張云國，李 敏，韓 玥

(1. 大連交通大學 土木與安全工程學院，遼寧 大連 116028； 2. 大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

0引 言

纖維輕骨料混凝土因其高強、輕質、抵抗變形能力強而在建筑、交通、水利工程中被廣泛應用。然而在沿海地區(qū)、灑除冰鹽地區(qū)、鹽堿地帶，氯離子侵蝕會造成鋼筋混凝土結構的劣化，服役過程中混凝土結構受到持續(xù)的荷載作用會改變混凝土的孔隙特征進而產生裂縫，如果氯離子侵蝕和荷載損傷交替或同時進行時，結構破壞將更加迅速[1-4]。因此，對荷載損傷后氯離子侵蝕問題的研究變得尤為重要。近年來，研究人員對加入鋼纖維[5]、聚丙烯纖維[6-7]的普通混凝土氯離子侵蝕進行了大量研究。隨著研究的不斷深入，還有許多學者對荷載作用下的氯離子滲透性能做了研究，荷載作用方式主要有靜態(tài)壓荷載[8-9]、動態(tài)壓荷載[10-11]、拉荷載[12-13]、彎曲荷載[14-16]等。鄒斌等[17]在研究剪應力對混凝土氯離子侵蝕規(guī)律的影響時提出了四點彎剪切法自錨加載方式，為后續(xù)研究剪應力作用下混凝土耐久性提供了新方法。

本文以纖維輕骨料混凝土圓柱體為試驗對象，研究了拉應力、壓應力作用對混凝土結構損傷后耐久性的影響，采用試驗機加載方式使混凝土試件承受不同等級拉應力和壓應力作用，通過試驗研究拉應力、壓應力作用后輕骨料混凝土結構的殘余應變和氯離子擴散系數(shù)間的變化規(guī)律，為今后研究正應力作用下混凝土結構耐久性提供參考。

1試驗概況

1.1原材料與試件制備

水泥為大連小野田水泥廠生產的P.O42.5R普通硅酸鹽水泥；摻合料為大連華能電廠Ⅰ級粉煤灰；砂為河砂，細度模數(shù)為2.79；輕骨料為宜昌生產的膨脹頁巖碎石型陶粒，連續(xù)級配為5～20 mm，堆積密度為783 kg·m-3；高效減水劑為磺酸基和羧酸基共聚物的第3代產物，減水率為28.4%；水為自來水；纖維為竹節(jié)型聚丙烯纖維和波浪形鋼纖維，其性能指標如表1所示。

表1聚丙烯纖維和鋼纖維性能指標Tab.1Performance Indexes of Polypropylene Fiber and Steel Fiber

采用全計算配合比法[18]，以自密實砂漿為基礎，用自密實砂漿超量取代粗骨料空隙，在骨料中加入砂漿，確定粗骨料體積率，最終確定輕骨料混凝土配合比。用纖維等體積代替粗骨料的方法，在輕骨料混凝土中加入纖維，得到纖維輕骨料混凝土配合比，如表2所示。

試驗包括10組試件，分別為：未摻加纖維的P0組；聚丙烯纖維體積率為0.6%，0.9%，1.2%，1.5%的試驗組(編號P6，P9，P12，P15)；纖維總體積率為0.9%的試驗組，其中鋼-聚丙烯纖維體積率為0.1%+0.8%，0.3%+0.6%，0.5%+0.4%(編號PS1，PS3，PS5)；鋼纖維體積率為1.0%，1.5%的試驗組(編號S10，S15)。每組27個試件，其中3個用于測量抗拉強度，3個用于測量抗壓強度，9個用于測定40%，60%，80%極限拉荷載損傷后的殘余應變，9個用于壓荷載損傷試驗(每個等級荷載需要3個試件)，3個不進行荷載損傷試驗直接進行氯離子侵蝕試驗，總計270個試件。

