聚丙烯纤维混凝土氯离子扩散性研究.pdf

第3 7 卷第 5 期 2 0 1 1 年 1 0月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 2 4 7 聚丙烯纤维混凝土氯离子扩散性研究 王晨飞， 牛荻涛 ( 西安建筑科技大学土木工程学院， 陕西 西安7 1 0 0 5 5 ) 摘要： 以不同纤维掺量的聚丙烯纤维混凝土为研究对象 ， 采用自然浸泡方法 ， 研究氯离子在聚丙烯纤维混凝土中的迁移性 能。结果表明， 试件的氯离子含量随纤维掺量的增加而增多， 扩散规律符合 F i e k 第二定律。氯离子的扩散系数随着时间衰减 且下降逐渐变缓； 随着渗透深度的增加， 结合氯离子逐渐减少 ； 纤维的掺入改变混凝土内部的孔结构和孔隙率， 随着纤维掺量 的增加， 氯离子在试件内部的含量加大。 关键词： 聚丙烯纤维； 混凝土； 耐久性； 氯离子； 扩散 中图分类号： T U 5 2 8 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 1 ) 0 5 2 4 7一 o 4 Re s e a r c h o n c h l o r i d e d i ffu s i o n o f p0 l y p r 0 p y l e n e fib e r c o n c r e t e WANG Ch e n f e i NI U Di t a o ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， X i a n U n i v e r s i t y o f A r c h i t e c t u r e a n d T e c h n o l o g y ， X i an 7 1 0 0 5 5 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n o r d e r t o s t u d y t h e C 1 一mi g r a t i o n u n d e r l o n g t e r m i mme r s i o n o f p o l y p r o p y l e n e fi b e r c o n c r e t e w i th d i ff e r e n t v o l u me， i n d oor a r t i fi c i a l me t h o d wa s u s e d t o s i mu l a t e n a t u r a l i mme rsi o n T h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t C 1 一c o n t e n t i n t h e s p e c i me n i n c r e a s e d w i t h i n c r e a s i n g fi b e r v o l u me a n d d i ff u s i o n i n c c o rdanc e w i t h F i c k s s e c o n d l a wTh e d i ff u s i o n e o e ffie i e m of C1 一d e c a y o v e r t i me a n d gra d u a l l y s l o w d o w n As t h e p e n e t r a t i o n d e p t h i n c rea s e s ，C 1 一 b i n din g gra d u a l l y r e d u c e d F i b e r c h an g e the i n t e m a l p o re s t r u c t u r e a n d p o r o s i ty o f c o n c ret e Wi t h the i n c r e a s e o f fi b e r v o l u me ，C1 一wit h i n t h e s pe c i me n i n c r e a s e d Ke y wo r d s ： p o l y p mp y l e n e fi b e r ； c o n c r e t e ； d u r a b i l i ty； c h l o ri d e i o n ； d i ff u s i o n 0 引 言 我 国海域辽阔， 漫长的海岸线上集 中了大量 的 基础建设 ， 海港、 码头 、 大坝 、 桥梁等沿海建筑长期间 接或直接地接触海水 ， 由于氯离子 的长期侵蚀 ， 沿海 建筑中的钢筋过早出现锈蚀， 严重影响服役结构的 使用寿命。