混凝土作为建筑工程中重要的材料之一，具有强度高、刚度大、成本低等优点，也存在抗拉强度低、易产生裂缝等缺点[1-2]。新疆南疆地区昼夜温差大，土壤盐碱化程度高[3]，导致一些混凝土建筑物在盐蚀-冻融作用下产生不同限度的腐蚀、剥落等情况，由此产生一些维护、加固等费用[4]。为了改善混凝土中腐蚀、剥落的现象，需要加入恰当的改性剂。聚乙烯醇(PVA)纤维具有高抗拉强度、耐腐蚀、易分散等优点[5]。将PVA掺入混凝土，可显著提高混凝土的抗拉强度，有效抑制水泥基体的前期开裂[6]，并能够减小冻胀压力对混凝土内部孔隙损伤破坏的程度，提高混凝土的抗盐冻性能[7]。马宏鹏等[8]研究PVA纤维对热塑性淀粉拉伸强度的影响。结果表明：PVA纤维明显提高材料的拉伸强度，最高为9.395 MPa。张生[9]通过混凝土抗冻试验对比研究发现，PVA纤维可以改变混凝土内部孔隙结构，减少孔洞数量，提升混凝土的抗冻性能。安嘉伟等[10]研究PVA纤维混凝土的抗冻性能。结果表明：循环150次时，PVA纤维混凝土试件的相对动弹性模量下降率均在20%以内；而素混凝土在循环75次时，其相对动弹性模量下降至初始值的55.2%，表明PVA纤维可以改善混凝土及塑料产品的性能。本实验将相同长度(12 mm)的PVA纤维以不同体积掺量掺入C30混凝土中，在不同浓度复合盐溶液(NaCl+Na2SO4)中，对比PVA纤维混凝土的抗盐冻性能。探究PVA纤维混凝土在南疆盐渍土环境下腐蚀劣化规律，为PVA纤维混凝土在南疆盐渍土地区的工程应用提供实验依据。1实验部分1.1主要原料普通硅酸盐水泥，P·O 42.5级，阿克苏天山多浪有限公司；骨料，粗骨料为5~20 mm和20~40 mm连续级配卵石，细骨料为中砂，细度模数2.7，温宿县同顺砂石料厂；聚乙烯醇(PVA)纤维，束状单丝，密度0.91 g/mm3，上海臣启化工科技有限公司；减水剂，TXS，阿拉尔天平建材检测公司。1.2仪器与设备混凝土快速冻融试验机，DR-16，天津市天宇实验仪器有限公司；动弹仪，DT-16，天津恒炜科技开发公司；X射线衍射仪(XRD)，D8-Advance，德国布鲁克科技有限公司；可变真空超高分辨场发射扫描电镜，Apero S，美国赛默飞世尔科技公司。1.3样品制备PVA纤维混凝土试件的制备：参照JGJ 55—2011[11]的方法和步骤，水为159 kg、水泥为346 kg、砂为758 kg、连续级配卵石(5~20 mm)为569 kg、连续级配卵石(20~40 mm)为568 kg、外加剂为2.768 kg，水灰比为0.46。根据GB/T 50082—2009[12]和CECS 13—2009[13]制备试件，试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。使用亲水性脱模剂，分别制作体积掺量为(0、0.1%、0.2%、0.3%)的PVA纤维混凝土试件。试件制备过程中，将纤维分3次装入搅拌机内，并控制搅拌时间和投料顺序，确保纤维在混凝土拌合物中分布均匀。复合盐溶液的配制：阿克苏地区典型盐渍土区域地表水样中SO42-的含量为43.514 mmol/L，Cl-的含量为131.422 mmol/L，表1为不同浓度的复合盐溶液。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.06.010.T001表1不同浓度的复合盐溶液Tab.1Compound salt solution with different concentration溶液编号溶液浓度倍数盐类型及用量/（g‧L-1）溶液浓度/%NaClNa2SO4A清水000B基准浓度7.6826.1811.386C5倍基准浓度38.41030.9106.930D10倍基准浓度76.82061.81013.860盐蚀-冻融循环下PVA纤维混凝土试件制备：将养护龄期为28 d的混凝土试件提前4 d取出，浸泡在(20±2) ℃的清水中，浸泡结束擦干表面水分放入装有不同浓度侵蚀溶液的试件盒，保持溶液面高于试件顶部20 mm左右。