隧道用纤维素纤维混凝土在弯拉荷载作用下的耐久性

郭丽萍　 张文潇　 孙　伟　 谌正凯　 丁　聪

(1东南大学材料科学与工程学院, 南京 211189)(2东南大学江苏省先进土木工程材料协同创新中心, 南京 211189)(3南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室, 南京 210029)

隧道用纤维素纤维混凝土在弯拉荷载作用下的耐久性

郭丽萍1,2张文潇1,3孙伟1,2谌正凯1丁聪1

(1东南大学材料科学与工程学院, 南京 211189)(2东南大学江苏省先进土木工程材料协同创新中心, 南京 211189)(3南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室, 南京 210029)

摘要:针对隧道衬砌结构混凝土在服役过程中承受弯拉荷载的实际情况，研究了纤维素纤维混凝土分别在加载40%四点抗弯强度和不加荷载条件下的抗氯离子渗透性、抗碳化、抗冻融及抗硫酸盐侵蚀等耐久性能及其微观机理，并与未加载的普通素混凝土耐久性能进行了对比分析.结果表明：由于纤维素纤维具有独特的空腔结构和亲水性，可在硬化混凝土基体中乱向均匀分布并显著优化混凝土的孔隙结构，使得未加载的纤维素纤维混凝土与基准素混凝土相比，耐久性显著提高，电通量仅降低25%，不同龄期碳化深度减小0.9～2.5 mm.与未加载的纤维素纤维混凝土相比，加载后的纤维素纤维混凝土耐久性略有削弱，电通量增加了17%，不同龄期碳化深度加深了0.2～1.3 mm；但与未加载的基准素混凝土相比，加载后的纤维素纤维混凝土耐久性仍有所提高，电通量仅降低了12%,不同龄期碳化深度减小0.4～1.2 mm；200次硫酸盐干湿循环后，加载后的纤维素纤维混凝土相对动弹性模量仍比未加载的基准素混凝土高出3%.

关键词:隧道混凝土;纤维素纤维;耐久性;微观机理

隧道工程往往要受到多种破坏因素的交互作用,既有来自内部空气环境的侵蚀,又有来自外部土壤环境的侵蚀,且由于地下水中含有很多侵蚀性介质,随着服役期的延长,隧道衬砌混凝土逐渐产生各种各样的病害,导致衬砌结构劣化、承载能力下降等结构耐久性问题逐渐突出[1-3]．《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)明确提出隧道建筑物按100年使用年限设计,其混凝土结构设计应考虑耐久性问题．因此,为了提升高铁隧道结构材料的抗裂性和耐久性,制备满足耐久性设计要求的隧道结构混凝土具有重大的工程应用价值．

纤维素纤维是改性植物纤维的代表,已作为新一代的工程纤维用于增强混凝土．纤维素纤维混凝土(cellulosefiberreinforcedconcrete,CFRC)在我国已被应用于南水北调工程的引水渡槽、高铁隧道衬砌和无砟轨道板等重大基础工程中．曹擎宇等[1,3-4]曾针对贵广高铁隧道二次衬砌工程的耐久性要求,研究了CFRC的抗渗性、电通量和抗碳化等耐久性,其结果表明CFRC可以提高部分耐久性能指标,适合在隧道结构中使用．Banthia等[5]研究了纤维素纤维对混凝土抗裂性能的影响,对比了混凝土掺入不同体积掺量的纤维素纤维与聚丙烯纤维时的抗冻融循环性能,研究表明纤维素纤维的掺入显著改善了混凝土的抗冻融性能,并且其作用明显优于聚丙烯纤维．但是,目前的研究主要集中在单因素耐久性的作用,而针对高铁隧道衬砌这类在服役周期内需要承受外部荷载与环境因素耦合作用的结构,其耐久性如何尚未见报道．

隧道结构混凝土在正常情况下主要承受压应力,而当衬砌背后出现空鼓[6],该处结构混凝土将承受弯拉荷载,成为结构混凝土的薄弱环节．为了科学评价CFRC在承受弯拉应力与环境因素耦合作用下的耐久性,保证其满足设计寿命和高铁运营安全要求,本文模拟开展了施加40%应力水平弯拉荷载与典型环境因素耦合作用下的CFRC耐久性能研究,具有重要的理论意义和工程应用价值．