按照《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL 352—2006)[19]、美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)混凝土試驗標準[20]和歐洲標準規(guī)范[21]的要求進行混凝土的制備和工作性能的驗證。將輕骨料混凝土拌制完成后，注入尺寸為102 mm×220 mm的PVC管模具中(內貼1 mm厚紙片便于脫模)，24 h后脫模，在溫度為20 ℃±2 ℃的飽和堿性溶液養(yǎng)護箱中養(yǎng)護28 d，得到圓柱體試件，模具比試件高20 mm是為了試件成型后一端磨平處理所預留。

表2纖維輕骨料混凝土配合比Tab.2Mix Proportion of Fiber Reinforced Lightweight Aggregate Concrete

1.2荷載損傷試驗

先將養(yǎng)護好的試件進行抗壓強度和抗拉強度試驗?？箟簭姸仍囼炘?00 t萬能試驗機上進行，抗拉強度采用30 t電液伺服萬能試驗機進行測試。在測試抗拉強度時，先將試件兩側黏結面磨平，用植筋膠將兩端帶有拉桿的鋼制球鉸裝置固定在圓柱體試件兩端，靜置48 h進行抗拉強度測試。鋼球鉸兩端拉桿可以±5°方向調節(jié)，以保證試件所受拉力始終垂直于橫截面。受拉試件和受拉試驗見圖1，2，試驗結果見表2。然后進行荷載損傷試驗，混凝土試件拉荷載、壓荷載損傷試驗均采用電液伺服萬能試驗機。在混凝土圓柱體極限抗拉強度、極限抗壓強度的40%，60%，80%水平下持載60 s，然后卸載。試驗過程中，用電阻應變片測量試件在加載、持載過程中的應變；用半橋式溫度補償片來減小溫度變化對應變片電橋輸出的影響；采用DHDAS動態(tài)信號采集系統(tǒng)進行數(shù)據采集，采集頻率為10 Hz。

圖1受拉試件Fig.1Tensile Specimens

圖2受拉試驗Fig.2Tensile Test

1.3氯離子擴散系數(shù)測定

對卸載后的試件和未摻加纖維對照組試件進行切割，先切去試件上下端部各50 mm，后將剩余部分切成兩半，得到2塊尺寸為100 mm×50 mm的小圓柱。將切割好的試塊放入氯離子濃度為4 mol·L-1的智能真空飽水機中浸泡18 h，然后用NEL-PDR氯離子擴散系數(shù)快速測定儀測定氯離子擴散系數(shù)，儀器通過對真空飽鹽后的試件兩端施加固定電壓，使之產生通過試件的電流，通過計算機計算電導率，利用Nernst-Einstein方程計算氯離子擴散系數(shù)。最后對每組6個數(shù)據取平均值。真空飽水機與氯離子擴散系數(shù)快速測定儀如圖3，4所示。

圖3真空飽水機Fig.3Vacuum Water Saturation Instrument

圖4氯離子擴散系數(shù)快速測定儀Fig.4Fast Measuring Instrument for Chloride Ion Diffusion Coefficient

2試驗結果及分析

2.1抗拉強度和抗壓強度分析

圖5抗壓強度分布Fig.5Distribution of Compressive Strength

圖6抗拉強度分布Fig.6Distribution of Tensile Strength

圖5，6給出了各組試件抗壓強度和抗拉強度的分布規(guī)律。從圖5可以看出，摻加纖維試驗組的抗壓強度均高于未摻加纖維的P0組，其中摻加鋼纖維的S15組抗壓強度最大，達到40.1 MPa。加入聚丙烯纖維的P6組抗壓強度從31.3 MPa提高到33.6 MPa，P9，P12，P15組分別提高到35.1，36.8，39.2 MPa，抗壓強度隨聚丙烯纖維體積率的增加近似呈線性增加趨勢。相比于抗壓強度，纖維增強抗拉強度的效果更顯著。單摻聚丙烯纖維的P6，P9，P12，P15組試件抗拉強度分別增加了10%，17%，23%，32%，單摻鋼纖維的S10組和S15組抗拉強度分別增加了33%和41%。由此可見輕骨料混凝土抗拉強度隨著聚丙烯纖維體積率的增加而增加，鋼纖維增強抗拉強度效果優(yōu)于聚丙烯纖維，纖維增強了混凝土的韌性，延緩其破壞過程，提高了抗拉強度。

