張勤 解雨璇 顧仁杰 梁熙 張正

DOI：?10.11835/j.issn.2096-6717.2022.062

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51978125、51678104、51508154）；江蘇省自然科學(xué)基金（BK20211206）

作者簡(jiǎn)介：張勤（1983-?），男，博士，副教授，主要從事鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震及新型結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用等研究，E-mail：zhangqin8190@163.com。

Received： 2022?03?31

Foundation items： National Natural Science Foundation of China （Nos. 51978125， 51678104， 51508154）; Natural Science Foundation of Jiangsu Province （No. BK20211206）

Author brief： ZHANG Qin （1983-?）， PhD， associate professor， main research interest： durability of reinforced concrete structure， E-mail： zhangqin8190@163.com.

（1. 河海大學(xué)?土木與交通學(xué)院，南京?210024；?2. 江蘇大學(xué)?土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇?鎮(zhèn)江?212013）

摘要：為研究不同尺度纖維復(fù)合增強(qiáng)水泥基材料的抗氯離子滲透性能，對(duì)單摻和復(fù)摻碳酸鈣晶須、聚乙烯醇（PVA）纖維的水泥基材料分別進(jìn)行電通量試驗(yàn)、電鏡掃描觀(guān)測(cè)及基本力學(xué)性能試驗(yàn)，分析不同纖維尺度、摻量及復(fù)合比例對(duì)水泥基材料抗氯離子滲透性能和基本力學(xué)性能的影響規(guī)律，并基于試驗(yàn)結(jié)果給出了多纖維復(fù)合增強(qiáng)水泥基材料的氯離子侵蝕深度計(jì)算模型。結(jié)果表明，不同尺度纖維可在不同結(jié)構(gòu)層次上發(fā)揮對(duì)水泥基材料的增強(qiáng)作用，使得多纖維復(fù)合增強(qiáng)水泥基材料的抗氯離子滲透性能明顯優(yōu)于單一纖維增強(qiáng)水泥基材料；多纖維復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度與氯離子侵蝕深度及電通量大致呈反比例關(guān)系；當(dāng)復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度提高13.6%時(shí)，其氯離子侵蝕深度和總電通量則分別降低39.1%和44.7%；建立的氯離子侵蝕深度計(jì)算模型，可用于多纖維復(fù)合增強(qiáng)水泥基材料的抗氯離子滲透和侵蝕性能評(píng)估。

關(guān)鍵詞：纖維增強(qiáng)混凝土；水泥基材料；抗氯離子滲透性能；電通量；抗壓強(qiáng)度

中圖分類(lèi)號(hào)：TU528.572 ????文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ????文章編號(hào)：2096-6717（2024）03-0198-09

Chloride ion resistance of multi-scale fiber reinforced cementitious composites

ZHANG Qin¹，?XIE Yuxuan¹，?GU Renjie¹，?LIANG Xi¹，?ZHANG Zheng²

（1. College of Civil and Transportation Engineering， Hohai University， Nanjing， 210024， P. R. China；?2. Faculty of Civil Engineering and Mechanics， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， Jiangsu， P. R. China）

Abstract： The electric flux tests， scanning electron microscope and mechanical tests were carried out respectively on cementitious composites with single mixing and compound mixing CaCO₃ whisker and PVA fiber to investigate chloride ion resistance of multi-scale fiber reinforced cementitious composites. The effects and mechanisms of different fiber sizes， amount of admixture and mixing ratios on the chloride ion resistance and basic mechanical properties of cementitious composites were analyzed. In addition， the calculation method of the depth of chloride ion erosion was proposed. The results showed that different types of fibers can enhance cementitious composites at different structural levels， and the chloride ion resistance of multi-scale fiber reinforced cementitious composites is much better than that of single fiber reinforced cementitious composites. The compressive strength of composites is inversely proportional to the depth of chloride ion erosion and the electric flux. When the compressive strength of the composite was increased by 13.6%， the depth of chloride ion erosion and the electric flux were decreased by 39.1% and 44.7%， respectively. Based on the experimental data， a calculation model of chloride ion erosion depth considering the influence of compressive strength is established， which can be used to evaluate the chloride ion penetration and erosion resistance of cement-based materials reinforced by multi-fiber composite.