1试验

1.1原材料及配合比

水泥采用南京海螺水泥有限公司的P·Ⅱ42.5R硅酸盐水泥．粉煤灰是南京热电厂提供的Ⅰ级粉煤灰,烧失量小于等于5.0%,SO3含量小于等于3%．试验用水为自来水．细骨料为普通河砂,细度模数2.7,表观密度2 650kg/m3．粗骨料为石灰岩碎石,粒径范围为5～16,16～20mm两种,按2∶3比例混合使用,表观密度2 720kg/m3．试验用外加剂为聚羧酸系高性能减水剂,固含量为20%,减水率20%～25%,坍落度1h经时变化量小于等于80mm．纤维采用UF500纤维素纤维,其物理力学性能见表1．

表1　纤维素纤维的物理力学性能

混凝土按C30强度等级设计,制备了基准素混凝土(C0系列)和CFRC(C1系列),其具体配合比见表2．实际工程通常采取的纤维素纤维掺量为0.9 ～1.3kg/m3,本课题组前期研究成果[1]证实0.9kg/m3的纤维素纤维掺量可以满足隧道衬砌结构混凝土强度和耐久性要求．为了满足工程实际和从经济性考虑,选取纤维素纤维掺量为0.9kg/m3．混凝土坍落度为(180±20)mm,含气量为2%～3%．

表2　混凝土配合比　kg/m3

1.2试验方法

力学性能测试按《普通混凝土力学性能测试方法标准》(GB/T50081—2002)进行,抗压强度测试用试件采用100mm×100mm×100mm的立方体试块,抗弯强度测试用试件采用100mm×100mm×400mm的棱柱体试块．混凝土耐久性能测试参照《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》(GB/T50082—2009)进行．混凝土试件成型后静置24h,拆模后至养护室(温度为(20±2)℃,相对湿度大于95%)养护．所有试件均在养护至28d龄期时进行试验．

试验中采用四点弯曲加载,静载弯曲应力为抗弯强度的40%(即加载应力水平为40%)．每组试验分别采用同批成型试件,试件加载前,超声波通过每个试件的声时之差不超过±1.5μs．

电通量试验和冻融试验采用预加载的方式,试验前使用电子万能试验机对试件预加载12h,预加载应力为抗弯强度的40%, 然后分别进行耐久性试验．预加载后的试块在耐久性试验过程中不再进行加载．其中,冻融试验(快冻法)采用70mm×70mm×280mm的棱柱体试块,利用超声检测法对试件经历不同冻融循环之后的相对动弹性模量进行测试．电通量试验采用100mm×100mm×400mm的试块,预加载后使用切割机切取每块试件纯弯段中部50mm长的棱柱体进行试验．

抗碳化和抗硫酸盐试验在四点弯曲应力和耐久性因素的耦合作用下进行,加载应力水平为40%(见图1)．试验采用70mm×70mm×280mm的棱柱体试块．其中,抗碳化试验的二氧化碳质量分数保持在(20±3)%,相对湿度控制在(70±5)%,温度在(20±2)℃,分别测试碳化到3,7,14,28d时的碳化深度．抗硫酸盐侵蚀试验使用的浸泡液为5%Na2SO4溶液,干湿循环周期为(24±2)h,每15次循环测试试件超声波波速,直至200次循环结束(180次循环后测试周期为20次干湿循环)．

(a) 试块受力示意图

(b) 试块加载方式示意图

2试验结果与分析

2.1基本力学性能

基准素混凝土与外掺纤维素纤维混凝土的抗弯和抗压强度结果见表3．纤维素纤维掺量为0.9kg/m3时,CFRC的抗弯强度略高于基准素混凝土,抗压强度略低于基准素混凝土,因此纤维素纤维对混凝土的力学性能影响不大．

表3　混凝土28 d龄期基本力学性能　MPa

2.2预加载后混凝土的损伤程度

超声波速与材料内部的细观结构密切相关,超声波速的变化可以有效反映材料内部的损伤情况．混凝土经过预加载后的损伤程度定义如下[7]:

式中,D为材料的损伤度;V,T分别为受载后材料的超声波速和声时;V0,T0分别为受载前材料的超声波速和声时．

采用超声测试仪测试每块混凝土试块预加载40%弯拉荷载后的超声波速和声时,根据上述方法计算的混凝土的平均损伤程度D为8.2%．

2.3抗氯离子渗透性

本文采用电通量法测试混凝土的氯离子渗透性,试件尺寸为100mm×100mm×50mm．基准素混凝土(C0)和未加载(C1)与加载(C1-加载)的CFRC的电通量测试结果如表4所示．

表4　混凝土电通量　C

3组混凝土的电通量均小于1 000C，氯离子渗透性都很低.满足《铁路混凝土结构耐久性设计规范》(TB10005—2010)高铁隧道衬砌混凝土在T1环境等级电通量的相关规定.与未加载的基准素混凝土(C0)相比，未加载的CFRC(C1)电通量降低了25%.而与未加载的CFRC(C1)相比，预加载的CFRC(C1-加载)电通量增加了17%，与未加载的基准素混凝土(C0)相比则降低了12%.

