轴压荷载及自愈合对超高性能纤维增强混凝土渗透性能的影响.pdf

文 章编号 ： 1 0 0 7 0 4 6 X ( 2 0 1 5 ) 0 2 0 0 2 8 - 0 5 生态建材 轴压荷载及自愈合对超高性能纤维增强混凝土渗透性能的影响 E f f e c t o f A x i a l C o m p r e s s i v e L o a d a n d S e lf - R e p a i r o n P e r m e a b i l it y o f U l t r a H ig h P e r f o r m a n c e F i b e r - R e in f o r c e d C o n c r e t e 姚小川 ，赵铁军 ，姜福香 ，王鹏刚 l 青岛建筑材料研究所有限公司，山东 青岛 2 6 6 0 0 0 ；2 青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛 2 6 6 0 3 3 摘 要 ： 针 对轴压荷 载损伤 及 自愈 合作 用后 超 高性能 纤维增 强混凝 土 ( UHP F RC)的渗 透性进行 了试验研 究 。结果 表明：在轴压应力的作用下，UHP F RC的渗透性随着轴压应力水平的提高而增大，抗渗性随着应力水平的 提高而降低；自愈合作用对于UHP F RC的渗透性能有着积极的影响。不同轴压应力水平条件下，自愈合2 8 d UHP F RC试件的渗透性均有不同程度的降低 ，抗渗性均有不同程度的提高。 关键词 ：超高性能纤维增强混凝土 ( UHP F RC)；轴压荷栽；渗透性 ；自愈合 中 图分 类号 ：T U5 2 8 5 7 2 文 献 标 志 码 ：A 0 前 言 根据 1 9世纪 9 0年代，法国 B O U Y G U E S公 司的 R i c h a r d P等人 i - 2 1 的线性堆积密度模型、可压缩堆积模 型以及纤维增强材料技术， 研发出一种新型超高强度、 高耐久性、高韧性、良好体积稳定性的水泥基材料一 活 性粉末混凝土 ( R e a c t i v e p o w d e r c o n c r e t e ， R P C) ，并申请 了专利 。现欧洲通常将采用活性粉末混凝土 ( R P C) 制 备原理的水泥基材料称为超高性能混凝土 ( U l t r a h i g h p e r f o r m a n c e c o n c r e t e ， U H P C) l 4 l。为 了强调钢纤维的增强 作用，现国际上通常将掺人钢纤维的超高性能混凝土 ( U H P C )称为超高性 能纤 维增强混凝 土 ( U l t r a h i g h p e r f o r m a n c e f i b e r r e i n f o r e e d c o n c r e t e ， U H P F R C o目 前 ， 国内外学者针对其配合比、养护制度以及力学性能开展 了广泛的研究，取得了大量宝贵的研究成果。同时， 对 U H P F R C的渗透性能和耐久性能也进行了一系列的探索。 然而，现有有关 U H P F R C渗透性能的研究，绝大多数仅 考虑了单一因素的作用，未能考虑结构服役期间所处的 应力状态对其渗透性能的影响，致使研究成果不能很好 地用于指导工程实践。与此同时，由于 U H P F R C水灰比 极低而水泥掺量很高，其自身可能具有一定的自愈合能 基金项 目：青岛市基础研究一联合基金计划项 目 ( 1 3 1 4 1 1 5 一 j c h ) 2 8 coAL ASH 2 20 1 5 力，自愈合作用对其渗透性能的影响尚不明确。本文针 对上述 问题，主要对轴压荷载损伤及 白愈合作用后 U H P F R C的渗透性进行了试验研究。 1 试 验 1 1 原材料与配合比 试验中所用的原材料及其主要参数如下。 