氯盐环境下聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料快速冻融试验

氯盐环境下聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料快速冻融试验

通过pa纤维增强水泥基材料的优点（pda-cec），具有良好的抗拉性和裂缝适应性。在负荷作用下，具有良好的抗拉性、高耐率和高吸收能量的优点。它可以克服传统混凝土固有的缺点，如刚性强和延展性差。自1992年Li等提出PVA-ECC拉伸应变硬化特性后,许多学者对此开展了理论及工程应用方面的研究。Xu等研究了PVA-ECC的抗冲击性能,由于PVA纤维与基体之间具有良好的黏结性能,掺入PVA纤维后抗冲击性能得到显著改善。Şahmaran等分析了粉煤灰和PVA纤维对水泥基材料微观损伤和性能劣化的影响,发现掺入PVA纤维可降低高温作用下材料的剥落程度,而掺入粉煤灰能够改善材料的耐久性能。Yun等研究了冻融前后PVA-ECC的抗折性能,发现冻融循环降低了材料的多裂特性和能量吸收能力。Çavdar对纤维增强水泥基复合材料在不同温度下(21、100、450和650℃)的力学性能进行了分析,发现掺入纤维可提高材料高温力学性能,其中,掺入PVA纤维的试件抗弯性能最好。徐世烺等对PVA-ECC在冻融、碳化和渗透等单因素作用下的耐久性进行了研究,发现其耐久性能优于传统混凝土。实际工程结构往往同时遭受多种恶劣环境的共同作用,如氯盐环境与冻融循环共同作用,氯盐环境与荷载共同作用,荷载与冻融循环共同作用,荷载、冻融、腐蚀环境共同作用。目前,对于PVA-ECC在多种因素共同作用下的性能变化,相关研究报道较少。本工作针对氯盐环境和淡水环境,研究了PVA-ECC的抗冻性能,通过外观形貌、质量损失率、相对动弹性模量Erd和耐久性指数等方面的对比研究,分析氯盐环境对其抗冻性的影响。1实验1.1混凝土材料性能试验PVA纤维的物理性能参数如表1所示;细骨料选用粒径约为150μm的硅砂。减水剂用3301E型聚羧酸盐减水剂。增稠剂用粉末状羟丙基甲基纤维素。根据GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》,各试件的尺寸均为100mm×100mm×400mm。PVA-ECC试件参数与冻融环境见表2,其中氯盐环境选用质量分数为3.5%的氯化钠溶液。1.2冻融试验检测将浇筑成型的试件标准养护28d,之后再分别放入15~20℃水中和氯化钠溶液中,液面高出试件顶面约25mm,浸泡4d后,按照GB/T50082—2009中的“快冻法”,用TDR型混凝土快速冻融装置进行冻融试验。试验前测试Erd和质量,每次冻融循环均在4h内完成,融化时间为整个冻融时间的一半,每隔25次循环做一次Erd和质量测试,在冻结和融化终止时,试件中心温度分别控制在(–17±2)℃和(8±2)℃。淡水环境中试件冻融试验停止条件为:(1)已达到300次冻融循环或严重破坏;(2)Erd下降到60%以下;(3)质量损失率达到5%以上。为方便比较两种环境中试件抗冻性,氯盐环境中试件冻融试验停止条件为:已达到300次冻融循环或严重破坏。1.3相对动弹性模量法参考GB/T50082—2009,选取质量损失率、Erd和耐久性指数3个指标评价PVA-ECC的抗冻性。式中:Erd为n次冻融循环后试件的相对动弹性模量,%,取3个试件的平均值;fn为n次冻融循环后试件的横向基频,Hz;f0为冻融循环试验前试件的横向基频初始值,Hz。式中:Kn为试件的耐久性系数;nmax为达到冻融循环停止条件时的最大冻融循环次数。