鹽蝕-干濕循環(huán)作用下玄武巖纖維混凝土腐蝕劣化試驗(yàn)研究

操 鏡,王 成,張茜茜,王洪宇,亓澤霖

(1.塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300;2.塔里木大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

新疆南部地處干旱沙漠性氣候區(qū)，全年降水量少，晝夜溫差大(晝夜溫差通常在12 ℃以上，最大溫差可達(dá)35.8 ℃)[1]。該地區(qū)的土壤以及地下水(地表水)中富含硫酸鹽、鎂鹽和氯鹽，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)許多既有混凝土建(構(gòu))筑物因遭受?chē)?yán)重的鹽漬土壤腐蝕和含鹽環(huán)境水侵蝕，產(chǎn)生了不同程度的混凝土腐蝕、開(kāi)裂、剝落和鋼筋銹蝕等耐久性病害，使其實(shí)際壽命遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)使用年限，由此造成的修繕、加固甚至拆除和重建，浪費(fèi)了大量的人力、物力和財(cái)力，嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)氐墓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速健康發(fā)展[2]。

玄武巖纖維混凝土(Basalt Fiber Reinforced Concrete,BFRC)，是以水泥混凝土作為基準(zhǔn)材料，通過(guò)添加適量的玄武巖纖維作為增強(qiáng)材料而形成一種新型復(fù)合型材料。玄武巖纖維材料因選自天然的玄武巖石料，經(jīng)過(guò)1 450～1 500 ℃融化后，經(jīng)過(guò)鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續(xù)纖維，具有良好的耐酸耐堿耐腐蝕性能，與混凝土具有天然的相容性，對(duì)混凝土有很好的增強(qiáng)增韌效果，被認(rèn)為是“21世紀(jì)的純天然高性能纖維”[3-4]。通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)資料的查閱可知，一些專(zhuān)家和學(xué)者[5-6]針對(duì)于BFRC在特定的鹽類(lèi)腐蝕環(huán)境下腐蝕劣化機(jī)理開(kāi)展了相關(guān)研究，認(rèn)為玄武巖纖維的摻入，對(duì)于混凝土的耐腐蝕耐堿具有一定提高作用。張?zhí)m芳[7]等人對(duì)不同玄武巖纖維摻量的混凝土進(jìn)行耐硫酸鹽腐蝕性研究。研究結(jié)果表明：纖維的摻入，改善了混凝土抵抗硫酸鹽腐蝕的能力，且當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.3%時(shí)，混凝土耐硫酸鹽腐蝕性能的效果較好。王振山[8]等人從宏觀現(xiàn)象、微觀離子分布及整體力學(xué)性能等方面對(duì)玄武巖纖維混凝土耐堿腐蝕性能進(jìn)行研究，并在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了堿侵蝕強(qiáng)度衰減模型。劉瑤[9]等人在混凝土中摻入適量玄武巖纖維，對(duì)玄武巖纖維混凝土試件的干縮性和抗氯離子滲透性等耐久性能指標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

本試驗(yàn)緊密結(jié)合該地區(qū)的氣候條件和鹽漬土壤環(huán)境，參考已發(fā)表文獻(xiàn)中各位專(zhuān)家學(xué)者[10-13]在開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)時(shí)所用的體積摻量，以摻入0%、0.1%、0.2%、0.3%玄武巖纖維，開(kāi)展復(fù)合鹽蝕-干濕循環(huán)作用下玄武巖纖維混凝土的腐蝕劣化試驗(yàn)研究，選取質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)以及相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，探究不同摻量玄武巖纖維混凝土在多種鹽共同作用下的耐久性能。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

1.1.1 水泥

采用某公司生產(chǎn)的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥(技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表1)。

表1 P.O42.5普通硅酸鹽水泥技術(shù)性能指標(biāo)

1.1.2 集料

均采用某砂石料廠，粗集料選取的是5～40 mm的連續(xù)級(jí)配卵石(性能指標(biāo)見(jiàn)表2)，細(xì)集料選取的是中砂，細(xì)度模數(shù)為2.7(性能指標(biāo)見(jiàn)表3)。

