鹽蝕-干濕循環作用下玄武巖纖維混凝土腐蝕劣化試驗研究

操 鏡,王 成,張茜茜,王洪宇,亓澤霖

(1.塔里木大學水利與建筑工程學院，新疆 阿拉爾 843300;2.塔里木大學經濟與管理學院，新疆 阿拉爾 843300)

新疆南部地處干旱沙漠性氣候區，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35.8 ℃)[1]。該地區的土壤以及地下水(地表水)中富含硫酸鹽、鎂鹽和氯鹽，導致區域內許多既有混凝土建(構)筑物因遭受嚴重的鹽漬土壤腐蝕和含鹽環境水侵蝕，產生了不同程度的混凝土腐蝕、開裂、剝落和鋼筋銹蝕等耐久性病害，使其實際壽命遠低于設計使用年限，由此造成的修繕、加固甚至拆除和重建，浪費了大量的人力、物力和財力，嚴重制約了當地的工農業生產以及經濟社會快速健康發展[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材料，通過添加適量的玄武巖纖維作為增強材料而形成一種新型復合型材料。玄武巖纖維材料因選自天然的玄武巖石料，經過1 450～1 500 ℃融化后，經過鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續纖維，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，對混凝土有很好的增強增韌效果，被認為是“21世紀的純天然高性能纖維”[3-4]。通過相關文獻資料的查閱可知，一些專家和學者[5-6]針對于BFRC在特定的鹽類腐蝕環境下腐蝕劣化機理開展了相關研究，認為玄武巖纖維的摻入，對于混凝土的耐腐蝕耐堿具有一定提高作用。張蘭芳[7]等人對不同玄武巖纖維摻量的混凝土進行耐硫酸鹽腐蝕性研究。研究結果表明：纖維的摻入，改善了混凝土抵抗硫酸鹽腐蝕的能力，且當玄武巖纖維摻量為0.3%時，混凝土耐硫酸鹽腐蝕性能的效果較好。王振山[8]等人從宏觀現象、微觀離子分布及整體力學性能等方面對玄武巖纖維混凝土耐堿腐蝕性能進行研究，并在試驗的基礎上提出了堿侵蝕強度衰減模型。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進行了試驗研究。

本試驗緊密結合該地區的氣候條件和鹽漬土壤環境，參考已發表文獻中各位專家學者[10-13]在開展相關試驗時所用的體積摻量，以摻入0%、0.1%、0.2%、0.3%玄武巖纖維，開展復合鹽蝕-干濕循環作用下玄武巖纖維混凝土的腐蝕劣化試驗研究，選取質量評價參數以及相對動彈性模量評價參數為主要評價指標，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

1.1 原材料

1.1.1 水泥

采用某公司生產的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥(技術性能指標見表1)。

表1 P.O42.5普通硅酸鹽水泥技術性能指標

1.1.2 集料

均采用某砂石料廠，粗集料選取的是5～40 mm的連續級配卵石(性能指標見表2)，細集料選取的是中砂，細度模數為2.7(性能指標見表3)。

表2 粗集料主要性能指標

表3 細集料主要性能指標

1.1.3 玄武巖纖維

選用的是某公司生產的玄武巖纖維，其物理、力學性能如表4所示。

表4 玄武巖纖維物理、力學性能指標

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計

結合實際工程中的配合比要求，室內外試驗中的玄武巖纖維的摻量均為0%、0.1%、0.2%、0.3%，使用既有混凝土結構中所用的常規原材料，按照《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ55-2011)[14]中規定的方法和步驟，確定試驗室配合比(具體詳見表5)。根據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082-2009)[15]的規定，本項目試驗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，為使試驗數據準確有效和便于試驗結果對比，每種試驗工況做1組試件，每組4個。

表5 混凝土配合比設計

1.3 試驗方案

1.3.1 室內試驗方案

在該地區土壤積鹽最嚴重的春季，依據典型鹽漬土地區土壤表層0～5 cm處的SO42-、Mg2+、Cl-等離子含量(采用滴定法進行測定離子)，配制濃度為1.99%的復合鹽溶液，以此作為復合鹽侵蝕溶液的基準濃度，編號為B；考慮到進行試驗對比和試驗的速度，按照復合鹽基準濃度的5倍、10倍與清水進行配制，編號分別為C、D、A(見表6)。干濕循環在常溫下進行，采用自然浸泡和自然晾干來模擬位于本地區的實際混凝土建(構)筑物(如圖1、圖2所示)在役狀況。先在復合鹽溶液中浸泡7 d，取出后自然晾干8 d，一個干濕循環為15 d，試驗共進行75 d，每30 d更換一次溶液。