试件质量测试选用精度为0.1g的电子天平,质量损失率按式(1)计算。Erd采用动弹性模量测试仪测得横向基频,按式(2)计算求得。耐久性指数可依据Erd和最大冻融循环次数,按式(3)求得。2结果与讨论2.1抗冻性和质量损失率图1为淡水环境和氯盐环境中冻融循环后各试件的外观形貌。从图1可以看出:未掺入PVA纤维的试件FA0和FB0在试验终止时,冻融循环次数均比掺入PVA纤维的试件少,尤其是氯盐环境中的试件FB0,冻融循环至75次时就发生断裂破坏;而掺入PVA纤维的试件冻融循环次数均达到300次,掺入PVA纤维的试件抗冻性有明显增强的趋势;对于掺入PVA纤维且经历300次冻融循环的试件,氯盐环境中的试件表面纤维明显外露,尤其是试件FB0.5,表层损失近2cm,质量损失率近15%,Erd达到36.21%;而淡水环境中的试件基本保持原有形状和尺寸,质量损失率未超过2%,Erd在80%以上。由此可以看出:相比淡水环境,氯盐环境中PVA-ECC试件抗冻性显著下降。2.2纤维含量对试件质量损失率的影响图2是淡水和质量分数为3.5%的氯化钠溶液中PVA-ECC试件质量损失率随冻融循环次数的变化曲线。由图2可以看出:试件FB0仅进行了75次冻融循环,尽管未达到GB/T50082—2009中终止试验的条件,但同组3个试件中有2个已发生断裂破坏,仅测试到最初3次质量损失率。而试件FA0未发生断裂破坏,冻融循环直至250次时才因质量损失超过5%停止试验。由试件冻融循环次数可知,氯盐环境可促使试件冻融破坏。对于经历300次冻融循环的试件,在最初100~175次冻融循环内,氯盐环境中试件的质量损失率均表现为负增长,即试件的质量没有降低,反而增加,其原因主要是氯盐环境中Cl–对试件的侵蚀并发生化学反应,质量有增加的趋势,随冻融循环进行,试件表面由于氯盐的侵蚀,出现了严重的冻融剥落,试件质量下降,质量损失率显著增加,可见,氯盐环境中试件质量变化呈先增大后减小的变化趋势。但对于淡水环境中的试件,在300次冻融循环内,试件质量未出现大幅增长或降低,除未掺PVA纤维的试件FA0外,其它淡水环境中的试件质量损失率均未超过2%。由此可以看出:氯盐环境对PVA-ECC试件的质量损失率有重要影响,300次冻融循环后试件的最大质量损失率达到14.33%;而淡水环境中试件在300次冻融循环后,未掺PVA纤维的试件最大质量损失率为7.02%,掺PVA纤维的试件最大质量损失率仅为1.87%。图3为纤维含量对试件质量损失率的影响。由图3可以看出,对于不同PVA纤维含量的试件,氯盐环境对质量损失率的影响程度不同:试件FB0在冻融循环75次时发生断裂破坏,不具有质量损失率可比性;PVA纤维体积分数为0.5%时,氯盐环境中试件的质量损失率比淡水环境中高13.57%;PVA纤维体积分数为1.0%时,这一差值降为6.23%;PVA纤维体积分数为2.0%时,这一差值仅为2.66%。由此可见,经历300次冻融循环的试件,随PVA纤维含量增加,氯盐环境对质量损失率的影响减弱。2.3氯盐环境中样品中纤维体积分数对erd的影响图4为氯盐环境对PVA-ECCErd的影响。从图4可以看出,未掺入PVA纤维的试件FB0,氯盐环境中冻融循环75次后发生断裂破坏,仅得到3次Erd,而未掺入PVA纤维的试件FA0,在淡水环境和冻融循环共同作用下,得到200次Erd。这表明,PVA-ECC试件在氯盐环境中破坏较早,冻融循环次数较少,抗冻性较差。对于掺有PVA纤维的试件,氯盐环境对Erd的影响也较为明显。相比淡水环境,氯盐环境中试件的Erd随冻融循环次数的增加,呈现出快速下降趋势。