摻加碳納米纖維提高橋梁混凝土抗凍防腐性能的研究

楊江朋

(陜西鐵路工程職業技術學院,陜西渭南 714099)

我國公路事業迅猛發展,公路交通里程迅速增加,公路橋涵結構物的數量飛速增長,數量巨大的公路橋涵在給經濟發展帶來新鮮活力的同時,公路橋涵結構物的病害頻發問題已經成為困擾公路交通發展的巨大阻力。公路橋涵下部結構長期埋入土壤之中或浸泡在水體之中。水泥混泥土結構處于此種環境之中必然受到無機鹽的腐蝕。凍融循環造成的剝蝕[1],成為橋梁下部結構病害的主要原因。隨著材料科學的發展,以極大的長徑比[2]、極高的韌性及模量、來源廣泛、價格低廉[3]等優勢成為新的研究重點。本文針對橋梁墩柱混凝土的病害特點,研究將碳納米纖維摻入到橋梁墩柱混凝土后,對橋梁墩柱的抗腐蝕性、抗凍融循環剝蝕性的提高。

1 碳納米纖維改善橋梁混凝土耐久性的作用機理

將碳納米纖維摻入到水泥混凝土當中,經充分均勻的攪拌后,水泥顆粒和碳納米纖維之間在極化作用和吸附作用下,碳納米纖維的表面迅速被C-S-Н 包裹,碳納米纖維由于具有納米尺寸效應從而成為被水泥水化產物附著的核心點[4]。水泥的水化產物C3S 由于可以快速大量附著在由碳納米纖維充當的核心點上從而被更大程度的促進。進而使C3A 和C3S 最終的水化產物的形態被影響,形成較強的界面粘結力[5]。(1) 碳納米纖維混凝土耐腐蝕原理:碳納米纖維混凝土耐腐蝕的原因可以歸納為碳納米纖維的填充橋接現象,將碳納米纖維摻入到水泥混凝土當中經充分攪拌均勻后,碳納米纖維能夠使水泥混凝土的內部微小孔隙更加致密[6]。并且,碳納米纖維的界面效應也能夠降低混凝土內部孔隙率。二者相互協同作用有效地抵御水分子進入到水泥混凝土內部[7],從而抑制腐蝕性液體進入到混凝土內部造成混凝土結構性破壞。(2) 碳納米纖維混凝土抗凍融循環剝蝕原理:碳納米纖維是具有小尺寸效應,碳納米纖維的分子量接近水泥水化產物C-S-Н,同時超高的長徑比、超高比表面積及超強的力學韌性,可以修飾水泥混凝土作為脆性材料的缺陷[8]。碳納米纖維在水泥混凝土中相互交聯形成網絡格柵結構并將水泥的水化產物固定其中。同時輔以纖維的橋聯特性,在納米層級減少裂縫的發生和防止裂縫寬度的增大,減少由于應力集中造成的材料破壞[9]。

2 碳納米纖維分散性研究

碳納米纖維的直徑為納米級尺寸長度為微米級尺寸,超大的長徑比和超強的韌性使得碳納米纖維之間極易相互糾纏為顆粒狀態,并且碳納米纖維為惰性材料,化學鍵穩定,難激發活性,從而不易溶于水或一般有機試劑[10]。經研究發現,若使用未經分散的碳納米纖維改良水泥混凝土材料,在混凝土內部碳納米纖維呈現不規則、不均勻分布的狀態。不能很好地發揮碳納米纖維的優異性能。所以在使用碳納米纖維改良水泥混凝土性能之前需先使用分散劑對碳納米纖維進行預處理,增強碳納米纖維的分散性,提高碳納米纖維在水泥凝土中的溶解和分散效果,使其能夠均勻地分散在水泥混凝土內部。研究使用的分散劑為 LSP 型聚羧酸減水劑,產地為江蘇龍華材料有限公司,pН 值為7.1～8.2,減水率為 30%～40%,固含量為 25%,建議使用比重為 0.15%

碳納米纖維分散試驗過程如下:

采用НK-320L 超聲分散儀用于分散碳納米纖維,用量杯量取120mL 蒸餾水注入燒杯中編號1～9 組,每組稱25mg 碳納米纖維,稱取聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基苯磺酸鈉、聚羧酸減水劑三種分散劑,加入1～9 組燒杯中,攪拌制備不同濃度和不同種類的分散劑溶液,然后將碳納米纖維加入到1～9 組的分散劑溶液當中,進行分散,超聲分散參數為:運行20s,停歇5s,試驗環境溫度控制在35℃。而后將分散完畢的碳納米纖維懸浮液注入編號為1-9的廣口瓶中靜置觀察分層離析情況;并且將碳納米纖維懸浮液裝入10mL 離心管中,用4000r/min 電動離心機離心分離后觀察碳納米纖維的離心分離情況。離心過程中每隔3min 停下觀察記錄一次。根據分散試驗結果得出結論:聚羧酸減水劑分散碳納米纖維的效果最好,分散時間為 42min,濃度為 0.7g/L,分散功率為 45%。