因此， 掌握氯离子的侵蚀规律， 建立符合 规律的氯离子扩散模型， 对综合评估在役结构 的耐 久性能， 具有十分重要的科学价值和现实意义。 混凝土的早期开裂严重影响了混凝土结构的耐 久性 ， 掺人纤维可 以有效地提高混凝土的抗裂性能， 聚丙烯纤维 由于优越的性能和低廉 的造价逐步应用 于工程中。辽宁闹德海水库除险加固坝采用掺量为 l k g m。 的聚丙烯纤维混凝土作 为坝下消能工程面 层 ， 经 过 1年使 用 ， 混 凝 土表 面没 有 出现任 何 裂 缝 _ 】 J 。白溪水库 期面板采用掺量为 0 9 k g m 的 聚丙烯纤维混凝土 ， 发现聚丙烯纤维能减少混凝土 收缩7 ， 减少开裂指数 6 0 ， 提高极限拉伸 8 ， 收稿 日期 ： 2 0 1 1 7 1 2 作者简介： 王晨飞( 1 9 8 1 一) ， 男 ， 陕西西安人， 博士研究生， 研究方 向： 混凝土结构耐久性。 E ma i l ： wc t t ) O1 h o t mm1 t o m 提高弯曲韧性 系数 3 5 L 2 。在海 漫加固工程 中采 用聚丙烯纤维混凝土 ， 发现混凝土的劈裂强度提高 了9 8 6 ， 聚丙烯纤维可有效防止混凝土早期非结 构性裂缝 - 3 J 。随着聚丙烯纤维混凝土 的大量使用 ， 其耐久性能的研究也逐渐引起关注。本文采用 自然 扩散的方法 ， 研究氯离子表面浓度 、 氯离子结合能力 的变化规律， 分析氯离子在聚丙烯纤维混凝土中的 迁移性能， 为研究聚丙烯纤维混凝土的耐久性能提 供理论基础。 1 试验 1 1 原材料 水泥为陕西秦岭 P0 4 2 5级普通硅 酸盐水 泥 ； 粗骨料为 51 6 mm的碎石； 细骨料为细度模数 为 2 6的砂子 ； 粉煤灰采用渭河电厂生产的二级粉 煤灰 ； 减水剂为高效减水剂 ； 纤维为聚丙烯纤维。试 验共采用了4种纤维掺量， 配合比见表 1 。 表 1 试 件配合比 Ta b l e 1 Mi x p r o p o r t i o n o f c o n c r e t e 呈 鉴些 查堡 互 史 堡 丝 型 C1 O 4 2 O 8 5 8 2 4 O 4 7 O C 2 0 4 2 0 8 5 8 2 4 0 4 7 0 I 适 C 3 0 4 2 0 8 5 8 2 4 0 4 7 0 3 量 C A 0 4 2 0 8 5 8 2 4 0 4 7 O 5 2 4 8 四川建筑科学研究 第 3 7卷 1 2试 验方 法 混凝土采用机械强制搅拌 ， 试件尺寸为 1 0 0 m m 1 0 0 m m1 0 0 m m， 试件脱模后 ， 在标 准养 护条件 下养护 9 0 d 。 配制质量浓度为 3 5 的 N a C 1 腐蚀溶液 ， 试件 养护 9 0 d后放入腐蚀 溶液 中进行 自然扩散 试验。 每 3 0 d取出相应的试件 ， 用切割机将试件非浇筑面 四周各切除 1 0 mm， 然后 ， 在混凝土打磨机上逐层磨 粉 ， 深度在 01 0 mm范围内每 1 m m取一个试样 ， 深度大于 1 0 rn m， 每 2 m m取一个试样 ， 每个试样均 要通过 0 6 3 m r n的筛 ， 然后置于 1 0 5 C 5 C烘箱 中 烘2 h ， 取出后放入干燥器中冷却至室温备用， 最后， 按照J T J 2 7 0 9 8 水运工程混凝土试验规程 中 的方法 ， 滴定每个试样 中 自由氯离子含量和总氯离 子含量 。 2试验结果与分 析 2 1氯离子浓度 试件在长期浸泡过程中， 氯离子通过各种途径 向混凝土内部迁移 ， 其迁移过程主要分为两个阶段。 首先 ， 干燥试件接触盐溶液时， 混凝土表面处于非饱 和状态 ， 在液体表面张力的作用下 ， 氯离子随水溶液 向试件 内部迁移 ， 这是海工混凝土 中常见的“ 灯芯” 深度 mm ( d ) 效应 ， 其实质为毛细作用。随着盐溶液的不断迁 入 ， 混凝土表层逐渐 由非饱和状态转变为饱和状态 ， 氯离子在浓 度梯度 的作 用下 ， 逐 步 向混 凝 土 内部 扩散。 图 1 ( a )( f ) 给出了在 自然扩散条件下 ， 自由 氯离子和总氯离子在聚丙烯纤维混凝土中的扩散规 律 。可以看 出， 所有 曲线具有相似的趋势 ， 曲线前期 下降较快 ， 后期下降趋缓。