试件在-15 ℃下冻结2 h，在6 ℃下融化2 h，此过程作为1次冻融循环，1天完成6次循环。试验设定100个循环周期，每25个周期进行1次指标测定。在第100个周期结束时对各试件的腐蚀产物进行取样。1.4性能测试与表征耐久性测试：相对动弹性模量和质量损失率按GB/T 51355—2019[14]进行测试。盐蚀-冻融循环测试：通过动弹仪和电子秤，测试混凝土的弹性模量和质量变化。SEM测试：对样品喷金处理，观察样品表面形貌。EDS能谱测试：对样品喷金处理，对试样的元素成分和含量进行分析。XRD测试：测试范围0~100°。2结果与讨论2.1PVA纤维混凝土试件相对动弹性模量衰减规律图1为不同浓度复合盐溶液侵蚀-冻融循环作用下试件相对动弹性模量。从图1a可以看出，清水-冻融循环作用下，不同掺量的纤维混凝土相对动弹性模量均呈下降趋势，经历100次冻融循环，PVA-0试件相对动弹性模量下降最快，降至初始值的83.6%。PVA-0.1%试件相对动弹性模量下降最少，较PVA-0试件提高9.2%。从图1b可以看出，基准浓度溶液侵蚀-冻融循环作用下，不同掺量纤维混凝土试件在盐冻环境下，相对动弹性模量下降趋势均较稳定，PVA-0.1%相对动弹性模量下降幅度最小。从图1c可以看出，5倍基准浓度溶液侵蚀-冻融作用下，PVA-0.1%和PVA-0.2%试件的相对动弹性模量均呈现先下降后上升再下降的趋势。而PVA-0.3%试件相对动弹性模量先上升后下降。PVA-0试件相对动弹性模量持续下降。经历100次循环，PVA-0.3%试件的相对动弹性模量波动幅度最小，较PVA-0试件提高21.34%。从图1d可以看出，10倍基准浓度溶液侵蚀-冻融循环下，掺有纤维的试件相对动弹性模量均呈现先下降后上升再下降的趋势，而PVA-0试件的相对动弹性模量持续下降。经历100次循环，PVA-0.3%的相对动弹性模量变化幅度最小，较PVA-0试件提高21.46%。图1不同浓度复合盐溶液侵蚀-冻融循环作用下试件相对动弹性模量Fig.1The relative dynamic elastic modulus of specimens under erosion-freeze-thaw cycles with different concentrations of compound salt solution10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.06.010.F1a1（a）A溶液10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.06.010.F1a2（b）B溶液10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.06.010.F1a3（c）C溶液10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.06.010.F1a4（d）D溶液根据静水压力理论和渗透压理论，在结冰过程中，混凝土内部未结冰的孔隙溶液从冰冻区域向外扩散产生静水压力，随着冻融循环次数的增加，静水压力超过试件内部孔隙的拉伸强度极限，导致混凝土内部裂缝增加，为Cl-和SO42-提供扩散通道，渗透压力进一步增大，从而引起混凝土破坏。冻融循环前期，由于钠盐易溶于水，降低水的冰点，延缓混凝土的破坏，SO42-离子进入混凝土内部，生成盐蚀产物，同时水分填充微小孔隙，增加混凝土的密实度，使其相对动弹性模量增加。随着冻融循环继续进行，试件不断经历冻结-融化过程，静水压力所导致的冻胀作用超过混凝土自身极限抗拉强度，从而使内部裂缝不断扩展，加速混凝土的盐冻破坏。PVA纤维的掺入提高了混凝土的抗裂性能，较好地抑制了裂缝的扩张，同时PVA纤维具有一定的引气效果，增加许多微小气泡，延缓混凝土内部的冰冻过程。