,相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為91.1%和79.4%,經(jīng)過預(yù)加載的試塊略低于未經(jīng)加載的試塊,表明CFRC的抗凍性能得到了明顯提高,纖維素纖維改善了混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu),延緩了凍融循環(huán)作用下內(nèi)部裂紋的形成與擴(kuò)展．

經(jīng)過300次凍融循環(huán)后,未經(jīng)預(yù)加載的CFRC試塊的相對(duì)動(dòng)彈性模量為79.3%,經(jīng)過預(yù)加載的CFRC試塊相對(duì)動(dòng)彈性模量為66.0%,下降了13.3%,進(jìn)一步證明了預(yù)加載使混凝土試塊內(nèi)部產(chǎn)生了微裂縫,經(jīng)歷300次凍融循環(huán)后,這些損傷的劣化作用愈加明顯．

2.5抗碳化

CFRC在不同齡期的碳化深度見圖3．未加載的基準(zhǔn)素混凝土在3,7,14,28d時(shí)的碳化深度分別為3.7,10.2,11.8,15.2mm；未加載的CFRC在3,7,14,28d時(shí)的碳化深度分別為2.8,8.8,10.8,12.7mm,比未加載的基準(zhǔn)素混凝土分別減小了0.9,1.4,1.0,2.5mm．加載的CFRC的碳化深度分別為3.0,9.5,11.4,14.0mm,比未加載基準(zhǔn)素混凝土分別減小了0.7,0.7,0.4,1.2mm,比未加載的CFRC分別增大了0.2,0.7,0.6,1.3mm．

圖3　混凝土碳化不同齡期后的碳化深度

在不同的碳化齡期,基準(zhǔn)素混凝土的碳化深度最大,未加載CFRC和加載的CFRC的碳化深度均小于基準(zhǔn)素混凝土．而荷載耦合作用下的CFRC的碳化深度也都大于未加載的CFRC,即CFRC在荷載作用下會(huì)加速碳化,但仍比基準(zhǔn)素混凝土碳化速度慢．

混凝土碳化主要取決于2個(gè)因素:Ca(OH)2的含量和混凝土的結(jié)構(gòu)密實(shí)性．由于這3組混凝土除纖維摻量外,配合比均一致，因此混凝土的密實(shí)性是影響碳化深度的主要原因．碳化過程是CO2由表及里的擴(kuò)散過程,混凝土結(jié)構(gòu)的密實(shí)性越好,內(nèi)部缺陷越少,擴(kuò)散就越困難．試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步表明,纖維素纖維具有的親水性和獨(dú)特的中空結(jié)構(gòu),優(yōu)化了混凝土的孔隙結(jié)構(gòu),減少其內(nèi)部缺陷,增強(qiáng)了混凝土的抗碳化性能．而在加載作用下,產(chǎn)生的微裂縫成為CO2擴(kuò)散的通道,使其抗碳化性能有所降低;但纖維素纖維的優(yōu)化作用顯著,使加載后的CFRC結(jié)構(gòu)仍然優(yōu)于基準(zhǔn)素混凝土．

2.6抗硫酸鹽侵蝕

CFRC在硫酸鹽-干濕循環(huán)耦合作用后的相對(duì)動(dòng)彈性模量測(cè)試結(jié)果見圖4．經(jīng)200次硫酸鹽干濕循環(huán)后,未加載的基準(zhǔn)素混凝土、未加載的CFRC和加載的CFRC的相對(duì)動(dòng)彈性模量分別降低至81%,88%和84%,加載的CFRC仍比未加載的基準(zhǔn)素混凝土少降低3%．

圖4　干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響

干濕循環(huán)初期，3個(gè)系列混凝土都發(fā)生了較大損傷,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,基準(zhǔn)素混凝土的損傷加速,而加載和未加荷載的CFRC的損傷速度都小于基準(zhǔn)素混凝土．纖維素纖維在混凝土內(nèi)部亂向分布,不僅提高了混凝土的密實(shí)性,同時(shí)優(yōu)化了混凝土的孔隙結(jié)構(gòu),使硫酸根離子的擴(kuò)散通道減少,擴(kuò)散速度減慢,延緩了硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕作用．