3 碳納米纖維混凝土制備

橋梁墩柱混凝土在施工工程中常用水灰比為 0.38,結合現場實際工況,混凝土水灰比確定為 0.38;添加1.02% 聚羧酸減水劑。控制坍落度在 180～220 mm。本研究結合工程實際和結構混凝土耐久性基本要求,得出滿足設計和施工要求的試驗室水泥混凝土配合比為:強度:C50;水 泥:435kg/m3；水:171kg/m3；砂:766kg/m3；石:1101kg/m3；減水劑:4.33kg/m3；碳納米纖維:1.5kg/m3。空白對照組的配合比與試驗室配合比相同,但不加碳納米纖維。

4 碳納米纖維混凝土耐久性研究

4.1 抗腐蝕性研究

4.1.1 試驗方法

將養護28 天的混凝土試件放入10%的Na2SО4和5%的MgSО4復合鹽腐蝕溶液中進行進行浸泡,試驗過程中控制環境及溶液溫度在20℃左右,每35 天更換一次鹽溶液,目的是保證溶液濃度不變。本試驗以質量損失變化作為評價指標,每隔35 天擦干試件表面水分后,用電子天平測量試件重量。

4.1.2 試驗外觀分析

試件在腐蝕性溶液中浸泡180 天后,時間外觀未見明顯變化,未添加碳納米纖維混凝土的試件表面出現了少量白色絮狀物和鹽類結晶,邊角有輕微的剝落。添加碳納米纖維的水泥混凝土試件無明顯變化,如圖1 所示。

圖1 耐腐蝕性試驗試件外觀Fig.1 Appearance of corrosion resistance test specimen

4.1.3 質量損失率分析

對摻碳納米纖維混凝土和未摻碳納米纖維混凝土兩種試件在復合鹽溶液中經180 天浸泡后混凝土質量損失率進行匯總,如圖2 所示。

圖2 耐腐蝕性試驗質量損失率統計Fig.2 Statistics of mass loss rate in corrosion resistance test

從圖 2 中可以看出,未摻加碳納米纖混凝土的試件經過180 天的浸泡腐蝕后其質量增加,這說明在復合鹽溶液中,溶液中的鹽類滲透進了混凝土內部,隨著浸泡時間的延長,混凝土孔隙中的鹽類積累越來越多,逐漸飽和發生結晶,后產生膨脹破壞;而摻加了碳納米纖維混凝土的試件由于碳納米纖維在納米層級對水泥混凝土起到填充作用,使材料密實能抵抗腐蝕性鹽隨著溶液進入到混凝土內部,從而起到了抗腐蝕性破壞的作用。

4.2 抗凍性能

4.2.1 試驗方法

本文采取快凍法進行混凝土抗凍性試驗。將棱柱體試件養護28 天后,放入快速凍融循環機進行抗凍性試驗。凍融循環溫度為6～-20 ℃,一次循環時間為3～6 h,一天循環4～6 次,每15 次或25 次循環測量一次質量損失。

4.2.2 試驗外觀分析

混凝土試件在試驗室快速凍融循環下外觀發生明顯變化。添加0.15% 碳納米纖維的水泥混凝土試件,試件表面完好無損;未添加碳納米纖維的混凝土試件,試件表面粗糙出現許多麻點和蝕坑,表面膠凝材料流失,表面細集料裸露,出現起砂現象,嚴重者表面細集料完全脫落。具體變化如圖3 所示。

圖3 抗凍性試驗試件外觀Fig.3 Appearance of the frost resistance test specimen

4.2.3 質量損失率分析

水泥混凝土試件經過凍融循環后,混凝土整體外觀發生明顯的變化,對摻碳納米纖維混凝土和未摻碳納米纖維混凝土兩種試件在凍融循環后混凝土質量損失率進行匯總。如圖4 所示。

圖4 抗凍性試驗質量損失率統計Fig.4 Statistics of quality loss rate in frost resistance test

從圖4 中可以看出,摻加碳納米纖維的水泥混凝土試件的質量損失率曲線為一條平緩的直線,承受相同凍融循環次數的情況下,質量損失很小,表現出非常優良的抗凍融循環性能。與之相對應的是未摻加碳納米纖維的水泥混凝土試件,質量損失率最高達2.2%。這主要是由于碳納米纖維起橋接作用,既阻止了水分的進入又降低了由于溫度應力帶來的混凝土內部孔隙的應力集中,減輕了受凍融循環造成的開裂剝蝕破壞。

5 結語

本文主要研究了碳納米纖維的分散特性以及在水泥混凝土中摻加了碳納米纖維后對水泥混凝土的耐腐蝕、抗凍融循環剝蝕性能的改善。研究結果證明,碳納米纖維以聚羧酸減水劑為分散劑時分散效果最理想。碳納米纖維能夠有效地提高水泥混凝土的硫酸鹽腐蝕性能以及有效地避免水泥混凝土因凍融循環造成的剝蝕破壞,在橋梁下部結構中具有非常大的應用前景。由于篇幅限制,本研究關于碳納米纖維對抵抗硫酸鹽的內源性腐蝕的效果及未能做更加詳細深入的研究,后續應對課題進行深入量化的研究。