2.2荷載損傷后應變分析

殘余應變是混凝土結構在荷載卸載之后仍存在的不可恢復變形，表示為無荷載作用與荷載卸載之后的應變差值，通過應變片在試件加載前后的讀數(shù)得到殘余應變值。圖7，8給出了拉、壓荷載損傷后的殘余應變分布規(guī)律，其中P為極限荷載。由圖7，8可以看出，每組輕骨料混凝土應力水平與殘余應變呈正相關關系，即同組試件應力水平越高，殘余應變越大，混凝土內部結構塑性變形、微裂縫損傷程度和不可恢復程度越大。由于泌水、收縮、水化不充分等原因，輕骨料混凝土內部已經存在很多微裂縫，隨著應力水平增加，微裂縫擴展最終相互連通，導致塑性變形增大。

圖7拉荷載作用后殘余應變Fig.7Residual Strain After Tensile Load

圖8壓荷載作用后殘余應變Fig.8Residual Strain After Compressive Load

由圖7還可以看出，在40%極限荷載拉應力水平作用下，各試驗組殘余應變差異不大，大多分布在10×10-6左右。主要原因為：一方面，試件在較低的荷載水平作用下，拉應力對混凝土造成的損傷程度較小，變形主要是骨料與水泥砂漿之間的彈性應變，塑性變形所占比例較小；另一方面，纖維的加入減小了內部結構的孔隙率和孔徑，使得結構更密實。在80%極限荷載應力水平作用下，各試驗組殘余應變差異大于40%極限荷載應力水平作用，分布范圍較大，在25×10-6～120×10-6之間。與P0組相比，P15組殘余應變減小了27×10-6，而S15組減小了49×10-6，由此可見鋼纖維在抵抗輕骨料混凝土變形方面明顯優(yōu)于聚丙烯纖維。

從圖8還可以看出，40%極限荷載壓應力水平作用后，各組殘余應變分布在20×10-6左右，大多數(shù)試驗組的殘余應變大于40%極限荷載拉應力水平，低荷載作用下，纖維減小輕骨料混凝土的塑性變形在拉荷載損傷下效果更明顯。在60%極限荷載作用后，摻加纖維的各試驗組殘余應變均小于P0組，加入纖維之后輕骨料混凝土的塑性變形得到不同程度的減小，P6，P9，P12，P15試驗組隨著聚丙烯纖維體積率的增加，殘余應變分布較為穩(wěn)定，沒有明顯增減變化趨勢。摻加聚丙烯纖維和鋼纖維的總體積率都為0.9%的試驗組由于纖維摻量較小，鋼纖維體積率的變化對抵抗混凝土變形影響不顯著。60%極限荷載應力水平相當于混凝土結構在日常工作中承受概率最大的荷載等級，摻加鋼纖維的S10，S15組相對于P0對照組殘余應變減小幅度較大，分別減少了57.7%和62.6%，再次證明了鋼纖維可以增強混凝土強度，提高混凝土韌性。

2.3氯離子擴散系數(shù)分析

氯離子擴散系數(shù)與混凝土抵抗氯離子侵蝕能力呈反比關系，氯離子擴散系數(shù)越大，混凝土抵抗氯離子侵蝕能力越弱。圖9，10為拉荷載、壓荷載損傷后氯離子擴散系數(shù)的分布情況。由圖9，10可知，高應力水平作用后的試件在同組試件中氯離子擴散系數(shù)最大，這說明當荷載應力水平比較大時，應力損傷對混凝土結構氯離子侵蝕有明顯的增大作用，不能忽略。