表6 復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 室外試驗方案

為探究該地區實際環境中混凝土結構所受鹽蝕-干濕循環作用下腐蝕劣化規律，故在現場設置試驗點(如圖3所示)。

圖3 現場試驗點

埋置方法：試件在養護至齡期28 d的前2 d，先將需要進行室外試驗的試件進行質量和動彈性模量檢測，然后把試件兩端分別標記為A端、B端，并在混凝土長度方向標記混凝土編號，再將其運到選定好的試驗點。長度方向(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端朝下埋置在現場土壤中。

試驗方法：從埋入土壤中開始，每隔30 d取出埋入的試塊，表面清理干凈，進行一次質量和動彈性模量檢測，并記錄所測得的數據。

1.3.3 評價參數的選取

《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T50082-2009)中的規定為抗壓強度耐蝕系數為混凝土在抗硫酸鹽腐蝕劣化試驗中的評價指標，通過文獻的查閱，發現國內外學者針對于混凝土硫酸鹽的評價指標選取有四種常用的評價指標，分別為：(1)相對動彈性模量下降到60%，為試塊的動彈性模量破壞標準；(2)相對質量下降到95%，為試塊的質量破壞標準；(3)相對抗壓強度下降到75%，為試塊的抗壓強度破壞標準；(4)相對抗折強度下降到75%，為試塊的抗折強度破壞標準[16]。結合本試驗的具體情況，本試驗選取相對動彈性模量和相對質量損失兩個指標，兩個指標評價參數計算如式[16](1)、式(2)

ω1=(Mr-0.95)/0.05

(1)

ω2=(Er-0.6)/0.4

(2)

ω1為相對質量評價參數，當ω1≧1時，代表相對質量比基準值增加，混凝土的性能在增加；當0<ω1<1時，代表相對質量比基準的減少，但還未處于破壞狀態；當ω1<0時，代表混凝土發生破壞，Mr為N次干濕循環后的相對質量。

ω2為相對動彈性模量評價參數，當ω1≧1時，代表相對動彈性模量比基準值增加，混凝土的性能在增加；當0<ω2<1時，代表相對動彈性模量比基準的減少，但還未處于破壞狀態；當ω2<0時，代表混凝土發生破壞，Er為N次干濕循環后的相對動彈性模量。

2 結果分析與討論

2.1 試件的表觀損傷

2.1.1 室內加速試驗試件表觀損傷分析

經過復合鹽蝕-干濕循環后，不同玄武巖纖維摻量的混凝土試件表觀產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30 d后試件的外觀開始出現細微裂紋紋路，且隨著復合鹽溶液濃度的提高，裂紋更明顯，呈現出龜裂狀(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后的45 d開始出現裂紋(如圖5、圖6所示)。而摻量為0.3%的試件在清水、1倍、5倍復合鹽溶液中，總體上外觀沒有發生明顯變化，而在10倍的復合鹽溶液干濕循環60 d后出現細小裂紋紋路(如圖7所示)。另外，1倍、5倍、10倍復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容易在混凝土的半封閉孔中發生集聚[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 現場試驗試件表觀損傷分析

現場試驗的試件在前30d，外觀的形態沒有明顯變化，當埋置60d后，埋置于土壤中的B端開始出現微小變化，表面吸附著稀散的白色物質(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于土壤內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行遷移，而混凝土的交界部位所處的溫度和濕度相對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

從室內加速試驗的試件表觀損傷程度來看，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減??；在不同復合鹽溶液中，則表現出隨著復合鹽溶液濃度的升高，混凝土的表觀損傷相對增加。現場試驗的混凝土外觀所表現出的損傷現象變化也是呈現出隨著纖維的摻入的增大，混凝土試件表面損傷相對較小。

出現上述的表觀現象變化原因，主要是摻入的玄武巖纖維在混凝土中較為均勻的分布，對混凝土的內部的細微觀結構進行了改善，玄武巖纖維的橋接作用，改變了混凝土因遭受復合鹽溶液侵蝕而形成的裂縫發展方向，分解成更多的細小裂紋，從而減緩了混凝土試件的破壞。