表2 粗集料主要性能指標(biāo)

表3 細(xì)集料主要性能指標(biāo)

1.1.3 玄武巖纖維

選用的是某公司生產(chǎn)的玄武巖纖維，其物理、力學(xué)性能如表4所示。

表4 玄武巖纖維物理、力學(xué)性能指標(biāo)

1.1.4 減水劑

選用TSX高性能減水劑，減水率為27%。

1.2 試件制備以及配合比設(shè)計(jì)

結(jié)合實(shí)際工程中的配合比要求，室內(nèi)外試驗(yàn)中的玄武巖纖維的摻量均為0%、0.1%、0.2%、0.3%，使用既有混凝土結(jié)構(gòu)中所用的常規(guī)原材料，按照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55-2011)[14]中規(guī)定的方法和步驟，確定試驗(yàn)室配合比(具體詳見(jiàn)表5)。根據(jù)《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)[15]的規(guī)定，本項(xiàng)目試驗(yàn)所用混凝土試件的尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，采用親水性脫模劑，為使試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效和便于試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，每種試驗(yàn)工況做1組試件，每組4個(gè)。

表5 混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 室內(nèi)試驗(yàn)方案

在該地區(qū)土壤積鹽最嚴(yán)重的春季，依據(jù)典型鹽漬土地區(qū)土壤表層0～5 cm處的SO42-、Mg2+、Cl-等離子含量(采用滴定法進(jìn)行測(cè)定離子)，配制濃度為1.99%的復(fù)合鹽溶液，以此作為復(fù)合鹽侵蝕溶液的基準(zhǔn)濃度，編號(hào)為B；考慮到進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比和試驗(yàn)的速度，按照復(fù)合鹽基準(zhǔn)濃度的5倍、10倍與清水進(jìn)行配制，編號(hào)分別為C、D、A(見(jiàn)表6)。干濕循環(huán)在常溫下進(jìn)行，采用自然浸泡和自然晾干來(lái)模擬位于本地區(qū)的實(shí)際混凝土建(構(gòu))筑物(如圖1、圖2所示)在役狀況。先在復(fù)合鹽溶液中浸泡7 d，取出后自然晾干8 d，一個(gè)干濕循環(huán)為15 d，試驗(yàn)共進(jìn)行75 d，每30 d更換一次溶液。

表6 復(fù)合鹽侵蝕溶液中各種鹽用量及溶液濃度

圖1 試件浸泡

圖2 試件自然晾干

1.3.2 室外試驗(yàn)方案

為探究該地區(qū)實(shí)際環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)所受鹽蝕-干濕循環(huán)作用下腐蝕劣化規(guī)律，故在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置試驗(yàn)點(diǎn)(如圖3所示)。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)點(diǎn)

埋置方法：試件在養(yǎng)護(hù)至齡期28 d的前2 d，先將需要進(jìn)行室外試驗(yàn)的試件進(jìn)行質(zhì)量和動(dòng)彈性模量檢測(cè)，然后把試件兩端分別標(biāo)記為A端、B端，并在混凝土長(zhǎng)度方向標(biāo)記混凝土編號(hào)，再將其運(yùn)到選定好的試驗(yàn)點(diǎn)。長(zhǎng)度方向(400 mm)埋入土壤中，埋深200 mm，并且試塊與試塊之間的距離為300 mm，A端朝上暴露在空氣中，B端朝下埋置在現(xiàn)場(chǎng)土壤中。

試驗(yàn)方法：從埋入土壤中開(kāi)始，每隔30 d取出埋入的試塊，表面清理干凈，進(jìn)行一次質(zhì)量和動(dòng)彈性模量檢測(cè)，并記錄所測(cè)得的數(shù)據(jù)。