Keywords： fiber reinforced concrete；?cementitious composite；?chloride ion resistance；?electric flux；?compressive strength

水泥基材料在工程領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛，但材料自身也存在抗拉強(qiáng)度低、韌性差以及耐久性不足等問(wèn)題，特別是用于海洋腐蝕環(huán)境下加固修復(fù)時(shí)。受氯離子侵蝕作用影響，鋼筋銹蝕、混凝土保護(hù)層開(kāi)裂與剝落等一系列耐久性問(wèn)題就更為突出^[1]，為改善水泥基材料的耐久性，增強(qiáng)其抗氯離子滲透能力尤為重要。而研究表明^[2-4]，在水泥基材料中摻入合適的纖維形成纖維復(fù)合增強(qiáng)水泥基材料能有效提高基體的抗氯離子滲透能力，有利于水泥基材料力學(xué)性能與耐久性的提升。因此，開(kāi)展纖維增強(qiáng)水泥基材料的抗氯離子滲透性能研究具有十分重要的實(shí)用價(jià)值^[5]。

近年來(lái)，對(duì)于摻入不同纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗氯離子滲透性能，學(xué)者們從不同角度開(kāi)展了相關(guān)研究。部分學(xué)者通過(guò)對(duì)不同摻量的聚乙烯醇（PVA）纖維增強(qiáng)水泥基材料進(jìn)行電通量試驗(yàn)并根據(jù)灰色模型分析PVA摻量對(duì)水泥基材料抗氯離子滲透性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，適量厘米級(jí)的PVA纖維具有增強(qiáng)水泥基材料的阻裂作用，抗氯離子滲透性能也隨之增強(qiáng)^[6-9]。此外，還有相關(guān)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)在水泥基材料中摻入礦渣、粉煤灰、硅灰、碳酸晶須等對(duì)水泥基材料的抗氯離子滲透性能也有增強(qiáng)效果^[10-13]。主要原因是微米級(jí)摻合料可以有效填補(bǔ)水泥基材料的孔隙，與基體結(jié)合較好，增加結(jié)構(gòu)的密實(shí)性。上述研究表明，在水泥基材料中適量摻入單纖維或單礦物材料均可提高水泥基材料的抗氯離子滲透性能，但涉及多纖維摻合料復(fù)合增強(qiáng)水泥基抗氯離子滲透性能的研究相對(duì)較少，而水泥基材料有著明顯的多尺度特征^[14-15]，不同尺度纖維對(duì)水泥基材料內(nèi)部孔隙和微觀(guān)結(jié)構(gòu)改善效果不同，可在不同結(jié)構(gòu)層次上發(fā)揮作用^[16-17]。

筆者考慮摻入纖維的種類(lèi)、尺度及摻量等因素，選用微米級(jí)纖維（碳酸鈣晶須）和厘米級(jí)纖維（PVA纖維）作為摻和物，并加入適量粉煤灰，組成多尺度纖維復(fù)合增強(qiáng)水泥基體系，通過(guò)電通量試驗(yàn)從試件通過(guò)的電量、氯離子侵蝕深度等方面對(duì)不同尺度纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗氯離子滲透性能進(jìn)行研究，還通過(guò)相應(yīng)力學(xué)性能試驗(yàn)分析了材料強(qiáng)度與抗氯離子滲透性的關(guān)系，并基于試驗(yàn)結(jié)果以及相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)建立與抗壓強(qiáng)度相關(guān)的抗氯離子滲透性能預(yù)測(cè)模型。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)的水泥基復(fù)合材料采用普通硅酸鹽水泥（P·O 42.5）、普通河砂（Ⅱ區(qū)中砂）、JM-PCA（Ⅰ）型減水劑和自來(lái)水人工拌和而成；為提高增強(qiáng)效果，水泥基試件配比中加入了適量由鹽城發(fā)電廠(chǎng)生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，具體的配合比設(shè)計(jì)為水泥：水：砂：粉煤灰：減水劑=1：0.35：1.62：0.2：0.015，其中粉煤灰密度約為2.1 g/cm³，堆積密度約為0.8 g/cm³，40 μm篩余量小于20%，顆粒級(jí)配屬于細(xì)灰，宏觀(guān)表面為灰色粉末狀。增強(qiáng)材料主要采用峰竺NP-CW2型碳酸鈣晶須和亞泰達(dá)公司生產(chǎn)的12 mm聚乙烯醇（PVA）纖維。其中，微米級(jí)碳酸鈣晶須如圖1（a）所示，宏觀(guān)表現(xiàn)為白色粉末狀，相對(duì)密度為2.9 g/cm³，平均直徑為1.5 μm，長(zhǎng)徑比約為25；厘米級(jí)的PVA纖維如圖1（b）所示，宏觀(guān)表現(xiàn)為絮狀，PVA纖維力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.2 試件設(shè)計(jì)及制作