2.2 室內外試件的相對質量變化規律及對比

2.2.1 室內試驗試件相對質量變化規律及對比

圖9、圖10、圖11、圖12 給出了不同種類溶液下玄武巖纖維摻量分別在0%、0.1%、0.2%、0.3%時候的變化規律情況，從圖中可以看出，摻入纖維的混凝土相對質量的變化波動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復合鹽溶液中相對質量隨著干濕循環天數的增加而逐漸增加，主要原因是鹽分隨著水分的滲入與水泥的水化產物發生反應形成鈣礬石和水化氯鋁酸鈣[18]，其生成的鹽類物質的質量大于混凝土中溶出量。因此，在侵蝕早期會形成質量增加的現象。摻入0.1%、0.2%、0.3%玄武巖纖維混凝土，其相對質量的變化趨于平緩，圖13、圖14、圖15對比分析可以看出纖維摻量在0.3%的時候，不同濃度的復合鹽溶液中混凝土的相對質量比摻量為0.1%、0.2%所表現的性能要好。

圖9 0%玄武巖纖維摻量相對質量評價參數變化

圖10 0.1%玄武巖纖維摻量相對質量評價參數變化

圖11 0.2%玄武巖纖維摻量相對質量評價參數變化

圖12 0.3%玄武巖纖維摻量相對質量評價參數變化

圖13 室外不同玄武巖纖維摻量混凝土相對質量評價參數變化

圖14 0%玄武巖纖維摻量相對動彈性模量變化

圖15 0.1%玄武巖纖維摻量相對動彈性模量變化

2.2.2 現場試驗相對質量變化規律及對比

通過每個月對現場試驗數據的采集與檢測，從圖13中可以看出，玄武巖纖維摻量在0.3%的時候其相對質量的變化，對比不摻入纖維以及摻量為0.1%和0.2%的纖維所表現的性能要好，能夠使得相對質量整體維持在1.0左右。

從室內和現場的兩種試驗制度對比來看，玄武巖纖維的摻入能夠有效的阻止混凝土遭受復合鹽溶液以及土壤中的鹽分的侵蝕，從本試驗看出在纖維摻量為0.3%的時候，性能表現較為明顯，使得混凝土的相對質量較為穩定。

2.3 試件的相對動彈性模量變化規律

2.3.1 室內試驗試件相對動彈模量變化規律及對比

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端部位不同復合鹽溶液中的相對動彈模量變化情況，可以看出不同纖維摻量的混凝土，其相對動彈性模量在前期出現增長趨勢，且在5倍的Na2SO4+MgSO4+NaCl復合鹽溶液中最為明顯。

圖16 0.2%玄武巖纖維摻量相對動彈性模量變化

圖17 0.3%玄武巖纖維摻量相對動彈性模量變化

相對動彈性模量的早期增強，從理論上進行分析，可能是因為混凝土初期的侵蝕，因為鹽分結晶物質的生成，起到了一定的密實和填充作用，使得混凝土在強度以及質量上都能有所提高。玄武巖纖維摻量在0.2%和0.3%時呈現一種波動狀態的增強。

2.3.2 現場試驗相對動彈性模量變化規律及對比

如圖18所示，不同摻量的玄武巖纖維混凝土其相對動彈性模量在早期的120 d其變化趨勢接近，趨于1.0左右，當進行120 d后玄武巖纖維摻量在0.3%時繼續增長，達到180 d為一個峰點，此時摻量為0%、0.1%、0.2%的玄武巖纖維混凝土呈現小幅度的波動增長。圖中的變化從原理上進行說明，在前期120 d內，混凝土內部并沒有進入鹽分而生成新的物質，當120 d后，鹽分開始進入內部，早期混凝土的強度增加。

圖18 室外不同玄武巖纖維摻量混凝土相對動彈模量評價參數變化

3 結論

(1)纖維摻量越多，混凝土試件表面的可見裂縫越少，表觀損傷程度越輕。

(2)當纖維摻量為0.3%時，試件的相對質量評價參數變化波動較摻量為0%、0.1%、0.2%的依次變小，說明混凝土抵抗復合鹽侵蝕的性能隨纖維摻量的增加而增強。

(3)室內外的相對動彈性模量評價參數分析表明，室內混凝土侵蝕開始時間早于室外，且侵蝕的速度也較室外快，室外混凝土試件主要在210 d開始進入較為明顯的腐蝕階段，且劣化速度趨勢是0.3%<0.2%<0.1%<0%。