不同酸性環(huán)境下玄武巖纖維混凝土抗壓強度的變化

黃 星

（遵義市水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，貴州 遵義 563000）

我國現(xiàn)有水庫9.8萬多座，是世界上水庫大壩最多的國家，這些水庫在生活中承擔(dān)著防洪治澇的艱巨任務(wù)[1]。我國在建和擬建的水庫大壩大多處于氣候、環(huán)境較為復(fù)雜的地區(qū)，技術(shù)難度和施工難度較大，并且水利水電工程建筑物在運行過程中常受到水壓力、凍融循環(huán)以及干濕循環(huán)等作用，給水工建筑物帶來了巨大的壓力，造成水工建筑物滲漏、老化、溶蝕破壞及腐蝕等問題[2]，這些外部條件的作用都會影響混凝土的耐久性，造成混凝土結(jié)構(gòu)的破壞，最終水庫將發(fā)展成為病險水庫。對于如何提高混凝土的物理力學(xué)性能和抗侵蝕耐久性，已引起國內(nèi)外學(xué)者的重點關(guān)注?；诖耍P者通過在傳統(tǒng)混凝土中摻入玄武巖纖維，其配比分別為0%、0.1%、0.2%、0.3%，用以分析添加玄武巖纖維后的混凝土物理力學(xué)性能和抗侵蝕耐久性能的提升效果。

1 試驗設(shè)計及方法

1.1 試驗材料

本試驗所用到的材料主要有水泥、粗骨料、細骨料、水、摻合料以及玄武巖纖維[3]。

1.2 混凝土配合比

本試驗根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ 55—2011）和《高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（DB37/T 5150—2019）進行混凝土配合比設(shè)計。本次試驗混凝土配合比設(shè)計如表1所示。

1.3 試驗方法

本試驗采用三種工況，研究不同侵蝕環(huán)境下，玄武巖纖維混凝土抗壓強度的變化。

工況一：硫酸鹽長期浸泡環(huán)境[4]，將配制好的5%硫酸鈉溶液倒入玄武巖混凝土試驗箱內(nèi)，溶液的液面高度需高于混凝土試件20 mm，調(diào)整溶液pH值為7~8。試驗時間持續(xù)56 d，做了7組抗壓試驗。

工況二：硫酸鹽與氯鹽長期浸泡環(huán)境，將配置好的10%氯鹽與5%硫酸鈉復(fù)合溶液倒入玄武巖混凝土試驗箱，溶液的液面高度需高于混凝土試件20 mm，調(diào)整溶液pH值為7~8。試驗時間持續(xù)56 d，做了7組抗壓試驗。

工況三：干濕循環(huán)-硫酸鹽與氯鹽長期浸泡環(huán)境[5-6]，試驗在干濕循環(huán)試驗機進行，試驗溫度為25℃~30 ℃，試驗每24 h為一次循環(huán)試驗。溶液的液面高度需高于混凝土試件20 mm，調(diào)整溶液pH值為7~8，試件風(fēng)干2 h、烘干6 h、制冷1 h，本次試驗采用固定干濕比1∶2，干濕周期為15 d和30 d，采用人工方式進行。

1.4 極限抗壓強度指標的變化

根據(jù)國家標準《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2002）中的規(guī)定[7-8]，試驗混凝土試件的抗壓強度計算公式如下所示：

式中，fcc為混凝土立方體試件的抗壓強度，MPa；F為混凝土試件破壞時荷載，N；A為混凝土試件的受壓面積，m2。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 硫酸鹽自然浸泡對抗壓強度的影響

硫酸鹽自然浸泡下混凝土抗壓強度與浸泡時間的關(guān)系如圖1所示。由圖可知，不同玄武巖纖維配比的混凝土在侵蝕后，強度隨著侵蝕時間的持續(xù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這是因為硫酸鹽侵蝕初期在混凝土內(nèi)部與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)物通過膨脹的形式，不斷地充滿混凝土中的空隙，使得混凝土變得更加密實，這就導(dǎo)致了混凝土在侵蝕初期，強度會隨著時間的持續(xù)而不斷地上升，但隨著侵蝕時間的不斷變長，反應(yīng)物的膨脹力也使得混凝土黏結(jié)性發(fā)生劣化[9-10]；在相同侵蝕時間時，摻入玄武巖纖維的混凝土試件抗壓強度明顯大于未摻入玄武巖纖維的試件抗壓強度，同時摻入玄武巖纖維的混凝土試件抗壓強度在侵蝕19 d后開始下降，而未摻入玄武巖纖維的混凝土試件在侵蝕9 d后抗壓強度就開始下降，這表明玄武巖纖維一定程度上可以提高混凝土的抗壓強度，適量的玄武巖纖維摻入可以提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。由于自然侵蝕試驗為期兩個月，所以混凝土試件在侵蝕過程中強度變化幅度較為緩慢。雖然摻入0.1%玄武巖纖維的混凝土在19 d時抗壓強度最大，但其抗壓強度下降速率比摻入0.2%玄武巖纖維的混凝土快，從中可以得出，摻入0.2%玄武巖纖維的混凝土整體抗壓性較強，穩(wěn)定性最佳。

