火成巖纖維混凝土的抗氯離子滲透性能試驗研究

火成巖纖維混凝土的抗氯離子滲透性能試驗研究

徐東海

(溫州市甌飛開發建設管理委員會，溫州 325000)

摘要：通過改進的自然擴散法，對火成巖纖維混凝土進行抗氯離子滲透試驗。得出了自由氯離子濃度在混凝土內不同深度的分布情況，基于Fick第二定律對其進行擬合得到該混凝土的氯離子擴散系數。結果顯示摻入短切火成巖纖維后，混凝土的抗氯離子滲透性能得到提高。

關鍵詞：火成巖纖維；混凝土；氯離子滲透；擴散系數

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.03.012

Abstract:The experiments on chloride permeability of igneous fiber concrete are carried out with a new method based on the NT Build 443, the diffusion coefficient and the distribution of free chloride ion concentration at different depths can be summarized from the experiment.The results show that adding igneous fiber can improve the chloride-resisting characteristics of concrete.

收稿日期：2015-04-07.

基金項目：水利部公益性行業科研專項項目(200901065).

作者簡介：徐東海(1978-)，工程師.E-mail:waterworkers@126.com

Research on the Chloride Permeability of Igneous Fiber Concrete

XUDong-hai

(Development & Construction Management Committee of OUFEI-Reclamation, Wenzhou 325000, China)

Key words:igneous fiber;concrete;chloride penetration;diffusion coefficient

鋼筋混凝土結構結合了鋼筋與混凝土的優點，是當代社會應用最為廣泛的建筑形式[1]。然而，其耐久性問題也給國民經濟和人民生命安全帶來了巨大損失[2]。其中氯離子對鋼筋的侵蝕是水工混凝土耐久性問題中最為常見和普遍的。

連續火成巖纖維(CIF，Continue Igneous Fiber)是以天然的火山巖礦石作為原料，經高溫熔融后，通過鉑銠合金拉絲漏板制成的連續纖維[3]。該纖維主要成分為火山巖漿巖中SiO2，因此稱之為“火成巖纖維”。火成巖纖維有著優異的物理化學性能，而且相比碳纖維也有明顯的價格優勢，因此在工程領域有著廣泛的應用前景[4-6]。

現階段，國內外對于摻入火成巖纖維的混凝土的研究還比較少見，而對其抗氯離子滲透性能的研究更為罕見。該文通過改進后的自然擴散法，研究分析了火成巖纖維混凝土的抗氯離子滲透性能。

1原材料與配合比設計

1.1　原材料

水泥為錢潮P.C 32.5R復合硅酸鹽水泥；粗骨料為最大粒徑40 mm的礫石；細骨料為細度模數2.5的中細河沙；拌合水和養護水采用杭州當地自來水，不摻任何外加劑；硅粉由河南嘉恒耐火材料有限公司生產；粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰。

所用的短切火成巖纖維由浙江石金火成巖纖維有限公司生產，纖維單絲直徑為17～20 μm，長度17～20 mm。

1.2　試驗混凝土配合比

為了更直觀地體現火成巖纖維對混凝土的抗氯離子滲透性能的影響，設計了摻入粉煤灰和硅粉的配合比方案進行對比。試驗所用基準混凝土配合比見表1，摻合料摻量見表2。

表1　混凝土配合比　　/(kg·m -3)

表2　摻合料

2試驗

2.1　方法

1)自然擴散法自然擴散法即浸泡法[7]具體為：將尺寸為Φ100 mm×100 mm的圓柱試件，在20 ℃靜水中養護28 d后，平行于底面將其切為相同兩半，尺寸為Φ100 mm×50 mm，一半為試樣A，另一半為試樣B(用于測試混凝土中初始氯離子濃度)；然后：①將試樣A浸泡于飽和Ca(OH)2溶液中，每隔24 h稱其表干狀態質量，直至相鄰兩次稱量差值不超過質量的0.11%[7]；②將A在室溫下干燥至表干狀態，并在其側面和非暴露面用硅膠或者環氧樹脂進行密封，再將其浸泡于飽和Ca(OH)2溶液中，重復前一步驟；③將A在表干狀態下浸泡于質量分數為16.5%的氯化鈉(NaCl)溶液中，浸泡35 d；④隨后在暴露面磨粉取樣，用電極法測定不同深度的氯離子濃度。

