飽和鋼纖維再生混凝土氯離子擴散特性研究*

金 浩，屈 鋒，2，孫浩然，石衛華，2，蔣凌云

(1.湖南科技大學 土木工程學院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學 結構抗風與震動控制湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201；3.吉首大學 張家界學院，湖南 張家界 427000)

0 引 言

隨城市化進程加快，混凝土需求量急劇增加，而自然環保要求不能過度開采，粗細骨料的生產使用在未來將面臨較大難題，對廢舊混凝土等建筑垃圾的回收利用成為合適的途徑，但其中的較多技術問題亟需解決。再生混凝土是用再生骨料部分或全部替代天然骨料拌制的一種新型生態混凝土[1-2]，它是目前建筑垃圾資源化利用技術研究和推廣的主要方向[3]，其有效地解決了天然砂石骨料日漸枯竭的難題，又充分合理地消耗現有的建筑垃圾，減輕建筑垃圾對自然環境造成的污染，實現混凝土產業、環境及自然資源的和諧發展[4-6]。

研究表明，再生混凝土存在很多缺陷，再生骨料質量是影響其性能的關鍵。為增加再生混凝土骨料的利用率，彌補再生骨料混凝土強度低、耐久性差等缺點，可將鋼纖維引入再生混凝土中，形成一種新型復合材料—鋼纖維再生混凝土[7]。鋼纖維材料于混凝土中可以同時提高再生混凝土的抗剪、抗拉和抗彎性能，阻止其裂紋的擴展并減小裂縫寬度[8]，提高材料的韌性，延長構件的壽命[9-10]，故將兩者有機結合，起到互補作用。目前，有關鋼纖維再生混凝土的力學性能研究已較為成熟[11-12]，但在耐久性這一方面的研究尚處于起步階段。本試驗對1%固定摻量的鋼纖維再生混凝土抗氯離子滲透性能進行研究，試驗混凝土中自由氯離子含量并擬合氯離子擴散系數，探究水灰比、鋼纖維、浸泡溶液濃度等因素對其氯離子擴散和氯離子擴散系數的影響規律，為工程實際應用提供參考。

1 實 驗

1.1 試驗原材料

(1)水泥：韶峰水泥P.O42.5，其性能指標見表1所示。

(2)天然砂：湘江中砂，表觀密度為2 670 kg/m3，堆積密度為1 420 kg/m3，含泥量0.9%，細度模數3.0，顆粒級配良好。

(3)再生粗骨料：來自湘潭本地城市建設中廢棄混凝土材料，基體混凝土強度為C30～C40，經人工破碎、清洗、篩分的合適粒徑，其粒形形貌圖如圖1所示，各項基本性能指標見表2。

(4)鋼纖維：江蘇“縱橫”牌鋼纖維，其性能見表3所示。

表1 水泥性能指標

表2 再生粗骨料基本性能指標

表3 鋼纖維的性能

1.2 鋼纖維再生混凝土配合比與試驗方法

本實驗根據GB/T 25177-2010《混凝土用再生粗骨料》、JGJ55-2011《普通混凝土配合比設計規程》、JG/T 472-2015《鋼纖維混凝土標準規范》確定鋼纖維混凝土原材料及配合比，設計不同水灰比、鋼纖維摻量相同(體積分數為1%)的3種混凝土，如表4所示。

表4 混凝土配合比

試驗采用自然浸泡法測試鋼纖維再生混凝土中氯離子的滲透性。按照設計配合比制作混凝土試件，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。標養28d后，從試塊澆注的4個側面選取一個光整面作浸透面，其余面用石蠟密封，然后分別放入質量分數為2.0%、3.5%、5.0%的氯化鈉溶液中浸泡至180d(每隔30d更換一次溶液)。到達規定浸泡時間后，用電鉆在試件上鉆孔0～5、5～10、10～15、15～20、20～25 mm深度，取得的混凝土粉末研磨至全部通過0.63 mm篩，然后置于105 ℃烘箱中烘2 h，取出后冷卻至室溫，按照《混凝土中氯離子含量檢測技術規程》(JGJ/T 322-2013)測試混凝土中水溶性氯離子(自由氯離子)含量。

2 結果與分析

2.1 自由氯離子含量

各試件在不同浸泡濃度下自由氯離子含量隨侵蝕深度的變化如圖1表示。

圖1 原材料及混凝土試件

圖2 不同濃度浸泡溶液再生混凝土中自由氯離子含量

由圖2可知，進入混凝土內部的自由氯離子含量隨浸泡液濃度的增加而增大，隨深度的增加而減小，當混凝土試件的深度達到20mm后自由氯離子含量逐漸趨于穩定，接近初始氯離子含量。相比較圖2(c)圖，圖2(a)、(b)所呈現的變化規律更加明顯：表層濃度差異較大，隨深度的增加濃度差逐漸減小。試件表面與溶液直接接觸，受侵蝕時間長，在濃度差的作用下氯離子遷移速度加快，特別在高水灰比的情況下，結構密實程度降低，增加了氯離子滲入的可能性，因此在淺層處濃度差異較大；而在試件的內部，由于受氯鹽影響的時間較短，同時雜布的鋼纖維減少了傳輸通道，濃度差隨深度的增加而逐漸減小。由此可見外界環境及水灰比的變化，對氯離子滲透性能有重要影響，尤其在離表層越近處，這與Mangat[13]的研究結論一致。

2.2 氯離子擴散系數

當混凝土處于水飽和狀態時，氯離子主要通過擴散方式進入混凝土，基于Fick 第二擴散定律的誤差函數解法模型形式簡潔、參數少而便于運用，能較好地反映氯離子在混凝土中的擴散規律。該模型適用于長期處在水飽和狀態中的混凝土結構，例如海洋水下區。Fick第二定律解析解可表示為：