圖9拉荷載作用后氯離子擴散系數(shù)Fig.9Chloride Ion Diffusion Coefficient After Tensile Load

圖10壓荷載作用后氯離子擴散系數(shù)Fig.10Chloride Ion Diffusion Coefficient After Compressive Load

從圖9還可以得出，各試驗組中，隨著拉應力水平的增加，氯離子擴散系數(shù)呈增長趨勢。例如摻加1.2%聚丙烯纖維的P12組，在沒有施加荷載時測得氯離子擴散系數(shù)為5.66×10-9m2·s-1，施加40%，60%，80%極限荷載之后，測得氯離子擴散系數(shù)分別為11.04×10-9，13.04×10-9，17.1×10-9m2·s-1，呈遞增趨勢。拉荷載作用下混凝土微觀結構逐步劣化，產生微裂縫，且拉應力使得混凝土內部孔隙率和孔徑增大，隨著荷載水平的提高，微裂縫進一步擴展和相互連通，這些微裂縫可形成潛在的氯離子傳輸通道，使氯離子更容易進入結構內部。因此施加的荷載等級越高，混凝土抵抗氯離子侵蝕能力越弱。

在沒有施加荷載的試驗組中，P0組氯離子擴散系數(shù)為8.86×10-9m2·s-1，與P0組相比，P6，P9，P12，P15組氯離子擴散系數(shù)分別減少0.75×10-9，2.23×10-9，3.2×10-9，3.35×10-9m2·s-1，降低率分別為8%，26%，36%，37%。由此說明聚丙烯纖維的加入，使得輕骨料混凝土的抗?jié)B性能得到提高，加入體積率為1.5%的聚丙烯纖維試驗組的抵抗氯離子侵蝕性能優(yōu)于其他聚丙烯纖維體積率的混凝土。摻加聚丙烯纖維和鋼纖維的PS1，PS3，PS5試驗組氯離子擴散系數(shù)減少了17%，15%，18%，隨鋼纖維體積率的增加不明顯。

對于沒有施加荷載的試驗組S10，S15，氯離子擴散系數(shù)與沒有施加荷載的P0組相比均增大，其中摻加鋼纖維體積率為1.5%的S15組增加了77.2%，增長十分顯著。對于增長顯著的原因，一般認為這是由于氯離子侵蝕加速了鋼纖維鈍化膜的破壞。水泥水化過程產生的高堿性環(huán)境(pH≥12.6)會使得鋼纖維表面形成一層致密的鈍化膜，鋼纖維正常環(huán)境下不被侵蝕是因為鈍化膜中的Si-O鍵對其有保護作用，而鈍化膜只有在高堿性環(huán)境下才能達到穩(wěn)定狀態(tài)，一旦pH值減小(pH<11.5時)，鈍化膜就開始變得不穩(wěn)定；當pH<9.88時，鈍化膜就會被破壞。研究表明，混凝土孔隙溶液中的Cl-與Fe2+反應生成易溶的綠銹FeCl2·4H2O，并立即分解，反應式如下

Fe2++2Cl-+4H2O→FeCl2·4H2O

(1)

FeCl2·4H2O→Fe(OH)2+2Cl-+H++2H2O

(2)

可以看出Cl-在反應中只是起到了催化作用，生成的H+和OH-發(fā)生中和反應，使得結構內部pH下降，從而導致鈍化膜破壞。在加入鋼纖維的輕骨料混凝土試驗組中，氯離子滲透進入混凝土內部加速破壞了鈍化膜，引起鋼纖維銹蝕，由于銹蝕物的體積大于原來消耗的鋼纖維體積并且會對周圍的混凝土產生銹脹作用，使得結構不密實。再加上鋼纖維本身具有良好的導電性質，本次試驗氯離子擴散系數(shù)測定的方法實質是電通量法，因此得到的氯離子擴散系數(shù)增長幅度較大。