胶凝材料：水泥为青岛山水水泥有限公司生产的 P O 4 2 5 号普通硅酸盐水泥，平均粒径约为 2 7 m；粉煤 灰为某厂生产的 I级粉煤灰，平均粒径为 5 4 m；硅灰 为某厂生产的优质硅灰，平均粒径为 0 0 3 m，最大粒径 为 2 m 。三种胶凝材料的主要化学组分如表 1 所示。 石英粉 ： 某厂加工定制 ，尺寸为 4 5 m 。 石英砂： 某厂加工定制，尺寸为 3 8 02 1 2 m 。 钢纤维：采用表面镀铜长 1 3 m m的短纤维，直径为 0 2 mm。 减水剂：江苏博特新材料有限公司生产的聚羧酸高 效减水剂 ，减水量 4 5 ，含固量 5 0 。 拌合水：实验室普通自 来水。 根据本课题组研究团队前期的研究成果 ，试验所 采的配合比如表2 所示。 表 1 胶凝材料主要化学成分 水泥 粉煤灰 硅灰 石英粉 石英砂 水 减水剂 钢纤维 1 2 试件成型与养护 ( 1 )使用量程为 1 0 k g ，精度为 0 0 1 g的电子秤准确 称量所需的各类材料。 ( 2) 按照硅灰、粉煤灰、 水泥、 石英粉、石英砂的 投料顺序，将称好的材料依次倒人砂浆搅拌机中，搅拌 2 3 m i n至均匀。 ( 3 ) 将减水剂与水混合，将混合后的水溶液倒人砂 浆搅拌机中，搅拌 3 - 4 m i n 至具有良好的流动性。 ( 4 ) 将钢纤维分多次、均匀的倒入砂浆搅拌机中， 搅拌3 4 m i n ，使钢纤维在砂浆中均匀分布。 ( 5 ) 将搅拌好的拌合物分层浇筑 到 1 O 0 113 Il l X 1 0 0 m m3 0 0 m m的模具中，并在振动台上振动 2 - 3 m i n ， 使气泡排 。 ( 6 ) 将浇注好的试件移人标准养护室中，并在试件 表面覆盖一层塑料薄膜。 ( 7 ) 2 4 h后拆模，将拆模后的试件置于 ( 9 0 2 ) o C 恒温水浴箱中养护 3 d 。 ( 8 ) 关闭水浴箱电源，试件自然冷却至室温后，取 出备用。 1 3 试验方案 采用长春新特电液伺服式万能试验机对试件进行加 载，通过试件下放置的圆盘形荷载传感器精确采集试件 的受力情况，测得 U H P F R C极限轴压应力为 1 2 8 6 M P a 。 荷载传感器与电脑相连，实时观测试件所承受的应力水 平。当试件的应力分别加载至极限压应力的 3 0 、5 0 、 8 0 时，停止加载并使试件持载 1 5 m i n ，然后将试件从 试验机上卸下。为避免试件上下承压面的环箍效应对试 验结果的影响，使用混凝土切割机将试件两端各 5 0 m m 切除，试件尺寸变为 1 0 0 m i l l 1 0 0 m m 2 0 0 n l i l l 。然后 将尺寸为 1 0 0 m m X 1 0 0 m m 2 0 0 m m 的试件一切为二， 成为两个 1 0 0 m m1 0 0 m m X 1 0 0 m m 的试件。为更好地 模拟工程实际情况，使用试件的侧面 ( 拆模面) 进行毛 细吸水试验和氯离子侵蚀试验。 将切割后的试件置于 ( 5 0 2 ) o C 的烘箱中烘干 5 d 至试件达到恒重。将烘干后的试件在于燥的环境中冷却 至室温，然后将与吸水面垂直的四个面用石蜡密封， 从 而保证 U H P F R C的吸水方向为一维方向。最后，将处理 好的试件支撑在容器内部，并向容器内缓缓加水，直至 液面超过试件吸水面( 4 1 ) m m， 如图1 所示。加水之前， 应先称量试件的初始质量 ，在吸水时间分别达到0 5 h 、 1 h 、 2 h 、 4 h 、8 h 、1 2 h 、2 4 h 时， 将试件从容器中取出， 用湿抹布擦拭吸水面至面干，并称量试件的重量，记录 在不同吸水时间后试件的重量变化。每组试验以 3个试 验结果的平均值作为最终试验结果。 I S mm 。 一 工 封 水 图 1 轴压试件毛细吸水示意图 氯离子侵蚀试验的试验方法与毛细吸水试验的试验 方法基本相同。