氯离子浓度随着渗透深 度而逐渐减小 ， 且到一定 的渗透深度后下 降的速率 变缓 ， 这个渗透深度一般为 81 0 n l lT l ， 即为毛细作 用的影响深度。毛细作用使表层混凝土在影响深度 范围内吸人大量的盐溶液 ， 所 以， 氯离子在该范围具 有相对较高的浓度。当表层混凝土达到饱和后 ， 氯 离子在浓度差作用下扩散 ， 由于孔隙的摩擦阻力和 质点的扩散阻力， 氯离子迁移的速率下降。 随着纤维掺量 的增加 ， 试件中的氯离子浓度逐 渐提高， 纤维的掺入改变 了混凝土内部 的孔结构和 孔隙率 ， 随着纤维掺量的增加 ， 试件 内部的孔隙率加 大， 但掺量为 0 O 1 时结构较普通混凝土密实。大 掺量纤维的掺人降低 了试件的密实度 ， 增加 了混凝 土内部的界面， 在自然浸泡的环境下， 提高了进入试 件的氯离子的总量 ， 同时也加速 了氯离子的扩散。 一 0 2 4 6 8 1 0 l 2 1 4 l 6 l 8 2 O 深度 m m ( f ) 图 1 纤维混凝土 中氯离子含量分布 Fi g 1 Di s t r i b u t i o n o f c h l o rid e i o n c o n t e n t i n PP F c o n c r e t e 2 2表面氯离子含量 的浓度 引。在浸 泡条件下 ， 试 件 内部不 同位置 的 氯离 子在浓度梯度 的驱使下 向混凝土 内部扩 总氯离子含量与离子表面的距离之间存在一元二次 散 ， 混凝土表 面氯离子浓度越高 ， 扩散到混凝土 内部 函数的衰减关系 ， 在得到的回归关 系式 中， 令深度 的氯离子越多 J ， 扩散 时间、 环境条件 、 胶凝材料类 = 0时 ， 便可 以计算得到混凝土表面氯离子含量。 型、 水灰 比和孔隙率等， 都会影响混凝土表面氯离子 图2给出了不同纤维掺量混凝土试件 中表面氯 M 地 呈 窨 j 0 O 0 0 0 O 0 0 0 4 5 3 5 2 5 l 0 0 2 0 1 1 N o 5 王晨飞， 等： 聚丙烯纤维混凝土氯离子扩散性研究 2 4 9 离子浓度随浸泡时间的变化 ， 可以看出 ， 表面氯离子 浓度随着浸泡时间的增加而增长 ， 且早期增长速度 较快 ， 随后逐渐减慢。随着纤维掺量的增加 ， 表面氯 离子浓度逐渐增大。 0 0 1 0 3 0 5 纤维掺量 图 2 表面氯离子浓度分布 Fi g 2 Di s t r i bution o f s ur f ac e e l Mo dde i o n 2 3 氯离子结合能力 氯离子在混凝土内部以三种形式存在， 一部分 氯离子与水泥 中的 C A的水 化产 物硫铝 酸钙反应 生成 F fi e d e l 盐 ， 一部分氯离子被水泥胶凝材料 的水 化产物吸附， 剩余的氯离子以游离的形式存在于混 凝土的孔溶液中， p H值、 湿度的改变以及碳化会导 致部分结合氯离子转化为 自由氯离子_ 9 。图 3给 出浸泡 9 0 d 后不同纤维掺量的混凝土试件中结合 氯离子随深度的变化规律， 可以看出， 结合氯离子的 变化趋势基本一致。随着渗透深度的增加， 部分氯 离子不断被吸附 ， 且吸附量逐渐减少。随着纤维掺 量的增大 ， 氯离子的结合能力逐渐增强 ， 但渗透深度 达到 1 0 mm以后 ， 现象不明显。纤维掺量大 的试件 中孔结构较为粗化， 毛细孑 L 较多， 孔隙表面对氯离子 的物理吸附作用更加显著， 但到渗透深度 1 0 m m 后 ， 总体氯离子含量较低 ， 结合作用减弱。 3 6 9 1 l l 4 l 8 深 度 m 图 3 纤维混凝土结合氯离子浓度 F i g 3 Co mb i n e d c h l o rid e i o n i n fi b e r c o n c r e t e 2 4氯离子扩散系数 氯离子扩散系数是反映氯离子在混凝土中扩散 能力的重要参数， 分为表观氯离子扩散系数 ( 总氯 离子扩散系数) 和有效氯离子扩散系数( 自由氯离 子扩散系数) 。 对于氯离子在 自然扩散下 的迁移 ， 常用 F i c k第 二扩散定律描述 ， 假定 ： 氯离子扩散系数为常数 ； 氯 离子在侵蚀过程中不与混凝土发生结合作用； 扩散 过程为一维扩散 ， 给出下式 ： ： D磐 ( 1 ) a 式中 距混凝土表面的距离； 时间 ； D 氯离子扩散系数 ； 卜距混凝土表面 处的氯离子浓度。 假定： 混凝土结构的表面氯离子浓度恒定 ， 结构 相对于暴露面为半无限介质 ， 在任意时刻 ， 相对暴露 表面无限远处的氯离子浓度为初始浓度 ， 给出初始 条件和边界条件： 初始条件C ( X ， 0 )=C 。 ( 2 ) 边界条件 C ( 0 ， t )=C ； C ( ， t )=C o ( 3 ) 同时， 给出F i c k 第二扩散定律的解析解为 c ( ) = C o + ( c s c 0 ) 【 一 e 】 ( 4 ) 将混凝土试件中实测 的自由氯离子浓度和总氯 离子浓 度 以及 拟合 出的表 面氯 离 子浓 度 代人 式 ( 4 ) ， 回归计算得 到混凝 土在不 同浸泡 时间下 的有 效氯离子扩散系数和表观氯离子扩散 系数 ， 结果见 表 2 。 表 2氯离 子扩散 系数 T a b l e 2 Th e e ffe c t i v e c h l o rid e i o n d i o n e o e ffi de n t a n d a p p a r e n t e b l o dd e i o n d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t ( 1 0 n l n l s ) 浸泡 C 1 c 2 C 3 C 4 时间 |D 。 D D D。 D 。 D D 。 D 3 0 d 2 0 4 6 2 6 5 6 1 9 7 2 2 5 0 7 2 3 4 3 2 8 3 3 2 7 6 4 3 2 9 9 6 0 d 1 7 6 4 2 O 2 1 6 7 8 1 98 2 1 7 8 7 2 01 3 2 2 3 1 2 5 4 8 9 0 d 1 6 2 1 6 01 1 4 02 l I 2 8 5 1 4 3 6 1 6 3 8 2 0 4 2 2 04 7 注： D 。 为有效氯离子扩散系数； D 为表观氯离子扩散系数。 从表 2可以看出， 无论是有效氯离子扩散系数 还是表观氯离子扩散系数， 均随纤维掺量的增多而 增大 ， 随浸泡时间的增长而减少。浸泡 3 0 d时， C 2 试件的有效氯离子扩散系数为 c 1试 件的 9 6 4 ， c 3试件为 c 1试件 的 1 1 5 ， C 4试件则为 C 1试件 的 1 3 5 ； 浸泡 9 0 d时， C 2试件的有效氯离子扩散 系数下 降为 C 1试件 的 8 6 6 ， C 3试件 减少为 c 1 试件的 8 8 6 ， C 4试件下降为 C 1 试件的 1 2 6 ； 表 观氯离子扩散系数具有相似的规律。适量纤维的掺 人可有效改善混凝土内部的密实性， 但大掺量纤维 的乱向分布， 则会影响混凝土结构的密实性 ， 引入毛 细孔， 从而加速氯离子在孔隙液中的扩散。随着浸 5 4 5 3 5 2 5 l 5 O n m 叭 m 2 5 0 四川建筑科学研究 第 3 7卷 泡时间的增加 ， 混凝土不断水化 ， 试件内部的孔结构 逐步得到改善 ， 氯离子的扩散速度逐步减缓 。 3 结 论 通过对不同纤维掺量的混凝土试件进行 自然浸 泡试验 ， 研究氯离子在聚丙烯纤维混凝土中的迁移 ， 得到以下结论 ： 1 ) 纤维 的掺人 ， 改变 了混凝土 内部的孔结构 和 孔隙率 ， 在 自然浸泡的环境下， 大掺量的纤维混凝土 中的氯离子含量提高 ， 氯离子扩散加快 。 2 ) 表面氯 离子浓度 随着纤维掺量 的增加而增 大， 随着浸泡时间的增 多而增 大， 且早期增长较快 ， 后期增长减缓。 3 ) 氯离子 的结合 能力随着纤维掺量 的增 加而 增大 ， 随着渗透速度的增大而减小， 但达到一定渗透 深度时， 结合作用减弱。 4 ) 氯离子 的扩散 系数随纤维掺量 的增 大而增 大， 随着浸泡时间的增长而减小。 参 考 文 献 ： 1 于丽君， 王亚芹 聚丙烯纤维在闹德海水库除险加固坝下消能 工程中的应用 J 中国科技信息， 2 0 1 0 ( 1 ) ： 9 1 - 9 2 2 劳俭翁， 郭荣卿 聚丙烯纤维混凝土在白溪水库 期面板上的 应用 J 水利水电技术， 2 0 0 3 ， 3 4 ( 2 ) ： 4 0 4 3 3 曹红兵， 张骏 聚丙烯纤维混凝土在海漫加固工程中的应用 J 江苏建筑， 2 0 0 6 ( 1 ) ： 4 5 4 6 4 J T J 2 7 0 - 9 8水运工程混凝土试验规程 S 5 张奕 氯离子在混凝土中的输运机理研究 M 杭州： 浙江 大学 ， 2 0 0 8 6 金伟良， 赵羽习 混凝土结构耐久性 M 北京： 科技出版社， 2 0 0 2： 5 7 - 6 0 7 赵羽习， 王传坤， 金伟 良， 许晨 混凝土表面氯离子浓度时变 规律试验研究 J 土木建筑与环境工程， 2 0 1 0 ， 3 2 ( 3 ) ： 9 1 3 8 S O N G H A - WO N ， L E