掺入纤维素纤维的混凝土的电通量小于基准素混凝土,说明纤维素纤维的掺入,有效提高了混凝土抗氯离子渗透性能．该性能与混凝土内部孔隙结构密切相关,降低孔隙率和孔隙直径可以大幅提高混凝土的抗氯离子渗透能力,由此可见纤维素纤维的掺入对改善混凝土结构的孔隙结构十分有利．这是因为纤维素纤维具有独特的空腔结构和亲水性,在混凝土搅拌初期可以保有一定的水分,并在水化后期释放，促进了水泥的进一步水化,从而细化混凝土的孔隙结构．

经过预加载后CFRC(C1-加载)的电通量值大于未加载CFRC(C1)的电通量值,但小于基准素混凝土(C0)的电通量.这是因为经过预加载的CFRC内部产生了微裂缝,这些缺陷全部变成氯离子的扩散通道,加速了氯离子在基体中的渗透．但相对素混凝土而言,仍可提高混凝土的抗氯离子渗透能力．

2.4抗冻性

冻融循环后的混凝土相对动弹性模量和质量损失试验结果如图2所示．

(a) 相对动弹性模量损失

(b) 质量损失

由图2可看出,在经历25次冻融循环后,CFRC的质量略有增加,而后随着冻融循环次数的增加,质量损失逐渐增大．这主要是由于在经历冻融作用后,CFRC内部孔隙由于冻胀压力的作用,进一步扩展,吸水率增大,而此时冻融循环次数较少,混凝土表面剥落较少,因此试件的质量反而略有提高;当冻融循环次数增加时,试件表面冻融剥落增多,导致质量损失逐渐随之增加[8]．相对动弹性模量是表征混凝土结构内部损伤程度的重要指标．冻融循环作用下,混凝土内部结构损伤程度逐渐增大,动弹性模量逐渐下降．冻融循环初期混凝土的损伤程度很小,经历25次冻融循环后,经过预加载的CFRC试块的相对动弹性模量仍高达99.24%．

经历100次冻融循环后,基准素混凝土的相对动弹性模量为93.4%,未经加载和预加载后的CFRC的相对动弹性模量分别为99.5%和92.3%.未预加载的CFRC的相对动弹性模量值最高,表明纤维改善了混凝土的抗冻性能;而经过预加载的CFRC的相对动弹性模量值最低,表明预加载在混凝土内部留下了不可恢复的结构劣化,导致混凝土的抗冻性能下降．

经过200次冻融循环后,基准素混凝土的质量损失超过5%,相对动弹性模量也低于60%,实验停止．而未加载与预加载的CFRC的质量损失均小于3%,相对动弹性模量分别为91.1%和79.4%,经过预加载的试块略低于未经加载的试块,表明CFRC的抗冻性能得到了明显提高,纤维素纤维改善了混凝土内部的孔隙结构,延缓了冻融循环作用下内部裂纹的形成与扩展．

经过300次冻融循环后,未经预加载的CFRC试块的相对动弹性模量为79.3%,经过预加载的CFRC试块相对动弹性模量为66.0%,下降了13.3%,进一步证明了预加载使混凝土试块内部产生了微裂缝,经历300次冻融循环后,这些损伤的劣化作用愈加明显．

2.5抗碳化

CFRC在不同龄期的碳化深度见图3．未加载的基准素混凝土在3,7,14,28d时的碳化深度分别为3.7,10.2,11.8,15.2mm；未加载的CFRC在3,7,14,28d时的碳化深度分别为2.8,8.8,10.8,12.7mm,比未加载的基准素混凝土分别减小了0.9,1.4,1.0,2.5mm．加载的CFRC的碳化深度分别为3.0,9.5,11.4,14.0mm,比未加载基准素混凝土分别减小了0.7,0.7,0.4,1.2mm,比未加载的CFRC分别增大了0.2,0.7,0.6,1.3mm．

图3　混凝土碳化不同龄期后的碳化深度

在不同的碳化龄期,基准素混凝土的碳化深度最大,未加载CFRC和加载的CFRC的碳化深度均小于基准素混凝土．而荷载耦合作用下的CFRC的碳化深度也都大于未加载的CFRC,即CFRC在荷载作用下会加速碳化,但仍比基准素混凝土碳化速度慢．