3微觀機(jī)理分析

3.1纖維素纖維形貌

纖維素纖維對(duì)混凝土耐久性的增強(qiáng)作用主要取決于纖維素纖維獨(dú)特的空腔結(jié)構(gòu)和親水性,使其在水化初期可以儲(chǔ)備部分自由水,并在水化后期釋放,充當(dāng)混凝土的內(nèi)養(yǎng)護(hù)纖維的作用,優(yōu)化本身與漿體的黏結(jié)過渡區(qū)與漿體結(jié)構(gòu)．纖維素纖維在混凝土基體中亂向分布,可減小孔隙平均直徑,降低孔隙連通性,降低外部侵蝕性介質(zhì)向混凝土內(nèi)部傳輸?shù)乃俾剩?/p>

圖5(a)是纖維經(jīng)過力學(xué)試驗(yàn)機(jī)拉斷,使用熒光浸漬后斷口處的形貌;圖5(b)是使用哈氏切割機(jī)切割后的纖維截面斷口形貌．從圖中可以清楚地看到纖維素纖維的空腔結(jié)構(gòu),在混凝土成型過程中,空腔可以吸收一部分自由水,減少了拆模前水分的蒸發(fā),在混凝土后期水化過程中,能提供水泥水化所需水分,發(fā)揮內(nèi)養(yǎng)護(hù)功能．

(a) 激光共聚焦顯微鏡下的纖維截面

(b) 纖維素纖維截面的SEM照片

纖維素纖維作為內(nèi)養(yǎng)護(hù)纖維,吸水率也是其基本性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一．纖維吸水率采用茶袋法測(cè)定[11].取1g樣品放入自制無紡布茶袋中,置于裝有足量蒸餾水的燒杯中充分浸泡30min．而后將茶袋取出并在室內(nèi)懸掛30min,不再滴水后取出纖維樣品,用濾紙吸去表面浮水后稱重．參照《紡織品吸水性試驗(yàn)方法》(JISL1907—2010)計(jì)算纖維吸水率．選取5個(gè)平行樣品,取平行樣品吸水率的平均值作為纖維素纖維的吸水率,測(cè)定得到的纖維吸水率為239.2%．纖維素纖維不僅有獨(dú)特的空腔結(jié)構(gòu),而且具有較好的親水性,可以使纖維具有良好的吸水保水功能．

3.2纖維素纖維分布

借助紫外線LED光源和透反射偏光顯微鏡,通過CCD拍照和記錄樣品圖像,確定纖維素纖維在硬化水泥基體中的分布[12],如圖6所示．圖中淡藍(lán)色的是纖維素纖維,硬化混凝土基體呈現(xiàn)暗灰色,黑色的封閉區(qū)域?yàn)榭紫叮w維素纖維在混凝土基體中均勻亂向分布,優(yōu)化了混凝土的微觀結(jié)構(gòu),從而達(dá)到了阻礙混凝土基體裂縫的萌生、發(fā)展和貫通的效果．

圖6　透反射偏光顯微鏡下纖維素纖維在混凝土中的分布圖像

3.3孔結(jié)構(gòu)分析

利用壓汞法研究未加載的基準(zhǔn)素混凝土與CFRC的孔隙率及孔徑分布情況,結(jié)果見圖7．

由圖7可見,纖維素纖維大大降低了混凝土的孔隙率,減小了孔隙尺寸,優(yōu)化了混凝土的孔隙結(jié)構(gòu),降低了外部侵蝕性介質(zhì)向混凝土內(nèi)部傳輸?shù)乃俾?這是纖維素纖維提高混凝土耐久性的重要原因．

根據(jù)孔徑R對(duì)混凝土性能的影響,按照R<50nm(無害孔)、50≤R≤100nm(少害孔)和R>100nm(有害孔)的范圍對(duì)2種混凝土的孔徑分布進(jìn)行分析[13].2種混凝土的孔徑分布如圖8所示．2種混凝土中R>100nm的孔隙率基本相同,而CFRC中50≤R≤100nm的孔隙率比基準(zhǔn)素混凝土的小,R<50nm的孔隙率為基準(zhǔn)素混凝土的4/5．混凝土的耐久性與材料內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系．以抗凍性為例,混凝土材料的抗凍性受孔隙率、孔結(jié)構(gòu)等多種因素影響．當(dāng)水膠比較高時(shí),混凝土抗凍性受孔隙率影響更顯著．當(dāng)水膠比較低時(shí),混凝土抗凍性受大孔含量影響更為顯著[14-15]．本文采用的水膠比較大,為0.41,混凝土的抗凍性受孔隙率影響更為顯著．基準(zhǔn)素混凝土雖然大孔數(shù)與CFRC相差不多,但其總孔隙率達(dá)到28.6%,而CFRC的總孔隙率為14.6%,約為基準(zhǔn)素混凝土孔隙率的一半,因此CFRC具有更優(yōu)異的抗凍性．