1.3.3 評(píng)價(jià)參數(shù)的選取

《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/T50082-2009)中的規(guī)定為抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)為混凝土在抗硫酸鹽腐蝕劣化試驗(yàn)中的評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)文獻(xiàn)的查閱，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)于混凝土硫酸鹽的評(píng)價(jià)指標(biāo)選取有四種常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別為：(1)相對(duì)動(dòng)彈性模量下降到60%，為試塊的動(dòng)彈性模量破壞標(biāo)準(zhǔn)；(2)相對(duì)質(zhì)量下降到95%，為試塊的質(zhì)量破壞標(biāo)準(zhǔn)；(3)相對(duì)抗壓強(qiáng)度下降到75%，為試塊的抗壓強(qiáng)度破壞標(biāo)準(zhǔn)；(4)相對(duì)抗折強(qiáng)度下降到75%，為試塊的抗折強(qiáng)度破壞標(biāo)準(zhǔn)[16]。結(jié)合本試驗(yàn)的具體情況，本試驗(yàn)選取相對(duì)動(dòng)彈性模量和相對(duì)質(zhì)量損失兩個(gè)指標(biāo)，兩個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)參數(shù)計(jì)算如式[16](1)、式(2)

ω1=(Mr-0.95)/0.05

(1)

ω2=(Er-0.6)/0.4

(2)

ω1為相對(duì)質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)，當(dāng)ω1≧1時(shí)，代表相對(duì)質(zhì)量比基準(zhǔn)值增加，混凝土的性能在增加；當(dāng)0<ω1<1時(shí)，代表相對(duì)質(zhì)量比基準(zhǔn)的減少，但還未處于破壞狀態(tài)；當(dāng)ω1<0時(shí)，代表混凝土發(fā)生破壞，Mr為N次干濕循環(huán)后的相對(duì)質(zhì)量。

ω2為相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)，當(dāng)ω1≧1時(shí)，代表相對(duì)動(dòng)彈性模量比基準(zhǔn)值增加，混凝土的性能在增加；當(dāng)0<ω2<1時(shí)，代表相對(duì)動(dòng)彈性模量比基準(zhǔn)的減少，但還未處于破壞狀態(tài)；當(dāng)ω2<0時(shí)，代表混凝土發(fā)生破壞，Er為N次干濕循環(huán)后的相對(duì)動(dòng)彈性模量。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 試件的表觀損傷

2.1.1 室內(nèi)加速試驗(yàn)試件表觀損傷分析

經(jīng)過(guò)復(fù)合鹽蝕-干濕循環(huán)后，不同玄武巖纖維摻量的混凝土試件表觀產(chǎn)生了不同的劣化特征。其中，未摻入纖維的混凝土，在干濕循環(huán)30 d后試件的外觀開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)微裂紋紋路，且隨著復(fù)合鹽溶液濃度的提高，裂紋更明顯，呈現(xiàn)出龜裂狀(如圖4所示)。摻量為0.1%、0.2%玄武巖纖維混凝土試件在干濕循環(huán)后的45 d開(kāi)始出現(xiàn)裂紋(如圖5、圖6所示)。而摻量為0.3%的試件在清水、1倍、5倍復(fù)合鹽溶液中，總體上外觀沒(méi)有發(fā)生明顯變化，而在10倍的復(fù)合鹽溶液干濕循環(huán)60 d后出現(xiàn)細(xì)小裂紋紋路(如圖7所示)。另外，1倍、5倍、10倍復(fù)合鹽溶液中的混凝土試件的干濕部位(B端)表面形成了白色雪花狀物，生成的白色雪花狀物質(zhì)容易在混凝土的半封閉孔中發(fā)生集聚[17]，試件的200 mm交界部位最為明顯。