混凝土碳化主要取决于2个因素:Ca(OH)2的含量和混凝土的结构密实性．由于这3组混凝土除纤维掺量外,配合比均一致，因此混凝土的密实性是影响碳化深度的主要原因．碳化过程是CO2由表及里的扩散过程,混凝土结构的密实性越好,内部缺陷越少,扩散就越困难．试验结果进一步表明,纤维素纤维具有的亲水性和独特的中空结构,优化了混凝土的孔隙结构,减少其内部缺陷,增强了混凝土的抗碳化性能．而在加载作用下,产生的微裂缝成为CO2扩散的通道,使其抗碳化性能有所降低;但纤维素纤维的优化作用显著,使加载后的CFRC结构仍然优于基准素混凝土．

2.6抗硫酸盐侵蚀

CFRC在硫酸盐-干湿循环耦合作用后的相对动弹性模量测试结果见图4．经200次硫酸盐干湿循环后,未加载的基准素混凝土、未加载的CFRC和加载的CFRC的相对动弹性模量分别降低至81%,88%和84%,加载的CFRC仍比未加载的基准素混凝土少降低3%．

图4　干湿循环次数对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响

干湿循环初期，3个系列混凝土都发生了较大损伤,随着循环次数的增加,基准素混凝土的损伤加速,而加载和未加荷载的CFRC的损伤速度都小于基准素混凝土．纤维素纤维在混凝土内部乱向分布,不仅提高了混凝土的密实性,同时优化了混凝土的孔隙结构,使硫酸根离子的扩散通道减少,扩散速度减慢,延缓了硫酸盐对混凝土的侵蚀作用．

3微观机理分析

3.1纤维素纤维形貌

纤维素纤维对混凝土耐久性的增强作用主要取决于纤维素纤维独特的空腔结构和亲水性,使其在水化初期可以储备部分自由水,并在水化后期释放,充当混凝土的内养护纤维的作用,优化本身与浆体的黏结过渡区与浆体结构．纤维素纤维在混凝土基体中乱向分布,可减小孔隙平均直径,降低孔隙连通性,降低外部侵蚀性介质向混凝土内部传输的速率．

图5(a)是纤维经过力学试验机拉断,使用荧光浸渍后断口处的形貌;图5(b)是使用哈氏切割机切割后的纤维截面断口形貌．从图中可以清楚地看到纤维素纤维的空腔结构,在混凝土成型过程中,空腔可以吸收一部分自由水,减少了拆模前水分的蒸发,在混凝土后期水化过程中,能提供水泥水化所需水分,发挥内养护功能．

(a) 激光共聚焦显微镜下的纤维截面

(b) 纤维素纤维截面的SEM照片

纤维素纤维作为内养护纤维,吸水率也是其基本性能的评价指标之一．纤维吸水率采用茶袋法测定[11].取1g样品放入自制无纺布茶袋中,置于装有足量蒸馏水的烧杯中充分浸泡30min．而后将茶袋取出并在室内悬挂30min,不再滴水后取出纤维样品,用滤纸吸去表面浮水后称重．参照《纺织品吸水性试验方法》(JISL1907—2010)计算纤维吸水率．选取5个平行样品,取平行样品吸水率的平均值作为纤维素纤维的吸水率,测定得到的纤维吸水率为239.2%．纤维素纤维不仅有独特的空腔结构,而且具有较好的亲水性,可以使纤维具有良好的吸水保水功能．

3.2纤维素纤维分布

借助紫外线LED光源和透反射偏光显微镜,通过CCD拍照和记录样品图像,确定纤维素纤维在硬化水泥基体中的分布[12],如图6所示．图中淡蓝色的是纤维素纤维,硬化混凝土基体呈现暗灰色,黑色的封闭区域为孔隙．纤维素纤维在混凝土基体中均匀乱向分布,优化了混凝土的微观结构,从而达到了阻碍混凝土基体裂缝的萌生、发展和贯通的效果．

图6　透反射偏光显微镜下纤维素纤维在混凝土中的分布图像

3.3孔结构分析

利用压汞法研究未加载的基准素混凝土与CFRC的孔隙率及孔径分布情况,结果见图7．

由图7可见,纤维素纤维大大降低了混凝土的孔隙率,减小了孔隙尺寸,优化了混凝土的孔隙结构,降低了外部侵蚀性介质向混凝土内部传输的速率,这是纤维素纤维提高混凝土耐久性的重要原因．