2)改進的自然擴散法為了模擬近岸工程受潮影響產生的干濕循環，將自然擴散法進行適當修改：(1)所用NaCl溶液的質量分數改為5%；(2)將試件浸泡2 h，隨后在空氣中干燥46 h，并將此作為一個循環周期，該次試驗共需進行6個循環，即12 d。

該次試驗將采用改進后的自然擴散法進行試驗。且每個配比均成型三個相同的試件進行平行測定。

2.2　結果處理方法

1)氯離子濃度測試用研磨機將試件從暴露面開始向內部逐層取粉，每層厚度為2 mm。將粉樣通過0.63 mm的篩后，烘干待用。

將一定量的粉末,通常2~6 g(精確到0.000 1 g)，溶于100 mL蒸餾水，劇烈振蕩2 min后加入2 mL的離子穩定劑ISA，靜置48 h。隨后用Thermo 720A酸度計測試自由氯離子濃度(占粉末質量的百分比)[8]。

2)擴散系數水下結構或室內浸泡的試件，氯離子服從隨深度增加而降低的規律。該試驗將氯離子侵入形式簡化為擴散，則遵從Fick第二定律[9]

(1)

式中,C(x,t)為距離表面x(mm)處t(s)時刻混凝土中的氯離子濃度，%；Cs為表面氯離子濃度，%；C0為初始氯離子濃度，%；erf(·)為誤差函數。

將式(1)轉化得

(2)

假設擴散系數D是一個常數，不隨混凝土使用(暴露)時間而改變。另外，由于干濕循環以及雨水沖刷等原因，混凝土表面的氯離子濃度并不是最高，在距離表面一定深度才達到最大值，然后隨深度的增加逐漸降低[10,11],可以將試件表面到最大氯離子濃度的區域定義為對流區；氯離子濃度隨深度增加逐漸降低的區域定義為穩定擴散區。

如果考慮存在對流區，則基于Fick第二定律的誤差函數擬合，就需將對流區數據排除。將對流區和穩定擴散區界面的氯離子濃度C1作為擴散表面的氯離子濃度，可得到下列公式[9,11]

(3)

式中,C1為對流區與擴散區界面處氯離子濃度，%；Xc為對流區厚度，mm。

利用式(3)進行擬合，就排除了對流區的影響。試驗中，改進后的自然擴散法會導致混凝土表面產生對流區，因此數據分析時均采用式(3)進行擬合。

3結果與分析

3.1　不同深度的自由氯離子濃度

試驗后試件暴露面一側20 mm深范圍內的自由氯離子濃度見表3。

表3　不同深度的氯離子濃度　/%

根據表3可得不同深度的自由氯離子濃度分布趨勢圖，見圖1。

由圖1可見，在外側10 mm深度范圍內，摻火成巖纖維的混凝土試件中的自由氯離子濃度要低于素混凝土試件和摻粉煤灰的混凝土試件，但比摻硅粉的試件要高。由此可見，摻入火成巖纖維可以改善混凝土的抗氯離子滲透性能，但其改善效果要弱于硅粉。

3.2　擴散系數

由表3的試驗結果可見，該次試驗沒有出現預想的對流區，其原因可能是試驗周期較短，形成的對流區厚度小于2 mm，不過這對擬合過程不會造成任何影響。對表3中的數據按前述方法進行擬合，可得基于Fick第二定律的氯離子擴散系數，見表4。

表4　擴散系數　(×10 -11(m 2/s))

上述結果表明，摻入火成巖纖維的混凝土(A1)的氯離子擴散系數比素混凝土(A0)和粉煤灰混凝土(A3)的擴散系數低，但比摻硅粉的混凝土(A2)大，這又從另一個方面印證了火成巖纖維可以提高混凝土的抗氯離子滲透性能。該次擬合的相關系數都比較接近1.0，可見擬合結果較可靠。

4結論

通過改進后的自然擴散法，研究了摻入短切火成巖纖維的混凝土的抗氯離子滲透性能，得到以下結論：

a.摻入短切火成巖纖維后，混凝土的抗氯離子滲透性能得到提高。

b.在相同試驗環境及條件下，摻火成巖纖維的混凝土的抗氯離子滲透能力比摻粉煤灰的混凝土強，但比摻硅粉的低。

參考文獻

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