随着复合盐溶液浓度的升高，纤维掺量越大，对试件抗盐冻性能提升越明显。2.2PVA纤维混凝土试件质量损失率变化图2为不同浓度复合盐溶液侵蚀-冻融循环作用下试件的质量损失率。从图2a~图2b可以看出，清水和基准浓度溶液中，PVA-0试件的质量损失率均呈现持续上升的趋势。PVA-0.1%~PVA-0.3%试件的质量损失率在A溶液中呈现先下降后上升的趋势；而PVA-0.1%~PVA-0.2%试件在B溶液中出现先下降后上升再下降的趋势；PVA-0.3%试件出现先下降后上升的情况。经历100次循环，纤维掺量为0.1%试件的抗盐冻性能最好，质量损失率较PVA-0试件分别降低29.46%、31.76%。从图2c~图2d可以看出，5倍和10倍基准浓度溶液中，PVA-0.1%~PVA-0.3%试件的质量损失率均表现先下降后上升的规律，而PVA-0试件的质量损失率在冻融循环后期均出现急剧上升的现象。经历100次循环，PVA-0.3%试件的抗盐冻性能最强，其质量损失率较PVA-0试件分别降低37.33%和63.76%。前期循环过程中，腐蚀产物生成量较少，还有部分水分子填充混凝土内部空隙，使混凝土密实度增加，质量上升，导致质量损失率为负值。图2不同浓度复合盐溶液侵蚀-冻融循环作用下试件的质量损失率Fig.2The mass loss rate of specimens under erosion-freeze-thaw cycle with different concentrations of compound salt solution10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.06.010.F2a1（a）A溶液10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.06.010.F2a2（b）B溶液10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.06.010.F2a3（c）C溶液10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.06.010.F2a4（d）D溶液反复的冻融循环过程中，试件内部由于结冰-冻胀作用，超过内部孔隙和微裂缝所能承受的最大应力，导致混凝土内部受损。随着冻融循环次数的增加，混凝土表面砂浆层剥落、骨料外露，试件质量下降。PVA纤维在混凝土内部占据一定的空间，延长混凝土饱水时间，使更多的水分子填充混凝土内部，增加混凝土质量，随着冻融循环次数的增加，其冻胀作用导致混凝土破坏，质量下降。高浓度溶液侵蚀下，钙矾石(AFt)和石膏等盐蚀产物生成速率加快，能够较快填充混凝土内部孔隙，增加混凝土的密实度，致使试件质量增加。随着冻融循环次数增多，冻胀应力破坏混凝土内部结构，裂缝数量增加，为更多腐蚀性离子的侵入提供新通道，加速混凝土的破坏，质量随之下降。在水的结冰压和腐蚀产物的膨胀压双重应力作用下，混凝土内部孔隙及微裂缝处的破坏越来越严重，试件表层浆体完全脱落，粗骨料外露，为离子扩散提供多重通道，加剧混凝土的破坏。PVA纤维的掺入可以提高混凝土的抗盐冻性能，抑制试件表层及内部微裂缝的生成，提高混凝土的抗拉性能。同时PVA纤维的掺入具有一定的引气效果，增加气泡的数量，阻止离子的扩散，减小孔隙和微裂缝中盐冻产生的膨胀应力，延缓试件的破坏进程。随着溶液浓度不断升高，PVA-0.3%试件的质量损失率最小。2.3PVA纤维混凝土试件表观形态变化为对比试件破坏程度，观察基准浓度溶液和10倍基准浓度溶液中PVA-0试件和最佳纤维掺量试件的表观形态。图3为PVA纤维混凝土试件在基准浓度溶液侵蚀-冻融循环作用下的表观形态。从图3可以看出，经过100次循环，PVA-0试件表面出现严重的砂浆层脱落和骨料外露，破坏程度最严重。