(1)

式中：x為氯離子滲透深度，Cx,t為t時刻時距離表面深度為x時的氯離子濃度，C0為初始氯離子濃度，Cs為表面氯離子濃度，D為氯離子擴散系數，t為滲透時間，erf為誤差函數。

根據試驗所測得鋼纖維再生混凝土中自由氯離子含量，可擬合出氯離子含量與深度變化間的關系，如圖3所示。其中，式(1)中C0取值0.05，Cs取各組0～5 mm氯離子含量實測值，t為180 d。

圖3 不同浸泡濃度下自由氯離子含量擬合結果

基于Fick第二定律擬合所得到的各組混凝土中氯離子濃度分布情況與試驗結果基本吻合。

2.2.1 水灰比對氯離子擴散系數的影響

圖4表示鋼纖維摻入量為1%，不同浸泡液濃度下鋼纖維再生混凝土中氯離子擴散系數與水灰比間關系。由圖知，氯離子擴散系數隨水灰比的增加呈遞增趨勢，水灰比處于0.53至0.61階段時擴散系數增幅最大，分別為65%、62%、52%。低水灰比時，混凝土中孔隙大都由未水化的水泥顆粒填充，對提高密實度作用顯著，但對氯離子擴散系數的影響并不明顯；隨著水灰比的增大，一方面在水化過程中所形成的無規則的毛細孔增多，總孔隙率增加，其次生成的晶體導致界面過渡區結構疏松，為氯離子的滲入提供有利條件；另一方面包裹在水泥顆粒及鋼纖維外的水層厚度增加，在硬化過程中被蒸發出來，形成互相連通且數量級較大的滲水通道，降低了混凝土的密實度，使擴散系數變大，氯離子在混凝土中的擴散速率加快，同時進入混凝土中的氯離子增多，抗氯離子滲透性能逐漸變差。

圖4 水灰比對鋼纖維再生混凝土氯離子擴散系數的影響

由圖4知，相同溶液濃度下試件氯離子擴散系數的增長率隨著水灰比的增大而逐漸降低。分析原因可知，再生骨料具有很高的吸水率，使得混凝土在凝結硬化中的有效用水量進一步減少，結構更為致密，一定程度上彌補骨料缺陷帶來的不利影響，相應地減緩了氯離子的擴散趨勢，但隨著水灰比的增加，氯離子進入混凝土內部的速率持續增長，骨料缺陷開始逐漸占據主導地位。

2.2.2 鋼纖維的摻入對氯離子擴散系數的影響

如圖5，文獻[14-15]分別測定了不同水灰比下再生混凝土的氯離子擴散系數。對比本文試驗結果(3.5%氯鹽濃度)，可知鋼纖維再生混凝土的氯離子擴散系數遠小于同等條件下再生混凝土的氯離子擴散系數。鋼纖維的摻入一定程度上有利于增加再生混凝土基體密實度，減少了大孔徑的毛細孔數量，改善了孔結構特征，其次鋼纖維的亂向分布(如圖6)阻止了混凝土內部微裂縫的產生與發展，減少裂縫源頭和數量，使骨料與砂漿間的粘結更加緊密。同時，由于鋼纖維的加入，部分已經滲透進去的氯離子會與其發生電化學反應，參與鋼纖維的銹蝕過程，降低了氯離子的滲透速率。相比未摻加鋼纖維的再生混凝土，氯離子擴散系數大幅下降，抗氯鹽侵蝕性能有效提高。

圖5 鋼纖維對再生混凝土氯離子滲透系數的影響

圖6 鋼纖維亂向分布示意圖

2.2.3 外界環境對氯離子擴散系數的影響

圖7為不同浸泡液濃度下鋼纖維再生混凝土中氯離子擴散系數。由圖7可知，隨NaCl浸泡液濃度增加，氯離子擴散系數增大，但增加幅度逐漸趨于平緩。混凝土中氯離子的存在形式大致分為兩類：一是游離在孔隙溶液中的自由氯離子，二是被物理、化學吸附的結合態氯離子。已有文獻[16]表明：在外界氯鹽濃度較低時，氯離子在混凝土內以結合居多，自由滲透較少。本實驗中，隨浸泡溶液NaCl質量分數增加，濃度梯度等因素使得吸附化學勢相應增大，吸附氯離子的能力增強，同時加快氯離子在內部擴散的速率，氯離子的吸附量還遠未達到飽和狀態，滲透仍在繼續，擴散系數表現出增長的趨勢。但這種趨勢會隨氯鹽濃度的增加有所衰減，當吸附量不斷增加達到一定程度時，參與滲透的自由氯離子數量相應減少，氯離子的傳輸速率變慢，甚至在混凝土中自由氯離子和結合氯離子數量達到平衡狀態時，擴散系數將達到峰值，繼而緩慢下降。

圖7 浸泡液濃度與擴散系數間的關系

3 結 論

(1)侵入鋼纖維再生混凝土內部的氯離子含量由表及里逐漸減少，在20 mm左右趨于穩定；當外部環境變化時，混凝土表層處受影響最大。實際工程中做好表層防護和保護層厚度的控制對構件壽命的影響至關重要。

(2)鋼纖維再生混凝土中，減小水灰比可以減少滲水通道，降低氯離子在混凝土中的擴散速率，同時再生骨料的吸水特性在低水灰比時發揮作用，進一步降低水灰比，使結構更加致密。

(3)鋼纖維的摻入對再生混凝土而言能有效改善其孔結構，增強密實度，從而提高抵御氯鹽侵蝕的能力。

(4)氯離子擴散系數隨著外界氯鹽濃度的增加而增大，但受到混凝土內自由氯離子和結合氯離子間相互關系的影響而有所衰減。