參考《水泥復(fù)合砂漿鋼筋加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 242—2016）^[18]的試驗(yàn)要求，以單摻或復(fù)摻碳酸鈣晶須、PVA纖維的含量作為變化參數(shù)共設(shè)計(jì)了9組纖維增強(qiáng)水泥基材料試件，具體參數(shù)如表2所示。其中，用于電通量試驗(yàn)的試件為直徑100 mm、厚度50 mm的圓柱體；用于抗壓、劈拉試驗(yàn)的試件為邊長(zhǎng)70.7 mm的立方體、用于抗折試驗(yàn)的試件為40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體，每組試件均澆筑3個(gè)。

注：符號(hào)CF表示未摻纖維的基準(zhǔn)組；CFCW1表示混凝土中摻入1.2%的碳酸鈣晶須；CFCW1-P1表示混凝土中摻入1.2%的碳酸鈣晶須和1%的?PVA 纖維；其他符號(hào)含義以此類(lèi)推。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 電通量試驗(yàn)測(cè)值

試件抗氯離子滲透能力可用試件的電通量試驗(yàn)反映，電通量越高，試件的抗氯離子滲透性能越弱。試件的電通量試驗(yàn)裝置及示意圖如圖2所示，主要包括智能化真空飽水儀、NEL-PEU混凝土電通量測(cè)定儀等。電通量試驗(yàn)原理是利用電場(chǎng)來(lái)加速氯離子的移動(dòng)，氯離子在電流作用下穿過(guò)試件，在一定時(shí)間內(nèi)通過(guò)試件的電量可以反映出試件的抗氯離子滲透能力。試驗(yàn)步驟主要為先將圓柱體試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d；然后將其拿出烘干，并在試件側(cè)壁包裹一層石蠟，待其固化后放入真空飽水機(jī)進(jìn)行飽水；將飽水試件安裝在試驗(yàn)槽內(nèi)并密封，符合密封要求后，向裝置的負(fù)極槽內(nèi)注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的NaCl溶液以及在正極槽中注入0.3 mol/L的NaOH溶液；最后接上電源開(kāi)始通電，通電時(shí)間為6 h，每30 min記錄一次電流值。

試驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)電流值計(jì)算出纖維復(fù)合增強(qiáng)水泥基材料圓柱試件的總通電量，并以每組3個(gè)試件的平均電量值作為最終測(cè)試值。纖維增強(qiáng)水泥基材料的總電通量Q_s參考《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009）^[19]并考慮試件實(shí)際截面尺寸的影響，采用式（1）計(jì)算。 （1）

式中：為實(shí)際電通量值，C；為95 mm直徑的電通量測(cè)試試件截面面積與試件實(shí)際截面面積之比；為初始電流，A；為在時(shí)間間隔tmin的電流（如，表示為時(shí)間間隔為30 min的電流），A。

