摘 要：為研究預加荷載作用下聚丙烯纖維混凝土(polypropylene fiber reinforced concrete，PFRC)的抗滲性能，選用1種聚丙烯粗纖維和2種聚丙烯細纖維進行單摻和混摻，在5種荷載水平下進行了氯離子擴散係數試驗，分析了不同混摻比例下PFRC試件在不同荷載水平作用下的氯離子擴散係數變化規律. 採用壓汞法和電鏡掃描研究了纖維混摻和荷載大小對混凝土微觀孔結構的影響. 結果表明：在5種軸向荷載水平下混摻多尺寸PFRC試件A8的氯離子擴散係數分別降低了93.9%、90.8%、77.5%、63.5%和66.5%，均為降低幅度最大的一組，混摻PFRC的抗滲性能優於素混凝土和單摻PFRC;同時粗細纖維混摻可以形成三維空間網架結構，能在不同階段產生協同作用，有效地提高混凝土在不同荷載水平作用下的抗滲性能.
關鍵詞：聚丙烯纖維混凝土;混摻;抗滲性能;預加荷載;氯離子
耐久性能不足是導致混凝土結構服役壽命銳減的主要原因之一，提高結構構件在設計使用年限內的安全性和耐久性，已成為學術界和工程界重點關注的問題[1]. 在氯鹽環境中，混凝土構件在荷載作用下產生的損傷微裂紋會成為氯離子的侵入通道，加速混凝土構件內鋼筋鏽蝕，造成構件耐久性能劣化[2-3]. 研究表明：纖維的摻入可以抑制荷載作用下混凝土裂縫的產生並延緩其發展，能有效提高混凝土的抗氯離子滲透性能，改善其耐久性能[4-5]. 聚丙烯纖維化學性質穩定，與混凝土材料親和性較好，具有造價低、質輕、摩擦因數高和耐腐蝕等優點，在工程中得到了廣泛應用
目前，國內外對於聚丙烯纖維混凝土(polypropylene fiber reinforced concrete，PFRC)的抗滲性能已有較多研究. 徐曉雷等[7]研究發現：當聚丙烯纖維體積摻量為0.15%時，對混凝土抗滲性能提升最大. Wang等[8]研究表明：聚丙烯纖維能夠顯著提高C50高性能混凝土的抗滲性能. 何亞伯等[9]研究表明：當應力比在0.2以下時，氯離子擴散係數出現略微下降;應力比超過0.2時，氯離子擴散係數隨荷載增大而增大，而纖維的摻入改善了混凝土裂紋形態及分布，減小了裂紋尖端的應力集中. 孫家瑛[10]研究了植物纖維素纖維和聚丙烯纖維對混凝土在荷載作用下滲透性能的影響，結果表明：在一定荷載範圍內，纖維混凝土的抗滲能力有所提高，當荷載超過混凝土破壞荷載30%左右時，其抗滲能力隨之下降. 張雲國等[11]通過研究發現：未施加荷載時，摻入聚丙烯纖維可以降低混凝土氯離子擴散係數，但施加荷載後聚丙烯纖維無法顯著改善混凝土抗氯離子滲透能力. 文獻[12]將不同尺寸的聚丙烯纖維按一定比例混摻到混凝土中，試驗結果表明：多尺寸聚丙烯纖維能夠發揮協調作用，對混凝土抗裂性能提升較為顯著，粗細纖維的混摻可在不同時期發揮阻裂效果.
綜上所述，纖維的摻入可以抑制混凝土裂縫開展，提升混凝土的抗滲性能. 但目前研究多集中於單摻聚丙烯纖維混凝土，對於不同尺寸的聚丙烯纖維混摻對混凝土抗滲性能的影響研究較少，同時對於施加荷載後，聚丙烯纖維對混凝土抗滲性能的提升效果存在爭議. 因此，本文選用3種尺寸的聚丙烯纖維進行單摻和不同比例的混摻，通過氯離子滲透試驗研究了荷載大小和聚丙烯纖維尺寸對混凝土抗滲性能的影響，並運用壓汞法和掃描電鏡，探究了混摻多尺寸PFRC的抗滲機理.