区别之处在于，进行氯离子侵蚀试验时， 要将毛细吸水试验容器中的水换成 5 的 N a C 1 溶液，使 不同轴压应力水平 ( 3 0 、5 0 、8 0 )作用后的试件与 5 的 N a C 1 溶液接触 2 8 d 。使用混凝土打磨机对氯离子 侵蚀后的 U H P F R C试件按每层 1 m m分层磨粉， 最后采 用氯离子选择电极法测取溶液中氯离子的浓度。 为研究自愈合作用对 U H P F R C渗透性能的影响，将 荷载损伤后的试件在饱和C a ( O H ) ， 溶液中浸泡2 8 d 后取出， 置于 5 0 2 c C 的烘箱中烘干 5 d至试件达到恒重，在干燥 的环境中自然冷却后，按照上述试验方法进行毛细吸水 试验和氯离子侵蚀试验。 2 结果分析与讨论 2 1 毛细吸水试验结果及分析 不同轴压应力水平作用后，卸载以及自愈合 2 8 d后 的 U H P F R C试件单位面积毛细吸水量与时间平方根的对 应关系如图 2 、3 所示。 2 2 0 1 5 粉煤 灰 2 9 2 0 0 5 o 善lo 0 噩 5 0 0 0 1 2 3 4 5 时间 ( 平方根) h l z 图 2 卸载后U H P F R C 试件单位面积毛细吸水量 与时间 ( 平方根 ) 的关系 2 0 o 1 5 0 1 0 0 1耳 5 0 0 0 I 2 3 4 5 时间 ( 平方根)， h 图 3 自愈合2 8 d后U H P F R C 试件单位面积毛细 吸水量与时间 ( 平方根 ) 的关系 从图 2中可以看出，卸载后 U H P F R C试件的单位面 积毛细吸水量随时间的增加而增多。在未施加应力的情 况下，2 4 h后的单位面积吸水量为 7 2 2 g m ；在施加 3 0 极限轴压应力的情况下，2 4 h后的单位面积吸水量 增加至 9 6 g m ，是未施加应力情况的 1 3 3倍；在施加 5 0 极限轴压应力的情况下，2 4 h后的单位面积吸水量 增加至 l 1 3 6 g m 2 ， 是未施加应力情况的 1 5 7倍；在施加 8 0 极限轴压应力的情况下 ，2 4 h后的单位面积吸水量 增加至 1 4 6 7 g m ， 是未施加应力情况的 2 O 3 倍 。对于普 通混凝土而言，当对试件施加较小的轴压应力 ( 3 5 极 限轴压应力以下 ) 时， 普通混凝土处于初始压密阶段， 普通混凝土内部原有的微孔隙和微缺陷在轴压荷载作用 下将被逐步压实。此时，承受 3 0 极限轴压应力的普通 混凝土试件与未施加应力的普通混凝土试件相比，渗透 性能将有所降低，抗渗性能将有所提高。本文得到的试 验结果与上述普通混凝土 的试验结果恰恰相反。这主要 是因为，U H P F R C是一种密实性极高的材料，由于其选 用不同粒径分布的细颗粒 以及超细颗粒材料 ，整个颗粒 体系达到最紧密堆积，从而使其达到最大密实度，因此 3 0 CD 三 r 2 201 5 U H P F R C在轴压过程中并没有初始压密阶段。当施加 3 0 极限轴压应力时， 试件即产生裂缝，为水分的侵入 提供了便捷的通道，导致单位面积毛细吸水量的增加。 随着轴压应力的增加，U H P F R C试件裂缝数量不断增加 且开裂程度不断增大，导致单位面积毛细吸水量持续增 长。 Wi t t m a n n F o l k e r H等人 I 5 _ 的研究成果中指出，在考 虑重力影响的条件下，水泥基材料单位面积吸水量与时 间平方根之间的关系可用式 ( 1 ) 所示的指数函数描述。 A W： a 1 一 e x p ( - b x ) ( 1 ) 式 中 ： W一一 单位面积混凝土的毛细吸水量 ，g m ； x 一一 时间的平方根，h “ 。 式 ( 1 ) 两边同时对 X 求导得： d A W ： b e x p ( - b x )a b e x p l D x ( 2 ) = 【 2 ) 毛细吸收系数为 A i = a X b 。