1.3.2 顯色法試驗(yàn)測(cè)深度

為了進(jìn)一步分析不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)試件抗氯離子滲透性能的影響，對(duì)經(jīng)過(guò)電通量試驗(yàn)后的試件采用顯色法來(lái)測(cè)量氯離子侵蝕的深度。試驗(yàn)主要方法為，先將通電完成的試件取出擦凈并在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)下沿直徑劈裂成兩半，再將這條直徑線(xiàn)平均分成n+1段；隨后在半圓柱體試件的斷裂面噴上已配好的0.3 mol/L AgNO₃溶液；10 min后試件斷裂表面可呈現(xiàn)一條明顯的銀白色帶狀沉淀物（即AgCl沉淀），用卡尺測(cè)量每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)位置所對(duì)應(yīng)的斷裂面上白色沉淀的深度（mm），并分別記為、至，最后取所有測(cè)量深度的平均值作為氯離子實(shí)際侵蝕深度，氯離子侵蝕深度測(cè)定示意圖及實(shí)物圖如圖3所示。試件的總電通量越大，其斷裂面處顯現(xiàn)的帶狀沉淀物的深度就越深；圖4為不同試件遭受氯鹽侵蝕后所呈現(xiàn)不同顯色深度的對(duì)比情況。

1.3.3 力學(xué)性能試驗(yàn)及掃描電鏡觀(guān)測(cè)

除了電通量試驗(yàn)和顯色法試驗(yàn)外，為探討試件抗氯離子滲透性能與強(qiáng)度的關(guān)系，分析不同尺度纖維在水泥基復(fù)合材料微觀(guān)細(xì)部孔隙結(jié)構(gòu)上對(duì)氯離子滲透的影響機(jī)理和改善作用，筆者進(jìn)一步對(duì)相同配比的水泥基復(fù)合材料進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)性能試驗(yàn)和電鏡掃描觀(guān)測(cè)。其中，纖維增強(qiáng)水泥基材料的力學(xué)性能試驗(yàn)參照《水泥復(fù)合砂漿鋼筋加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 242—2016）^[18]的要求進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗氯離子滲透性能及力學(xué)性能

表3給出了不同設(shè)計(jì)參數(shù)纖維增強(qiáng)水泥基材料試件的抗氯離子滲透性能及力學(xué)性能的試驗(yàn)結(jié)果。需要說(shuō)明的是，參照規(guī)范《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009）^[19]可根據(jù)實(shí)際電通量Q_s將氯離子滲透等級(jí)劃為5個(gè)等級(jí)：高、中等、低、很低、可忽略，分別對(duì)應(yīng)通過(guò)的總電通量為Q_s≥4 000、2 000≤Q_s≤4 000、1 000≤Q_s≤2 000、500≤Q_s≤1 000、Q_s≤500的情況。由表3可見(jiàn)，與基準(zhǔn)組試件CF相比，單獨(dú)摻入碳酸鈣晶須時(shí)，其電通量降低，最大可降低19.3%；單獨(dú)摻入PVA纖維時(shí)，電通量最大可降低38.7%；同時(shí)摻入碳酸鈣晶須與PVA纖維時(shí)，電通量下降更為明顯，降低幅度可達(dá)44.7%。然而當(dāng)這兩種纖維摻入過(guò)量時(shí)，水泥基材料的抗氯離子滲透能力提高程度會(huì)相應(yīng)減弱，甚至呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，如試件CF-P2和試件CFCW2。表3中也給出了各試件的氯離子侵蝕深度，不同試件的氯離子侵蝕深度與總電通量值保持基本相同的變化趨勢(shì)，試件的總電通量越大，試件斷裂面處顯現(xiàn)的白色帶狀沉淀物的深度就越大。此外，表3中還給出了不同設(shè)計(jì)參數(shù)水泥基材料的抗壓、抗折及劈拉力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果，用以分析抗氯離子滲透性能與力學(xué)性能之間的關(guān)系。由表3中的數(shù)據(jù)可以看出，摻入適量纖維可提高水泥基材料的力學(xué)性能，特別是抗壓性能提高明顯，最大可提高13.6%。這表明在一定摻量范圍內(nèi)，試件強(qiáng)度越高，其抗氯離子滲透性能越好，對(duì)應(yīng)的侵蝕深度越小。