1 試驗概況
1.1 試驗材料
水泥選用P·O 42.5重慶小南海普通矽酸鹽水泥. 細骨料選用細度模數為0.8、堆積密度為1 294 kg/m3的特細砂和細度模數為2.9、堆積密度為1 530 kg/m3的天然水洗河砂，二者質量比例為2 ∶ 8. 粗骨料選用粒徑為5～10 mm和10～25 mm的石灰石碎石，質量比例為4 ∶ 6，其表觀密度分別為2 680 kg/m3和2 690 kg/m3. 減水劑採用聚羧酸減水劑，減水率為15%～30%. 試驗採用的兩種聚丙烯細纖維(FF1、FF2)和一種聚丙烯粗纖維(CF1)的外觀形狀如圖1所示，性能參數見表1.
1.2 配比參數
混凝土強度等級為C30，試驗基準配合比為：水泥380 kg/m3，水175 kg/m3，砂701 kg/m3，石灰石碎石1 144 kg/m3，減水劑3.8 kg/m3. 根據試驗研究及工程經驗，細纖維單摻最佳摻量為0.9 kg/m3，粗纖維單摻最佳摻量為6.0 kg/m3. 為保證各組試驗結果的可比性，各試驗組的配合比保持一致，混摻聚丙烯纖維的總量為6.0 kg/m3. 試驗採用3種尺寸的聚丙烯纖維進行單摻及混摻，各組試件纖維摻量見表2.
1.3 試驗過程
1.3.1 NEL氯離子擴散係數試驗
試驗採用NEL氯離子擴散係數法測定聚丙烯纖維混凝土的滲透性能. 該方法是基於離子擴散和電遷移的一種飽鹽電導率法，結果可靠性、穩定性較好[13]. 參照《纖維混凝土結構技術規程》[14]，混凝土試件澆築共兩批、第一批9組尺寸為100 mm × 100 mm × 100 mm的立方體試件，每組3個試件. 第一批試件經標準養護28 d後進行混凝土立方體抗壓強度測試，各組試件的立方體抗壓強度見表3.
將第二批尺寸為150 mm × 150 mm × 150 mm立方體混凝土試件，採用單軸加載的方式進行預壓，分別施加0、0.2、0.4、0.6、0.8倍的極限抗壓荷載. 混凝土承受的軸向荷載水平用λ表示，即混凝土試件承受荷載F與極限荷載Fcu的比值，表達式為：
試件取樣以0.5 MPa/s的速率將立方體混凝土試件加載至對應荷載並維持荷載30 min後，使用鑽芯機垂直於試件受壓方向進行鑽芯，並使用磨平機打磨試件，在鑽芯打磨過程中取試件中間部分，避免表面浮漿層的影響，保證上下表面平整，同時使用千分尺量取試件中心厚度，得到Φ100 mm × 50 mm的試件，將試件放入4 mol/L的NaCl鹽溶液中並靜置8 h，飽鹽後，使用NEL型混凝土滲透性電測儀測量試樣的氯離子擴散係數. 真空飽水設備為UJS型智能混凝土真空飽水機，滲透性電測儀為NEL-PEU型混凝土滲透性電測儀. 試驗試件製作如圖2所示.
1.3.2 壓汞試驗及電鏡掃描試驗
混凝土的孔結構特徵直接影響混凝土抗滲性能[15-16]，為研究聚丙烯纖維尺寸和荷載大小對混凝土微觀孔結構的影響、探究多尺寸PFRC的抗滲機理，進行了壓汞和電鏡掃描試驗. 壓汞試驗採用A0、A3、A6、A8四組尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的混凝土立方體試件，分別對各組試件施加λ = 0、λ = 0.4和λ = 0.8的荷載進行120 min預壓. 預壓後選取完整、無人為損傷、大小約為5 mm的細顆粒，經無水乙醇浸泡處理1 d後取出，在100 ℃恆溫烘箱中烘至恆重後，進行壓汞試驗. 壓汞儀選用Pore-master-33型全自動壓汞儀.