PVA-0.1%试件仅在表面出现少量浆体剥落，其余部位较完整，破坏程度最轻。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.06.010.F003图3PVA纤维混凝土试件在基准浓度溶液侵蚀-冻融循环作用下的表观形态Fig.3Appearance morphology of PVA fiber reinforced concrete specimens under benchmark concentration solution erosion-freeze-thaw cycle低浓度复合盐溶液中，腐蚀性离子和水泥基材料发生化学反应，生成的腐蚀性产物AFt和石膏快速填充在混凝土内部孔隙和微裂缝中，同时由于结冰所产生冻胀应力超过孔隙自身抗拉强度极限，导致混凝土内部结构破裂。PVA纤维在混凝土内部交错搭接，良好的抗拉性能提高混凝土的抗拉强度，抑制裂缝的生成，提高混凝土抗盐冻性能。前期冻融循环过程中，纤维掺量过多，导致混凝土内部空间不紧密，腐蚀产物无法填充剩余空间，对混凝土抗盐冻性能的提升不明显。图4为PVA纤维混凝土试件在10倍基准浓度溶液侵蚀-冻融循环作用下的表观形态。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.06.010.F004图4PVA纤维混凝土试件在10倍基准浓度溶液侵蚀-冻融循环作用下表观形态Fig.4The apparent morphology of PVA fiber reinforced concrete specimens under the action of 10-times benchmark concentration solution erosion-freeze-thaw cycle从图4可以看出，经过100次循环，PVA-0试件表面出现大面积浆体脱落，四周及边角处破坏较严重，粗骨料明显外露，破坏最严重。PVA-0.3%试件四周及边角完好，浆体剥落不明显，整体表现最好。高浓度复合盐溶液侵蚀作用下，由于进入试件内部的腐蚀性离子数量增多，导致试件破坏速度加快。在结冰-冻胀压和渗透压双重作用下，孔隙内壁及裂缝无法承担由此产生的拉应力而发生崩坏，从而出现大量砂浆层和边角脱落现象。随着盐蚀-冻融循环作用次数的增加，大孔隙中的水分子不断结冰，与毛细孔形成浓度差，形成渗透压力导致基体破坏。高浓度溶液中，腐蚀产物生成量相应增多，PVA掺量较多的纤维混凝土试件内部具有足够的空间，纤维在混凝土内部起拉结作用，显著提高混凝土的抗拉强度，且PVA纤维具有一定的引气效果，延缓水分子的结冰速率，抑制内部裂缝的生长。因此，盐蚀-冻融循环作用下，随着复合盐溶液浓度的增加，PVA-0.3%试件的抗盐冻性能优于PVA-0.1%试件。2.4PVA纤维混凝土试件的SEM分析和EDS分析对比PVA-0和PVA-0.3%试件在10倍基准浓度溶液侵蚀-冻融循环作用下腐蚀产物微观特征，图5为测试结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.06.010.F005图510倍基准浓度溶液侵蚀-冻融循环作用下PVA纤维混凝土试件SEM照片和EDS谱图Fig.5SEM images and EDS spectra of PVA fiber reinforced concrete specimens under erosion-freeze-thaw cycle with 10 times benchmark concentration solution从图5a可以看出，PVA-0试件的腐蚀产物主要是AFt、C-S-H凝胶、氢氧化钙(Ca(OH)2)晶体。随着冻融循环次数的增加，外部溶液持续进入试件内部后结冰，不断经历冻胀-融化过程，腐蚀产物生成速率及裂缝扩张速率均增大，加速试件的破坏。从图5b可以看出，PVA-0.3%试件内部出现的网状C-S-H凝胶包裹纤维，与盐蚀产物在混凝土内部构成有机整体，增强试件内部结构的整体稳定性。