E C H A N G H O N G ， K I Y O N G A N N F a c t o r s i n u mi n g c h l o r i d e t r a n s p o r t i n c o n c r e t e s t r u c t u r e s e x po s e d t o ma r i n e e n v i r o n m e n t s J C e m e c o n e l t e c o m pos i t e s ， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 2 ) ： 1 1 3 1 21 9 R e d d y B ， G l a s s G K ， L i m P J O n t h e c o r r o s i o n r i s k p r e s e n t e d b y c h l o ri d e b o u n d i n c o n c r e t e J C e m C o n c r C o m p o s ， 2 0 0 2 ， 2 4 ( 1 ) ： 1 - 5 1 0 G U I L L E M d e V， C L I ME N T M A， E S T A N I S L A O V i q u e i m， e t a 1 A t e s t me t h o d f o r me asu rin g c h l o rid e d i ff u s i o n c o e ffic i e n t s t h r o u Ig h p a ai Ml y s a t u r a t e d c o n c r e t e P a r t 1 1：T h e i n s t a n t a n e o u s p l ane s o u r c e d i ff u s i o n e a s e w i t h c h l o ri d e b in d i n g c o n s i d e r a t i o n J C e m C o n c r Re s ， 2 0 0 7 ， 3 7 ( 5 )： 7 1 4 - 7 2 4 1 1 金祖权 ， 孙伟， 李秋义 碳化对混凝土中氯离子扩散的影响 J 北京科技大学学报， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 8 ) ： 9 2 1 - 9 2 5 ( 上接 第 2 3 6页) 砌块砌体施工中圈梁百分 比合格 ， 给安全带来 隐患。 2 3 采用混凝土空心盲孔砌块 现在的空心砌块都是空心 的， 在现浇混凝土 圈 梁时 ， 都会在圈梁底采取不 同的措施来避免混凝土 流人底部不需要灌孔的部位 ， 而混凝土流人底部不 需要灌孔的部位 ， 会造成圈梁振捣不密实的情况 ， 如 果在圈梁底 部砌块施工时采 用混凝土空心 盲孔砌 块 ， 就能有效地解决这一问题 ， 可以使圈梁的施工更 简单易行 ， 也容易保证施工质量。然而 ， 采用混凝土 空心盲孔砌块 ， 需要生产厂家的积极配合。 2 4采用密 目钢 丝 网隔层 设 置法 在浇捣圈梁以前 ， 砌筑圈梁下皮一层砌块时 ， 在 砌筑砂浆里铺设密 目钢丝网， 而不是铺设在 圈梁下 皮 。这样 ， 当混凝土流人空心砌块孔振捣后 ， 圈梁混 凝土仿佛一个个销钉嵌入砌体 ， 圈梁既能和砌体相 互咬合 ， 又能有效地防止圈梁下皮振捣不密实的情 况 。对增加圈梁和砌 体的连接 ， 保证建筑整体性更 有利。缺点是浪费一些混凝土。 综合上述 ， 采用混凝土空心盲孔砌块砌筑梁底 部砌体和采用密 目钢丝网隔层设置法 ， 在施工 中可 以有效保证圈梁的质量。此外 ， 采用密 目钢丝网隔 层设置法 ， 还能有效增加圈梁和砌体的连接。 3 结 语 针对混凝土小型空心砌块砌体中圈梁这一特殊 构件 ， 综合考虑各种 因素 ， 结合现场施工的条件 ， 为 了确实保证圈梁 的质量， 采用密 目钢丝 网隔层设 置 法是一个切实可行、 又能有效保证圈梁质量的方法 。 参 考 文 献 ： 1 孙氰萍， 唐岱新， 严家焙， 等 J G J T 1 4 2 0 0 4混凝土小型空心 砌块建筑技术规程 s 北京： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 4 2 高小平， 金贵实， 桑吉祥， 等 0 2 G O 1 2砌体结构构造详 图 s 北京 ： 中国计划 出版社 ， 2 0 0 3