圖4 30 d的試件表觀特征

圖5 45 d摻量0.1%的試件表觀特征

圖6 45 d摻量0.2%的試件表觀特征

圖7 60 d摻量0.3%的試件表觀特征

2.1.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)試件表觀損傷分析

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的試件在前30d，外觀的形態(tài)沒(méi)有明顯變化，當(dāng)埋置60d后，埋置于土壤中的B端開(kāi)始出現(xiàn)微小變化，表面吸附著稀散的白色物質(zhì)(如圖8所示)，而最為明顯的是位于交界部位，交界部位的鹽分相對(duì)于土壤內(nèi)部的混凝土試件端面吸附較多，主要原因是土壤中的鹽分隨著水分而進(jìn)行遷移，而混凝土的交界部位所處的溫度和濕度相對(duì)于暴露在空氣中和埋置在土壤里面的變化較大，鹽分極易形成堆積。

圖8 60 d后室外混凝土試件表觀特征

從室內(nèi)加速試驗(yàn)的試件表觀損傷程度來(lái)看，摻入纖維的混凝土比未摻入纖維的混凝土的損傷程度要小，并且針對(duì)于0.1%、0.2%、0.3%這三種摻量而言，隨著纖維摻量的增加，混凝土的表觀損傷程度相對(duì)減??；在不同復(fù)合鹽溶液中，則表現(xiàn)出隨著復(fù)合鹽溶液濃度的升高，混凝土的表觀損傷相對(duì)增加?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的混凝土外觀所表現(xiàn)出的損傷現(xiàn)象變化也是呈現(xiàn)出隨著纖維的摻入的增大，混凝土試件表面損傷相對(duì)較小。

出現(xiàn)上述的表觀現(xiàn)象變化原因，主要是摻入的玄武巖纖維在混凝土中較為均勻的分布，對(duì)混凝土的內(nèi)部的細(xì)微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改善，玄武巖纖維的橋接作用，改變了混凝土因遭受復(fù)合鹽溶液侵蝕而形成的裂縫發(fā)展方向，分解成更多的細(xì)小裂紋，從而減緩了混凝土試件的破壞。

2.2 室內(nèi)外試件的相對(duì)質(zhì)量變化規(guī)律及對(duì)比

2.2.1 室內(nèi)試驗(yàn)試件相對(duì)質(zhì)量變化規(guī)律及對(duì)比

圖9、圖10、圖11、圖12 給出了不同種類(lèi)溶液下玄武巖纖維摻量分別在0%、0.1%、0.2%、0.3%時(shí)候的變化規(guī)律情況，從圖中可以看出，摻入纖維的混凝土相對(duì)質(zhì)量的變化波動(dòng)比未摻入纖維的要小，圖8中表明未摻入纖維的混凝土，在10倍的Na2SO4+MgSO4+NaCl復(fù)合鹽溶液中相對(duì)質(zhì)量隨著干濕循環(huán)天數(shù)的增加而逐漸增加，主要原因是鹽分隨著水分的滲入與水泥的水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)形成鈣礬石和水化氯鋁酸鈣[18]，其生成的鹽類(lèi)物質(zhì)的質(zhì)量大于混凝土中溶出量。因此，在侵蝕早期會(huì)形成質(zhì)量增加的現(xiàn)象。摻入0.1%、0.2%、0.3%玄武巖纖維混凝土，其相對(duì)質(zhì)量的變化趨于平緩，圖13、圖14、圖15對(duì)比分析可以看出纖維摻量在0.3%的時(shí)候，不同濃度的復(fù)合鹽溶液中混凝土的相對(duì)質(zhì)量比摻量為0.1%、0.2%所表現(xiàn)的性能要好。

圖9 0%玄武巖纖維摻量相對(duì)質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)變化

圖10 0.1%玄武巖纖維摻量相對(duì)質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)變化

圖11 0.2%玄武巖纖維摻量相對(duì)質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)變化

圖12 0.3%玄武巖纖維摻量相對(duì)質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)變化

圖13 室外不同玄武巖纖維摻量混凝土相對(duì)質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)變化

圖14 0%玄武巖纖維摻量相對(duì)動(dòng)彈性模量變化

圖15 0.1%玄武巖纖維摻量相對(duì)動(dòng)彈性模量變化

2.2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相對(duì)質(zhì)量變化規(guī)律及對(duì)比