根据孔径R对混凝土性能的影响,按照R<50nm(无害孔)、50≤R≤100nm(少害孔)和R>100nm(有害孔)的范围对2种混凝土的孔径分布进行分析[13].2种混凝土的孔径分布如图8所示．2种混凝土中R>100nm的孔隙率基本相同,而CFRC中50≤R≤100nm的孔隙率比基准素混凝土的小,R<50nm的孔隙率为基准素混凝土的4/5．混凝土的耐久性与材料内部孔结构有很大关系．以抗冻性为例,混凝土材料的抗冻性受孔隙率、孔结构等多种因素影响．当水胶比较高时,混凝土抗冻性受孔隙率影响更显著．当水胶比较低时,混凝土抗冻性受大孔含量影响更为显著[14-15]．本文采用的水胶比较大,为0.41,混凝土的抗冻性受孔隙率影响更为显著．基准素混凝土虽然大孔数与CFRC相差不多,但其总孔隙率达到28.6%,而CFRC的总孔隙率为14.6%,约为基准素混凝土孔隙率的一半,因此CFRC具有更优异的抗冻性．

(a) 孔隙率分布曲线

(b) 分计进汞量曲线

图8　2种混凝土的孔径分布

4结论

1) 纤维素纤维掺量为0.9kg/m3时,对混凝土的力学性能基本没有影响．

2) 与未加载的基准素混凝土相比，未加载的CFRC耐久性显著提高，电通量仅降低了25%.未加载的基准素混凝土抗冻等级为F200，而未加载CFRC的抗冻等级大于F300.碳化时间3,7,14,28d时未加载CFRC碳化深度分别减小了0.9，1.4，1.0，2.5mm.

3) 与未加载的基准素混凝土相比，施加应力水平40%弯拉荷载的CFRC耐久性仍有所提高，电通量仅降低了12%.碳化时间3,7,14,28d时的碳化深度分别减小了0.7，0.7，0.4，1.2mm.

4) 与未加载的CFRC相比，施加应力水平40%弯拉荷载的CFRC耐久性略有削弱，电通量仅增加了17%.碳化时间3,7,14,28d时的碳化深度分别增加了0.2，0.7，0.6，1.3mm.

5) 由于纤维素纤维具有独特的空腔结构和亲水性,并在混凝土基体中乱向均匀分布,显著优化了混凝土的孔隙结构,有效减缓了混凝土内部裂纹的萌生、发展和贯通,提高了CFRC在弯拉荷载作用下的耐久性．

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Durabilityofcellulosefiberreinforcedconcreteunderbendingloadintunnelengineering

GuoLiping1,2ZhangWenxiao1,3SunWei1,2ChenZhengkai1DingCong1

(1SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing211189,China) (2CollaborativeInnovationCenterforAdvancedCivilEngineeringMaterialsofJiangsuProvince,SoutheastUniversity,Nanjing211189,China) (3StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China)

Abstract:According to the bending load conditions of tunnel lining concrete in service, the durabilities of cellulose fiber reinforced concrete(CFRC)unloaded and loaded to 40% four-point bending strength were studied: resistances of chloride ion permeability, carbonation, freezing-thawing and sulfate attack. These results were also compared with the durability of unloaded plain concrete without fibers. The micro-mechanisms of the effect of cellulose fiber on the durability of CFRC were investigated as well. The results show that compared with the unloaded plain concrete, the durability of the unloaded CFRC is increased dramatically due to the effects of the special hollow microstructure and hydrophilicity of cellulose fiber on the optimized pore structures and homogeneous dispersion of cellulous fibers in hardened CFRC matrix, and the electric flux of CFRC only decreases by 25%; the carbonization depth of unloaded CFRC with different ages reduces by 0.9 to 2.5 mm. The external bending load slightly weakens the durability of CFRC compared to unloaded CFRC, e.g. the electric flux increases by 17%, and the carbonization depth increases by 0.2 to 1.3 mm. However, the durability of loaded CFRC is still better than that of the unloaded plain concrete, e.g. the electric flux only reduces by 12%, and the carbonization depth reduces by 0.4 to 1.2 mm. The relative dynamic elastic modulus increases by 3% after 200 times of sulfate dry-wet cycles.

Key words:tunnel concrete; cellulosic fiber; durability; micro-mechanism

DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.026

收稿日期:2015-08-18.

作者简介:郭丽萍(1979—),女,博士,副教授,博士生导师,guoliping691@163.com.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51378113)、水利部水科学与水工程重点实验室开放研究基金资助项目(Yk914009).

中图分类号:TU528

文献标志码:A

文章编号:1001-0505(2016)03-0612-07

引用本文: 郭丽萍,张文潇,孙伟,等.隧道用纤维素纤维混凝土在弯拉荷载作用下的耐久性[J].东南大学学报(自然科学版),2016,46(3):612-618.DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.026.