2.2 纖維增強(qiáng)影響分析

2.2.1 單纖維增強(qiáng)

圖5、圖6分別給出了單摻不同含量的碳酸鈣晶須和PVA纖維增強(qiáng)水泥基材料的氯離子侵蝕深度、與對(duì)比組的電通量比值以及抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)。由圖5可知，單摻碳酸鈣晶須的試件與基準(zhǔn)組試件CF相比，氯離子侵蝕深度與電通量比值最大降低幅度可達(dá)9.9%和19.3%，而其抗壓強(qiáng)度最大只提高0.5%，變化較小。由圖6可知，單摻PVA纖維的試件與基準(zhǔn)組試件CF相比，抗壓強(qiáng)度最大可提高11.1%，其氯離子侵蝕深度則相應(yīng)降低，最大可達(dá)33.8%，同時(shí)電通量比值降低可達(dá)38.7%。由此可見(jiàn)，纖維增強(qiáng)水泥基材料的種類(lèi)和摻量不同，對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度以及抗氯離子滲透能力也不同。結(jié)合氯離子侵蝕深度、電通量比值及抗壓強(qiáng)度隨摻量的變化規(guī)律可以看出，在一定摻量范圍內(nèi)，抗氯離子滲透性能以及抗壓強(qiáng)度隨纖維摻量的增加而增強(qiáng)；超出摻量范圍時(shí)，抗氯離子滲透性能和抗壓能力反而會(huì)減弱。此外，水泥基復(fù)合材料抗氯離子滲透性能與抗壓強(qiáng)度存在明顯的正相關(guān)性，抗壓強(qiáng)度越高，抗氯離子滲透性能越強(qiáng)。

2.2.2 多纖維復(fù)合增強(qiáng)

圖7給出了碳酸鈣晶須和PVA纖維復(fù)合增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料試件的氯離子侵蝕深度、與基準(zhǔn)組電通量比值及抗壓強(qiáng)度隨纖維摻量增加的變化趨勢(shì)?？梢钥闯觯趽接?.2%碳酸鈣晶須的水泥基材料中逐漸增加PVA纖維含量后，在一定摻量范圍內(nèi)，試件的氯離子侵蝕深度及電通量比值隨著抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)而下降。當(dāng)PVA纖維摻量為1.6%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度與抗氯離子侵蝕性能效果最佳，此時(shí)抗壓強(qiáng)度為63.6 MPa，與基準(zhǔn)組試件CF相比，提高了13.6%；侵蝕深度為9.2 mm，與基準(zhǔn)組試件CF相比降低了39.1%；與基準(zhǔn)組試件CF電通量比值為0.553，比值下降最明顯。然而，當(dāng)繼續(xù)增加PVA摻量到2%，如試件CFCW1-P2，其抗壓強(qiáng)度和抗氯離子滲透性能的提升幅度有明顯降低。由此可見(jiàn)，復(fù)摻一定量的碳酸鈣晶須、PVA纖維比單一纖維增強(qiáng)效果更優(yōu)，有利于提高水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度，進(jìn)而增強(qiáng)其抗氯離子滲透性能。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，在試驗(yàn)范圍內(nèi)碳酸鈣晶須和PVA纖維的最佳摻量分別為1.2%和1.6%。