(a) 孔隙率分布曲線

(b) 分計(jì)進(jìn)汞量曲線

圖8　2種混凝土的孔徑分布

4結(jié)論

1) 纖維素纖維摻量為0.9kg/m3時(shí),對(duì)混凝土的力學(xué)性能基本沒有影響．

2) 與未加載的基準(zhǔn)素混凝土相比，未加載的CFRC耐久性顯著提高，電通量?jī)H降低了25%.未加載的基準(zhǔn)素混凝土抗凍等級(jí)為F200，而未加載CFRC的抗凍等級(jí)大于F300.碳化時(shí)間3,7,14,28d時(shí)未加載CFRC碳化深度分別減小了0.9，1.4，1.0，2.5mm.

3) 與未加載的基準(zhǔn)素混凝土相比，施加應(yīng)力水平40%彎拉荷載的CFRC耐久性仍有所提高，電通量?jī)H降低了12%.碳化時(shí)間3,7,14,28d時(shí)的碳化深度分別減小了0.7，0.7，0.4，1.2mm.

4) 與未加載的CFRC相比，施加應(yīng)力水平40%彎拉荷載的CFRC耐久性略有削弱，電通量?jī)H增加了17%.碳化時(shí)間3,7,14,28d時(shí)的碳化深度分別增加了0.2，0.7，0.6，1.3mm.

5) 由于纖維素纖維具有獨(dú)特的空腔結(jié)構(gòu)和親水性,并在混凝土基體中亂向均勻分布,顯著優(yōu)化了混凝土的孔隙結(jié)構(gòu),有效減緩了混凝土內(nèi)部裂紋的萌生、發(fā)展和貫通,提高了CFRC在彎拉荷載作用下的耐久性．

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Durabilityofcellulosefiberreinforcedconcreteunderbendingloadintunnelengineering

GuoLiping1,2ZhangWenxiao1,3SunWei1,2ChenZhengkai1DingCong1

(1SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing211189,China) (2CollaborativeInnovationCenterforAdvancedCivilEngineeringMaterialsofJiangsuProvince,SoutheastUniversity,Nanjing211189,China) (3StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China)

Abstract:According to the bending load conditions of tunnel lining concrete in service, the durabilities of cellulose fiber reinforced concrete(CFRC)unloaded and loaded to 40% four-point bending strength were studied: resistances of chloride ion permeability, carbonation, freezing-thawing and sulfate attack. These results were also compared with the durability of unloaded plain concrete without fibers. The micro-mechanisms of the effect of cellulose fiber on the durability of CFRC were investigated as well. The results show that compared with the unloaded plain concrete, the durability of the unloaded CFRC is increased dramatically due to the effects of the special hollow microstructure and hydrophilicity of cellulose fiber on the optimized pore structures and homogeneous dispersion of cellulous fibers in hardened CFRC matrix, and the electric flux of CFRC only decreases by 25%; the carbonization depth of unloaded CFRC with different ages reduces by 0.9 to 2.5 mm. The external bending load slightly weakens the durability of CFRC compared to unloaded CFRC, e.g. the electric flux increases by 17%, and the carbonization depth increases by 0.2 to 1.3 mm. However, the durability of loaded CFRC is still better than that of the unloaded plain concrete, e.g. the electric flux only reduces by 12%, and the carbonization depth reduces by 0.4 to 1.2 mm. The relative dynamic elastic modulus increases by 3% after 200 times of sulfate dry-wet cycles.

Key words:tunnel concrete; cellulosic fiber; durability; micro-mechanism

DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.026

收稿日期:2015-08-18.

作者簡(jiǎn)介:郭麗萍(1979—),女,博士,副教授,博士生導(dǎo)師,guoliping691@163.com.

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378113)、水利部水科學(xué)與水工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金資助項(xiàng)目(Yk914009).

中圖分類號(hào):TU528

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1001-0505(2016)03-0612-07

引用本文: 郭麗萍,張文瀟,孫偉,等.隧道用纖維素纖維混凝土在彎拉荷載作用下的耐久性[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,46(3):612-618.DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.026.