PVA纤维增加混凝土内部基体的抗拉强度，减缓腐蚀产物生成量，减小冻胀破坏的作用，约束裂缝的生成，延缓混凝土的腐蚀劣化速率。表2为PVA-0和PVA-0.3%试件腐蚀产物元素占比。从表2可以看出，PVA-0和PVA-0.3%试件腐蚀产物中均发现Al、C、O、Ca和Si等元素，推断2种掺量试件均有盐蚀产物生成。PVA-0.3%试件腐蚀产物中Ca元素含量比PVA-0试件少。主要是因为PVA纤维掺入混凝土后增加裂缝间的拉结力，提高试件内部密实度，延缓晶体膨胀所引发的脆性破坏，从而减慢腐蚀产物(AFt)的生成速度，延缓混凝土劣化速率。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.06.010.T002表2PVA-0和PVA-0.3%试件腐蚀产物元素占比Tab.2Proportion of elements in the corrosion products of PVA-0 and PVA-0.3% specimens样品元素质量原子含量PVA-0C8.917.3O32.847.8Al1.00.8Si2.52.0Ca54.932.0PVA-0.3%C3.96.9O50.065.8Al3.93.1Si9.47.0Ca32.717.2%%2.5PVA纤维混凝土试件的XRD分析图6为10倍基准浓度溶液侵蚀-冻融循环作用下试件的XRD谱图。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.06.010.F006图610倍基准浓度溶液侵蚀-冻融循环作用下试件XRD谱图Fig.6XRD patterns of specimens under erosion-freeze-thaw cycle with 10 times benchmark concentration solution经过100次盐蚀-冻融循环作用，混凝土水化产物主要是石英和Ca(OH)2，盐蚀产物主要是AFt和石膏。从图6可以看出，在10°~50°范围内，PVA-0试件的石英结晶度以及生成量明显比PVA-0.3%试件好，主要是因为纤维的掺入占据混凝土试件内部一定的空间，降低混凝土的抗压强度。随着混凝土基材自身水化反应及外部复合盐侵蚀不断进行，未掺纤维的混凝土内部已无法承担过多的腐蚀产物，致使混凝土遭受破坏，但纤维的掺入提高混凝土的抗拉强度，保证试件的完整性。在10°~50°范围内，PVA-0试件AFt和石膏的结晶度明显高于PVA-0.3%试件。复合盐侵蚀下，素混凝土的腐蚀产物生成量比纤维混凝土多。AFt主要是由水泥水化产物C-A-H(水化铝酸钙)和外部SO42-以及OH-在以水为介质条件下发生反应生成。随着冻融循环次数的增加，PVA-0试件内部孔隙和裂缝不断增多，为更多离子进入混凝土内部提供侵蚀通道，从而生成大量的AFt，晶体膨胀导致试件破坏。PVA纤维在混凝土内部的拉结作用提高混凝土的抗拉强度，约束裂缝的生成，减少离子侵蚀通道，延缓腐蚀产物生成速率，抑制盐冻破坏。PVA-0试件中Ca(OH)2结晶度较差，峰值强度与生成物的百分含量成正比，其消耗速率明显比PVA-0.3%试件快。3结论（1）PVA纤维提高混凝土的抗拉强度，约束裂缝扩展，抑制盐冻胀引起的破坏作用，从而减少试件表面砂浆层的剥落以及孔洞的生成，使试件耐久性能得到提升。（2）PVA纤维的掺入可以显著提高混凝土抗盐冻的性能。随着侵蚀溶液浓度升高，PVA-0.3%试件的相对动弹性模量和质量损失率曲线波动最小，说明混凝土抗盐冻性能和纤维掺量呈正相关。（3）掺入PVA纤维降低水化产物Ca(OH)2的消耗速率，减少腐蚀产物的生成量，提高混凝土抗开裂性能，抑制微裂缝的生成与扩展，增强混凝土的抗盐冻性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.06.010.F007