2.3 纖維增強(qiáng)機(jī)理分析

為研究碳酸鈣晶須、PVA纖維對(duì)水泥基復(fù)合材料抗氯離子滲透性能的增強(qiáng)機(jī)理，圖8給出了不同纖維單一及復(fù)合增強(qiáng)水泥基材料基體的掃描電鏡結(jié)果圖?？梢钥闯?，不同尺度的纖維對(duì)水泥基材料的增強(qiáng)機(jī)理不同。對(duì)于微米級(jí)尺度的碳酸鈣晶須，如圖8（a）所示，適量晶須與基體結(jié)合較好，在水泥基材料內(nèi)部分散均勻，能夠在微米級(jí)尺度上有效填充孔隙，提高結(jié)構(gòu)的密實(shí)性，從而提高水泥基試件的抗壓強(qiáng)度，而抗壓強(qiáng)度又與試件抗氯離子滲透性能呈正相關(guān)，因此試件的抗氯離子滲透性能也隨之提高。對(duì)于厘米級(jí)的PVA纖維，其在單一增強(qiáng)時(shí)，作用更多表現(xiàn)在對(duì)裂縫的抑制以及對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的橋聯(lián)。如圖8（b）所示，在水泥基材料中摻入一定量的PVA纖維后，除了能在厘米尺度上改善水泥基內(nèi)部孔隙缺陷外，其更大的作用則體現(xiàn)在抑制裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展上，從而達(dá)到增強(qiáng)增韌的目的，隨著強(qiáng)度的提高，其抗氯離子滲透性能也相應(yīng)地得到了提高。需要注意的是，當(dāng)纖維摻量過(guò)多時(shí)，由于分散不均，纖維會(huì)出現(xiàn)“團(tuán)聚”現(xiàn)象，如圖8（c）所示。由于“團(tuán)聚”效應(yīng)，材料內(nèi)部出現(xiàn)更多新的孔隙，影響了材料的均勻性和密實(shí)性，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度下降，進(jìn)而降低抗氯離子滲透性能。

結(jié)合微米級(jí)碳酸鈣晶須和厘米級(jí)PVA纖維不同的增強(qiáng)機(jī)理可知，不同尺度的纖維對(duì)材料的微觀(guān)孔隙和細(xì)部結(jié)構(gòu)可在不同層次上發(fā)揮著改善作用，因此將二者復(fù)合可充分發(fā)揮各自不同的增強(qiáng)特性，達(dá)到抗氯離子滲透性能更優(yōu)的增強(qiáng)效果。如圖8（d）所示，兩種不同尺度的纖維共同作用，大大提高了試件的抗壓強(qiáng)度，一方面，碳酸鈣晶須對(duì)內(nèi)部孔隙起到一定的填充效果，使之更為密實(shí)；另一方面，PVA纖維均勻分布在材料內(nèi)部，與水泥漿體界面充分結(jié)合，有效阻擋了宏觀(guān)裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展；因此對(duì)材料的抗氯離子滲透性能的增強(qiáng)效果比單一纖維作用時(shí)更佳。但需要說(shuō)明的是，當(dāng)纖維摻量過(guò)多時(shí)，纖維表面會(huì)形成新的滲透界面，對(duì)孔隙的填充以及材料之間的橋聯(lián)作用效果減弱，孔隙變大從而引起對(duì)水泥基復(fù)合材料強(qiáng)度的增強(qiáng)作用下降，氯離子滲透性能變強(qiáng)，侵蝕深度增大。由此可見(jiàn)，微米級(jí)碳酸鈣晶須和厘米級(jí)PVA纖維在不同微觀(guān)尺度上改變了水泥基材料的密實(shí)性，進(jìn)而影響水泥基材料的抗氯離子滲透性能。

3 抗氯離子滲透性能預(yù)測(cè)模型

基于掃描電鏡分析結(jié)果以及已有的研究結(jié)果^[10]可知，水泥基材料的抗氯離子滲透性能與材料密實(shí)性有直接聯(lián)系，而其密實(shí)度與抗壓強(qiáng)度呈正相關(guān)性，因而抗壓強(qiáng)度在一定程度上反映了水泥基材料的抗氯離子滲透性能。此外，水泥基材料的抗氯離子滲透性能又與通過(guò)水泥基材料的總電通量值相關(guān)，通過(guò)的總電通量越低則表示水泥基材料的抗氯離子滲透性能越好。因此，在總電通量與抗壓強(qiáng)度之間建立聯(lián)系，以方便反映水泥基材料的抗氯離子滲透性能。圖9給出了纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料抗氯離子滲透試驗(yàn)總電通量與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系。需要說(shuō)明的是，圖中除了包含本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)外，還補(bǔ)充了文獻(xiàn)[20-22]的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，盡管不同學(xué)者采用的水泥基材料有所區(qū)別，但統(tǒng)一到水泥基材料抗氯離子滲透試驗(yàn)的總電通量與其抗壓強(qiáng)度的關(guān)系上，各試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間仍具有一致的相關(guān)性。由圖中可以看出，纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度與實(shí)際總電通量大致呈冪函數(shù)遞減關(guān)系，可采用式（2）表達(dá)。 （2）