通過(guò)每個(gè)月對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與檢測(cè)，從圖13中可以看出，玄武巖纖維摻量在0.3%的時(shí)候其相對(duì)質(zhì)量的變化，對(duì)比不摻入纖維以及摻量為0.1%和0.2%的纖維所表現(xiàn)的性能要好，能夠使得相對(duì)質(zhì)量整體維持在1.0左右。

從室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)的兩種試驗(yàn)制度對(duì)比來(lái)看，玄武巖纖維的摻入能夠有效的阻止混凝土遭受復(fù)合鹽溶液以及土壤中的鹽分的侵蝕，從本試驗(yàn)看出在纖維摻量為0.3%的時(shí)候，性能表現(xiàn)較為明顯，使得混凝土的相對(duì)質(zhì)量較為穩(wěn)定。

2.3 試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化規(guī)律

2.3.1 室內(nèi)試驗(yàn)試件相對(duì)動(dòng)彈模量變化規(guī)律及對(duì)比

從圖14、圖15、圖16、圖17中可以看出玄武巖纖維摻量在0%、0.1%、0.2%、0.3%下，B端部位不同復(fù)合鹽溶液中的相對(duì)動(dòng)彈模量變化情況，可以看出不同纖維摻量的混凝土，其相對(duì)動(dòng)彈性模量在前期出現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，且在5倍的Na2SO4+MgSO4+NaCl復(fù)合鹽溶液中最為明顯。

圖16 0.2%玄武巖纖維摻量相對(duì)動(dòng)彈性模量變化

圖17 0.3%玄武巖纖維摻量相對(duì)動(dòng)彈性模量變化

相對(duì)動(dòng)彈性模量的早期增強(qiáng)，從理論上進(jìn)行分析，可能是因?yàn)榛炷脸跗诘那治g，因?yàn)辂}分結(jié)晶物質(zhì)的生成，起到了一定的密實(shí)和填充作用，使得混凝土在強(qiáng)度以及質(zhì)量上都能有所提高。玄武巖纖維摻量在0.2%和0.3%時(shí)呈現(xiàn)一種波動(dòng)狀態(tài)的增強(qiáng)。

2.3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相對(duì)動(dòng)彈性模量變化規(guī)律及對(duì)比

如圖18所示，不同摻量的玄武巖纖維混凝土其相對(duì)動(dòng)彈性模量在早期的120 d其變化趨勢(shì)接近，趨于1.0左右，當(dāng)進(jìn)行120 d后玄武巖纖維摻量在0.3%時(shí)繼續(xù)增長(zhǎng)，達(dá)到180 d為一個(gè)峰點(diǎn)，此時(shí)摻量為0%、0.1%、0.2%的玄武巖纖維混凝土呈現(xiàn)小幅度的波動(dòng)增長(zhǎng)。圖中的變化從原理上進(jìn)行說(shuō)明，在前期120 d內(nèi)，混凝土內(nèi)部并沒(méi)有進(jìn)入鹽分而生成新的物質(zhì)，當(dāng)120 d后，鹽分開(kāi)始進(jìn)入內(nèi)部，早期混凝土的強(qiáng)度增加。

圖18 室外不同玄武巖纖維摻量混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量評(píng)價(jià)參數(shù)變化

3 結(jié)論

(1)纖維摻量越多，混凝土試件表面的可見(jiàn)裂縫越少，表觀損傷程度越輕。

(2)當(dāng)纖維摻量為0.3%時(shí)，試件的相對(duì)質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)變化波動(dòng)較摻量為0%、0.1%、0.2%的依次變小，說(shuō)明混凝土抵抗復(fù)合鹽侵蝕的性能隨纖維摻量的增加而增強(qiáng)。

(3)室內(nèi)外的相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)分析表明，室內(nèi)混凝土侵蝕開(kāi)始時(shí)間早于室外，且侵蝕的速度也較室外快，室外混凝土試件主要在210 d開(kāi)始進(jìn)入較為明顯的腐蝕階段，且劣化速度趨勢(shì)是0.3%<0.2%<0.1%<0%。