圖1 硫酸鹽自然浸泡下混凝土抗壓強度與浸泡時間的關(guān)系

2.2 硫酸鹽-氯鹽自然浸泡下抗壓強度的變化

硫酸鹽-氯鹽自然浸泡下混凝土抗壓強度與浸泡時間的關(guān)系如圖2所示。由圖可知，硫酸鹽-氯鹽自然浸泡下，混凝土試件抗壓強度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，侵蝕初期時氯鹽-硫酸鹽侵蝕下抗壓強度增長慢于單硫酸鹽侵蝕環(huán)境。當(dāng)摻入0%、0.1%、0.2%、0.3%玄武巖纖維的混凝土的抗壓強度達到最大時，抗壓強度分別增長了24.00%、18.87%、20.28%、21.03%；但隨著侵蝕時間的增加，內(nèi)部侵蝕產(chǎn)物增加，孔隙和裂縫擴張，使得混凝土的抗壓強度降低。氯鹽-硫酸鹽對混凝土的破壞更為嚴重，混凝土力學(xué)性能下降快于單硫酸鹽環(huán)境，在侵蝕56 d后，其抗壓強度只分別增長了2.55%、4.68%、8.30%、3.01%，摻入0.2%玄武巖纖維的混凝土在整個試驗階段抗壓強度均大于其余混凝土，說明摻入0.2%玄武巖纖維的混凝土在硫酸鹽-氯鹽的自然浸泡環(huán)境下穩(wěn)定性最佳。

圖2 硫酸鹽-氯鹽自然浸泡下混凝土抗壓強度與浸泡時間的關(guān)系

2.3 干濕循環(huán)-硫酸鹽-氯鹽共同侵蝕下抗壓強度的變化

干濕循環(huán)-硫酸鹽-氯鹽侵蝕下混凝土抗壓強度與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖3所示。由圖可知，干濕循環(huán)下硫酸鹽-氯鹽侵蝕混凝土后，不同摻量玄武巖纖維的混凝土抗壓強度呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，且降低幅度高于自然浸泡環(huán)境。當(dāng)混凝土的抗壓強度達到最大時，對比初始值，強度分別增長了20.92%、14.94%、10.13%、16.98%，之后抗壓強度快速降低；干濕循環(huán)加速了離子與水泥水化產(chǎn)物的反應(yīng)，同時不斷的干濕交替，使得鹽結(jié)晶析出在混凝土內(nèi)部不斷發(fā)生，雙重作用下，混凝土被破壞，膠凝材料黏結(jié)性也被破壞，抗壓強度開始降低。當(dāng)干濕循環(huán)達到47次時，不同摻量玄武巖纖維的混凝土試件抗壓強度都低于初始抗壓強度，分別損失了23.85%、12.95%、11.64%、14.18%，最終造成了混凝土的抗壓強度呈負增長的情況。

圖3 干濕循環(huán)-硫酸鹽-氯鹽共同侵蝕下混凝土抗壓強度與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

3 結(jié)論

摻入玄武巖纖維提高了混凝土試件的抗壓強度和抗硫酸鹽侵蝕性能，其中0.2%摻入量對其提升最大，其次是0.1%摻入量，最后是0.3%摻入量；在侵蝕初期時，摻入玄武巖纖維的混凝土試件抗壓強度增長速率高于基準混凝土；在侵蝕后期，摻入玄武巖纖維的混凝土試件抗壓強度降低幅度都小于空白對照混凝土試件。干濕循環(huán)下硫酸鹽-氯鹽侵蝕環(huán)境中，對混凝土的破壞最為強烈。根據(jù)試驗成果，推薦在混凝土中摻入0.2%玄武巖纖維增強混凝土的抗壓強度及抗腐蝕能力。