式中：、為與試件抗壓強(qiáng)度和實(shí)際電通量相關(guān)的系數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)優(yōu)化擬合后、分別取2.835和1.929。采用式（2）計(jì)算得到的總電通量如圖9中的點(diǎn)曲線(xiàn)所示，該計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果總體吻合較好。因此，可以根據(jù)式（2）基于抗壓強(qiáng)度進(jìn)行纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗氯離子滲透性能預(yù)測(cè)。值得注意的是，圖9中相關(guān)水泥基材料抗壓強(qiáng)度的范圍為40～80 MPa，因而利用式（2）進(jìn)行總電通量預(yù)測(cè)時(shí)要考慮水泥基材料的抗壓強(qiáng)度值。

電通量Q_s除與纖維增強(qiáng)水泥基材料的抗壓強(qiáng)度存在相關(guān)性外，還與氯離子侵蝕深度有關(guān)，如圖10所示。由圖可見(jiàn)，水泥基材料的侵蝕深度與電通量呈正相關(guān)性。因而，為進(jìn)一步分析侵蝕深度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，以電通量為中間變量，建立氯離子侵蝕深度與抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)性模型，以便于進(jìn)行纖維增強(qiáng)水泥基材料的氯離子侵蝕深度預(yù)測(cè)，二者的關(guān)系為 ??（3）

式中：、分別為與試件抗壓強(qiáng)度與氯離子侵蝕深度相關(guān)的系數(shù)，基于試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化分析可得系數(shù)、分別取0.004和1.598。圖11給出了采用式（3）計(jì)算的侵蝕深度與實(shí)際侵蝕深度的比較。由圖可見(jiàn)，各試件的計(jì)算值和試驗(yàn)值吻合較好；表明可以根據(jù)抗壓強(qiáng)度對(duì)多纖維復(fù)合增強(qiáng)水泥基材料的抗氯離子侵蝕性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4 結(jié)論

1）在基體中摻入適量的碳酸鈣晶須或PVA纖維可以有效提高纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗氯離子滲透性能與力學(xué)性能，且兩種纖維復(fù)摻時(shí)提高效果更明顯。當(dāng)纖維復(fù)合增強(qiáng)水泥基材料中的碳酸鈣晶須和PVA纖維體積摻量分別達(dá)到1.2%和1.6%時(shí)，該復(fù)合增強(qiáng)材料的力學(xué)性能相對(duì)較好，對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度提高13.6%、總電通量和氯離子侵蝕深度分別降低44.7%和39.1%。

2）在多尺度纖維復(fù)合增強(qiáng)水泥基材料中，微米級(jí)的碳酸鈣晶須能在微米尺度上填充基體孔隙，增強(qiáng)其密實(shí)性；厘米級(jí)的PVA纖維則更多表現(xiàn)在對(duì)裂縫的抑制以及對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的橋聯(lián)作用。復(fù)摻一定量的碳酸鈣晶須和PVA纖維可在不同結(jié)構(gòu)層次上對(duì)水泥基材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)起到改善作用，進(jìn)而提高水泥基材料的強(qiáng)度，增強(qiáng)試件的抗氯離子滲透性能。

3）纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗氯離子滲透性能與其抗壓強(qiáng)度呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系；材料的密實(shí)性越好，抗壓強(qiáng)度越高，越能有效阻斷氯離子滲透。建立的抗氯離子滲透性能預(yù)測(cè)模型，能夠基于多纖維復(fù)合增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度直接確定其抗氯離子滲透等級(jí)及對(duì)應(yīng)的侵蝕深度。

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（編輯??王秀玲）