由圖10還可以看出，隨著壓應力水平的逐漸提高，聚丙烯纖維體積率為1.5%的P15組氯離子擴散系數(shù)逐漸增大。在不受荷載時氯離子擴散系數(shù)為5.51×10-9m2·s-1，受到40%，60%，80%極限荷載后氯離子擴散系數(shù)分別為10.13×10-9，12.3×10-9，16.67×10-9m2·s-1，與施加同等荷載的P0組相比，分別增長8.8%，28.1%，42.5%。由于在輕骨料混凝土中摻入一定量的纖維，會產生很多新的界面，和水泥砂漿與骨料界面一樣，都是結構內部的薄弱部位，當受到的壓應力水平逐漸提高時，這些薄弱部位首先破壞，為氯離子進入混凝土內部提供更多的通道，因此，氯離子擴散系數(shù)隨荷載等級增加呈增長趨勢。與P15組摻加同體積率的鋼纖維S15組在不施加荷載時氯離子擴散系數(shù)為15.1×10-9m2·s-1，施加40%，60%，80%極限荷載后氯離子擴散系數(shù)分別為16.8×10-9，18.2×10-9，25.6×10-9m2·s-1，與施加同等荷載的P0組相比，增長幅度分別為80.4%，89.6%，118.8%，增長率遠大于P15組。氯離子對聚丙烯纖維混凝土結構內部的酸堿環(huán)境改變不會影響到纖維本身，而氯離子通過改變鋼纖維輕骨料混凝土內部的酸堿度，對破壞鋼纖維表面的鈍化膜起到催化作用，由于鋼纖維具有導電性高的特點，在同等強度等級作用下，鋼纖維輕骨料混凝土氯離子擴散系數(shù)更大一些。

2.4殘余應變-氯離子擴散系數(shù)關系

圖11拉荷載作用后殘余應變與氯離子擴散系數(shù)分布Fig.11Distributions of Residual Strain and Chloride Diffusion Coefficient After Tensile Load

圖12壓荷載作用后殘余應變與氯離子擴散系數(shù)分布Fig.12Distributions of Residual Strain-chloride Diffusion Coefficient After Compressive Load

圖11，12給出了拉、壓荷載作用后纖維輕骨料混凝土在不同荷載等級作用下殘余應變與氯離子擴散系數(shù)的分布情況。從圖11，12可以看出，總的趨勢是隨著荷載等級的增大，混凝土殘余應變在增大，內部結構不可恢復變形增大，最終導致氯離子擴散系數(shù)明顯增大。結合圖7，8可以看出，隨著纖維摻量的增加，混凝土殘余應變并沒有呈現(xiàn)顯著的變小趨勢。這是因為纖維摻量的增加導致了極限強度增加，在施加相應水平的損傷荷載時其荷載大小也在增加，因而沒有出現(xiàn)殘余應變減小的情況。結合圖9，10可以看出，未施加荷載時，單摻聚丙烯纖維組的氯離子擴散系數(shù)隨著纖維的增加而變小，混摻纖維組基本保持不變，鋼纖維組顯著增加，施加荷載后纖維的增加沒有顯著改善混凝土抗氯離子擴散性能?？傊瑲堄鄳兣c氯離子擴散系數(shù)間存在正相關特性，殘余應變越大，氯離子擴散系數(shù)越大。

3結語

(1)荷載作用后，混凝土殘余應變隨著拉、壓荷載等級的增大而增大，殘余應變增加后，混凝土抗氯離子侵蝕能力降低，纖維對輕骨料混凝土極限強度和抗變形能力提高顯著。

(2)無荷載作用時，隨著聚丙烯纖維摻量的增加氯離子擴散系數(shù)降低，混凝土抵抗氯離子侵蝕能力增加；有荷載作用時，纖維的摻入對混凝土抗氯離子侵蝕能力并無顯著改善。

(3)工程中應用纖維改善輕骨料混凝土抗氯離子侵蝕能力建議采用聚丙烯等有機纖維；NEL法測量氯離子擴散系數(shù)并不適用于鋼纖維輕骨料混凝土，鋼纖維自身導電性會影響測試結果的準確性。