電鏡掃描試樣取自立方體抗壓強度測試後試件中心的碎塊，製成大小約為1 cm3的試塊，經無水乙醇浸泡、烘乾、噴金後，置於TESCAN-7718型電鏡掃描儀下觀察.
關鍵詞：聚丙烯纖維混凝土;混摻;抗滲性能;預加荷載;氯離子
耐久性能不足是導致混凝土結構服役壽命銳減的主要原因之一，提高結構構件在設計使用年限內的安全性和耐久性，已成為學術界和工程界重點關注的問題[1]. 在氯鹽環境中，混凝土構件在荷載作用下產生的損傷微裂紋會成為氯離子的侵入通道，加速混凝土構件內鋼筋鏽蝕，造成構件耐久性能劣化[2-3]. 研究表明：纖維的摻入可以抑制荷載作用下混凝土裂縫的產生並延緩其發展，能有效提高混凝土的抗氯離子滲透性能，改善其耐久性能[4-5]. 聚丙烯纖維化學性質穩定，與混凝土材料親和性較好，具有造價低、質輕、摩擦因數高和耐腐蝕等優點，在工程中得到了廣泛應用
目前，國內外對於聚丙烯纖維混凝土(polypropylene fiber reinforced concrete，PFRC)的抗滲性能已有較多研究. 徐曉雷等[7]研究發現：當聚丙烯纖維體積摻量為0.15%時，對混凝土抗滲性能提升最大. Wang等[8]研究表明：聚丙烯纖維能夠顯著提高C50高性能混凝土的抗滲性能. 何亞伯等[9]研究表明：當應力比在0.2以下時，氯離子擴散係數出現略微下降;應力比超過0.2時，氯離子擴散係數隨荷載增大而增大，而纖維的摻入改善了混凝土裂紋形態及分布，減小了裂紋尖端的應力集中. 孫家瑛[10]研究了植物纖維素纖維和聚丙烯纖維對混凝土在荷載作用下滲透性能的影響，結果表明：在一定荷載範圍內，纖維混凝土的抗滲能力有所提高，當荷載超過混凝土破壞荷載30%左右時，其抗滲能力隨之下降. 張雲國等[11]通過研究發現：未施加荷載時，摻入聚丙烯纖維可以降低混凝土氯離子擴散係數，但施加荷載後聚丙烯纖維無法顯著改善混凝土抗氯離子滲透能力. 文獻[12]將不同尺寸的聚丙烯纖維按一定比例混摻到混凝土中，試驗結果表明：多尺寸聚丙烯纖維能夠發揮協調作用，對混凝土抗裂性能提升較為顯著，粗細纖維的混摻可在不同時期發揮阻裂效果.
綜上所述，纖維的摻入可以抑制混凝土裂縫開展，提升混凝土的抗滲性能. 但目前研究多集中於單摻聚丙烯纖維混凝土，對於不同尺寸的聚丙烯纖維混摻對混凝土抗滲性能的影響研究較少，同時對於施加荷載後，聚丙烯纖維對混凝土抗滲性能的提升效果存在爭議. 因此，本文選用3種尺寸的聚丙烯纖維進行單摻和不同比例的混摻，通過氯離子滲透試驗研究了荷載大小和聚丙烯纖維尺寸對混凝土抗滲性能的影響，並運用壓汞法和掃描電鏡，探究了混摻多尺寸PFRC的抗滲機理.