图5为纤维体积分数对Erd的影响。从图5可以看出,冻融试验终止时,氯盐环境中试件Erd下降幅度超过淡水环境27.87%~51.48%,氯盐环境对PVA-ECC试件的Erd有重要影响。从图5还可以看出,除经历75次冻融循环就发生断裂破坏的试件FB0外,受氯盐环境影响较大的是PVA纤维体积分数为0.5%的试件,两种环境中Erd差值达到51.48%;PVA纤维体积掺量为1.0%和2.0%的试件,两种环境中Erd相差分别为36.46%和40.55%。2.4抗冻性能分析耐久性指数是由达到冻融试验停止条件时最大冻融循环次数和Erd决定的,是综合反映材料抗冻性的重要指标,耐久性指数越大,材料的抗冻性越好。各试件最大冻融循环次数、Erd以及由式(3)计算得到的耐久性指数分别如表2和图6所示。由表2可见,PVA-ECC在氯盐环境中的耐久性指数全部小于淡水环境中试件的耐久性指数。这表明,氯盐环境对试件的侵蚀作用导致抗冻性能下降,在较少次数的冻融循环后达到了冻融试验停止条件,或在相同次数的冻融循环后Erd下降幅度较大。从图6可以看出,PVA纤维含量对耐久性指数有一定影响,不论是氯盐环境还是淡水环境,耐久性指数均在PVA纤维含量为1.0%时达到最大值;PVA纤维含量从0到1.0%范围内,耐久性指数呈递增趋势;大于1.0%后呈下降趋势。3抗冻性能分析由试验结果分析可知:淡水环境中,PVA-ECC试件表层在冻融循环后只有轻微剥落;而在氯盐环境中,冻融循环后试件产生了严重的表层剥落,抗冻性明显下降。这可能是由于NaCl溶液的侵蚀作用,使PVA-ECC内渗透压增大,饱和水程度提高,结冰压力增大,加剧了试件的冰冻破坏。此外,由于氯化钠溶液结冰时的体积膨胀率大于淡水结冰时的体积膨胀率,当NaCl溶液侵蚀到PVA-ECC试件内部后,冻融循环过程中NaCl溶液饱和的试件表层出现了比淡水环境中更严重的剥落现象。同时,冻结过程中试件由表至内的氯盐浓度差,也造成试件各层结冰程度不同,各层之间产生结冰膨胀应力差,最终导致试件由表至内层层剥落,加剧了PVA-ECC的冻融破坏程度。此外,氯盐环境中试件表层浓度较高的Cl–可与试件内Ca(OH)2发生反应,生成具有膨胀特性的CaCl2·Ca(OH)2·H2O复盐,破坏了Ca(OH)2与水化硅酸钙凝胶(C–S–H)之间的平衡,导致C–S–H分解,试件表层发生剥离、溃散。与淡水环境相比,氯盐环境中的Cl–将会劣化PVA-ECC的抗冻性能。在水泥基材料中掺入PVA纤维后,纤维在水泥基体中可承受由于冻胀产生的拉应力,减少基体内部裂缝的出现,即使基体开裂,PVA纤维也可以起到桥接作用,抑制裂缝的进一步发展;水泥基体内部乱向分布的PVA纤维相互搭接阻碍了内部空气的溢出,增大了水泥基体内部的含气量,缓解冻融循环过程中的静水压力、渗透压力及相变应力,当内部裂缝经过微细气泡时,可以钝化裂缝,使其应力重新分布,从而避免应力集中;此外,掺入的PVA纤维还能起到“分流和筛滤”的作用,阻碍集料的离析,降低基体表面的析水:由此可见,不论是氯盐环境还是淡水环境,掺入适量PVA纤维都有改善PVA-ECC抗冻性的趋势。图6所示纤维掺量与耐久性指数关系曲线,基本上反映出这一机理。4冻融循环试验1)相比淡水环境,氯盐环境中冻融循环后PVA-ECC试件表层剥落严重,PVA纤维明显外露,试件形状和尺寸完整程度较差,抗冻性显著下降。2)相比淡水环境,氯盐环境中由于Cl–对PVA-ECC试件的侵蚀,冻融循环后,试件表层剥落严重,质量减少,质量损失率增长较快。随冻融循环次数增加,氯盐环境中试件Erd呈现出较快下降趋势,耐久性指数较