对图 2 、3中的毛细吸水 曲线通过 M A T L A B软件利用公式 ( 1 ) 进行拟合，得到不 同情况、不同应力水平条件下 U H P F R C试件的毛细吸水 系数，结果如表 3 所示。 表3 不同轴压应力水平下 U H P F R C试件毛细 吸水系数A ， g ( m z h ， z ) 。 由表 3可知，卸载后以及自愈合 2 8 d后的 U H P F R C 试件，在不同应力水平条件下，毛细吸水系数的变化规 律与 2 4 h后单位面积毛细吸水量的变化规律基本一致 ， 产生上述变化规律的原因前已述及。 2 2 氯离子侵蚀试验结果及分析 不同极限轴压应力水平作用下，卸载以及自愈合 2 8 d 后的U H P F R C试件与 5 的 N a C 1 溶液接触 2 8 d 后的氯离 子含量分布曲线分别如图 4 、5 所示。 0 删 删 寸廿 拯 匣 撅 图 4 卸载后不同应力水平作用下与盐溶液接 触2 8 d 后氯离子含量分布 曲线 0 如 件 褪 匣 撅 图 5 自愈合2 8 d 后不同应力水平作用下与盐溶 液接触2 8 d 后氯离子含量分布曲线 本文根据基于 F i c k第二定律的氯离子预测模型， 通过 M A T L A B软件利用公式 ( 3) 对与 5 的 N a C 1 溶液 进行拟合，得到卸载以及白愈合 2 8 d后不同应力水平条 c 卜 f (赤 (3) 式中： 。 氯离子表观扩散系数； e rf (z )一一 误差函数。 表4 不同轴拉应力水平下U H P F R C 试件氯离子 含量分布曲线拟合结果 由表4的拟合结果可知，与5 的 N a C 1 溶液接触 2 8 d后 ，在未施加轴拉应力的情况下，氯离子表观扩散系数 为 1 0 5 6 7 1 0 1 2 m 2 s 。卸载 后 U H P F R C试 件，在 施加 3 0 极限轴拉应力的情况下，氯离子表观扩散系数为 1 3 7 9 6 1 0 1 2 m 2 s ，是未施加轴拉应力情况的 1 3 1 倍；在 施加 5 0 极限轴拉应力的情况下，氯离子表观扩散系数 为 1 9 6 9 9 1 0 - 1 2 m 2 s ，是未施加轴拉应力情况的 1 8 6 倍； 在施加 8 0 极限轴拉应力的情况下，氯离子表观扩散系 数为3 3 5 5 3 1 0 1 2 m 2 s ， 是未施加轴拉应力情况的3 1 6 倍。 自愈合 2 8 d后 U H P F R C试件的氯离子表观扩散系数与卸 载后 U H P F R C试件的氯离子表观扩散系数相比有较为明 显的减小。应力水平为 3 0 的 U H P F R C试件的氯离子表 观扩散系数为 1 0 9 7 2 1 0 - 1 2 m 2 I s ，是卸载情况下的 8 0 ； 应力水平为 5 0 的 U H P F R C试件的氯离子表观扩散系数 为 1 5 3 4 71 0 2 m 2 8 ，是卸载情况下的 7 8 ；应力水平为 8 0 的 U H P F R C试 件 的氯 离 子 表 观 扩 散 系 数 为 2 6 3 8 9 1 0 1 2 m 2 s ，是卸载情况下的 7 9 。此试验结果与 毛细吸水试验结果基本一致，产生这些结果的主要原因 前已述及。 3 结 论 ( 1 )随着轴压应力水平的提高，U H P F R C试件的单 位面积毛细吸水量增加，试件内氯离子含量增多，毛细 吸水系数和氯离子表观扩散系数均不同程度的增大， U H P F R C渗透性提高、抗渗性降低。卸载后，当应力水 平分别为 3 0 、5 0 、8 0 极限轴压应力时， 其毛细吸 水系数分别是未施加应力时的 1 5 5 、1 7 9 、2 4 7 倍 ，氯离 子表观扩散系数分别是未施加应力时的1 3 l 、 1 8 6 、 3 1 6 倍。 2 2 0 1 5 粉 煤灰 3 1 咖