1 試驗概況
1.1 試驗材料
水泥選用P·O 42.5重慶小南海普通矽酸鹽水泥. 細骨料選用細度模數為0.8、堆積密度為1 294 kg/m3的特細砂和細度模數為2.9、堆積密度為1 530 kg/m3的天然水洗河砂，二者質量比例為2 ∶ 8. 粗骨料選用粒徑為5～10 mm和10～25 mm的石灰石碎石，質量比例為4 ∶ 6，其表觀密度分別為2 680 kg/m3和2 690 kg/m3. 減水劑採用聚羧酸減水劑，減水率為15%～30%. 試驗採用的兩種聚丙烯細纖維(FF1、FF2)和一種聚丙烯粗纖維(CF1)的外觀形狀如圖1所示，性能參數見表1.
1.2 配比參數
混凝土強度等級為C30，試驗基準配合比為：水泥380 kg/m3，水175 kg/m3，砂701 kg/m3，石灰石碎石1 144 kg/m3，減水劑3.8 kg/m3. 根據試驗研究及工程經驗，細纖維單摻最佳摻量為0.9 kg/m3，粗纖維單摻最佳摻量為6.0 kg/m3. 為保證各組試驗結果的可比性，各試驗組的配合比保持一致，混摻聚丙烯纖維的總量為6.0 kg/m3. 試驗採用3種尺寸的聚丙烯纖維進行單摻及混摻，各組試件纖維摻量見表2.
1.3 試驗過程
1.3.1 NEL氯離子擴散係數試驗
試驗採用NEL氯離子擴散係數法測定聚丙烯纖維混凝土的滲透性能. 該方法是基於離子擴散和電遷移的一種飽鹽電導率法，結果可靠性、穩定性較好[13]. 參照《纖維混凝土結構技術規程》[14]，混凝土試件澆築共兩批、第一批9組尺寸為100 mm × 100 mm × 100 mm的立方體試件，每組3個試件. 第一批試件經標準養護28 d後進行混凝土立方體抗壓強度測試，各組試件的立方體抗壓強度見表3.
將第二批尺寸為150 mm × 150 mm × 150 mm立方體混凝土試件，採用單軸加載的方式進行預壓，分別施加0、0.2、0.4、0.6、0.8倍的極限抗壓荷載. 混凝土承受的軸向荷載水平用λ表示，即混凝土試件承受荷載F與極限荷載Fcu的比值，表達式為：
試件取樣以0.5 MPa/s的速率將立方體混凝土試件加載至對應荷載並維持荷載30 min後，使用鑽芯機垂直於試件受壓方向進行鑽芯，並使用磨平機打磨試件，在鑽芯打磨過程中取試件中間部分，避免表面浮漿層的影響，保證上下表面平整，同時使用千分尺量取試件中心厚度，得到Φ100 mm × 50 mm的試件，將試件放入4 mol/L的NaCl鹽溶液中並靜置8 h，飽鹽後，使用NEL型混凝土滲透性電測儀測量試樣的氯離子擴散係數. 真空飽水設備為UJS型智能混凝土真空飽水機，滲透性電測儀為NEL-PEU型混凝土滲透性電測儀. 試驗試件製作如圖2所示.
1.3.2 壓汞試驗及電鏡掃描試驗
混凝土的孔結構特徵直接影響混凝土抗滲性能[15-16]，為研究聚丙烯纖維尺寸和荷載大小對混凝土微觀孔結構的影響、探究多尺寸PFRC的抗滲機理，進行了壓汞和電鏡掃描試驗. 壓汞試驗採用A0、A3、A6、A8四組尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的混凝土立方體試件，分別對各組試件施加λ = 0、λ = 0.4和λ = 0.8的荷載進行120 min預壓. 預壓後選取完整、無人為損傷、大小約為5 mm的細顆粒，經無水乙醇浸泡處理1 d後取出，在100 ℃恆溫烘箱中烘至恆重後，進行壓汞試驗. 壓汞儀選用Pore-master-33型全自動壓汞儀.
電鏡掃描試樣取自立方體抗壓強度測試後試件中心的碎塊，製成大小約為1 cm3的試塊，經無水乙醇浸泡、烘乾、噴金後，置於TESCAN-7718型電鏡掃描儀下觀察.
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