干濕循環下廢棄纖維再生混凝土氯離子傳輸性能

康天蓓，劉 昱，周靜海，王鳳池，張逸超

（沈陽建筑大學土木工程學院，遼寧沈陽 110168）

再生混凝土的推廣應用緩解了土地資源侵占和自然資源匱乏等生態問題［1］.除建筑垃圾外，僅2020年中國化學纖維產量達6 126.5萬t，較2019年增長了4.1%［2］.將廢棄地毯紡織纖維作為增強纖維加入再生混凝土中，可以有效改善再生粗骨料帶來的力學性能、耐久性能劣化等問題［1，3］，并充分利用建筑和生活垃圾，具有“以廢治廢”的重要意義.

氯離子侵蝕是造成混凝土結構性能退化、提前退出服役的主要耐久性問題［4］.吳慶令等［5］提出干濕循環條件下，氯離子擴散系數隨著曝露時間的增加而降低.尹世平等［6］研究發現，當氯鹽溶液質量分數為5%時，隨著干濕循環次數的增加，纖維束與混凝土界面性能呈下降趨勢.再生混凝土中由于骨料表面附著老舊砂漿和多重界面過渡區（ITZ）的存在，使氯離子擴散速率加快［7-8］，而加入各類纖維可使水泥基體的孔隙發生變化［9-10］，從而影響氯離子的擴散.

本文研究了干濕循環次數、再生粗骨料取代率wRA和廢棄纖維體積分數φWF對廢棄纖維再生混凝土（WFRC）氯離子傳輸性能的影響，并測試了隨著侵蝕深度的增加氯離子含量分布情況，同時在細觀尺度上分析了廢棄纖維再生混凝土中氯離子的傳輸機理.

1 試驗

1.1 原材料

天然粗骨料（NA）為天然碎石；再生粗骨料（RA）是將原始強度C40、齡期2 a的混凝土板，經人工破碎、篩分等一系列過程制備而成，其物理力學性能見表1.細骨料為天然河砂，細度模數為2.7，表觀密度為2 620 kg/m3.水泥采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥.廢棄纖維來自廢棄的丙綸地毯，單絲廢棄纖維的密度為0.91 g/cm3，極限伸長率為1.73%，吸水率1）文中涉及的吸水率、含量、水灰比等除特殊說明外均為質量分數或質量比.小于0.1%，經人工拆分、去除雜質后制備成廢棄纖維束.

表1 再生粗骨料的物理力學性能Table 1 Physical and mechanical properties of recycled coarse aggregates

1.2 配合比與試件制備

根據文獻［1，3］，制備WFRC的用水量分為凈用水量和附加用水量，在計算有效水灰比時，不考慮附加用水量，采用凈用水量進行計算；附加用水量由表1中再生粗骨料的絕對吸水率計算得到.WFRC的水灰比mW/mC為0.5，其配合比見表2.

表2 WFRC的配合比Table 2 Mix proportion of WFRC

WFRC的制備方法為：將水泥和細骨料倒入攪拌機內攪拌至均勻，接著將廢棄纖維分散地投入攪拌機中攪拌1 min，加水繼續攪拌1 min，至水泥砂漿均勻，再加入粗骨料拌制2～3 min，最后將拌和物倒入模具，24 h后脫模，放入標準養護室中養護至28 d后進行試驗.

1.3 試驗方法

氯離子傳輸試驗試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，測定自由氯離子含量wfree和總氯離子含量wtotal，每個編號進行3次平行試驗，結果取平均值.NaCl溶液濃度為0.6 mol/L，定義實驗室內每個干濕循環周期內試件失水量和吸水量相同時為平衡狀態.干濕循環制度為：浸泡2 d、晾干3 d為1個循環，設置浸泡時間t=30、60、90 d，分別對應6、18、90個循環.

WFRC試件浸泡前將5個面用環氧樹脂封閉，浸泡達到預定時間后，除去環氧樹脂，將非封閉面在混凝土打磨機上逐層磨粉，每2 mm為1層并取樣；將所得樣品通過0.63 mm篩，并置于（105±5）℃的烘箱內2 h，取出后放入干燥箱中冷卻至室溫備用.用S-4800掃描電子顯微鏡（SEM）觀測WFRC樣品的微觀形貌.

滴定終點的顏色是判定氯離子含量的重要標準.根據JTJ 270-98《水運工程混凝土試驗規程》及文獻［9，11］，滴定終點為磚紅色，而JGJ/T 322—2013《混凝土中氯離子含量檢測技術規程》將滴定終點更改為桃紅色.按照2種終點顏色進行精確配置，對已知濃度的氯化鈉標準溶液進行驗證，發現桃紅色的結果與真實值更接近，這是因為當溶液滴定至呈磚紅色時，硝酸銀溶液已過量，以略帶桃紅色的黃色不消失作為滴定終點的判定顏色則與真實值更接近，因此，本文總氯離子含量測試以桃紅色為滴定終點.

2 結果與分析

2.1 再生粗骨料取代率對自由氯離子含量影響

不同再生粗骨料取代率對WFRC中自由氯離子含量的影響見圖1.由圖1可見，各試件曲線形態相同：第1階段，隨著侵蝕深度的增加，WFRC中自由氯離子含量增加；第2階段，隨著侵蝕深度的繼續增加，WFRC中自由氯離子含量減小，曲線形態先迅速下降，然后趨于平緩.在曲線的第1階段，氯離子的主要侵蝕模式為對流作用，“對流區”侵蝕深度為0～5 mm，對流作用主要是由于孔隙飽和度處于非均勻狀態，孔隙液在場的作用下而發生的滲流［12］；在曲線的第2階段，氯離子侵蝕模式主要為擴散作用，稱為“擴散區”.表層氯離子含量峰值的形成是對流和擴散這2種作用耦合的結果，而在長期浸泡下，表層區不存在離子的對流作用，因此不會形成局部氯離子含量峰值，表現出顯著的擴散特征［13］.

由圖1還可見：在“擴散區”，隨著再生粗骨料取代率的增加，相同侵蝕深度下自由氯離子含量增加；隨著侵蝕深度的繼續增加，自由氯離子含量逐漸趨于相等.不同再生粗骨料取代率下WFRC中自由氯離子含量的提高率見表3，表中Δw0-50和Δw50-100分別為再生粗骨料取代率由0%提高到50%、50%提高到100%時WFRC中自由氯離子含量的提高率.由表3可見：再生粗骨料取代率對“擴散區”的影響程度大于“對流區”，隨著侵蝕時間的增加其影響程度逐漸減小，曲線峰值右移，但由于毛細吸附和對流耦合作用較復雜，因此規律性不強；再生粗骨料取代率由50%提高到100%時，其對自由氯離子含量的影響程度增大.

圖1 不同再生粗骨料取代率對WFRC中自由氯離子含量的影響Fig.1 Effect of different w RA on w free in WFRC

表3 不同再生粗骨料取代率下WFRC中自由氯離子含量的提高率Table 3 Incr ease r ate of w free in WFRC under differ ent w RA

2.2 廢棄纖維體積分數對自由氯離子含量影響

不同廢棄纖維體積分數對WFRC中自由氯離子含量的影響見圖2；不同廢棄纖維體積分數下自由氯離子含量的提高率見表4，表中Δw0.08-0.12、Δw0.12-0.16分別為廢棄纖維體積分數φWF由0.08%提高到0.12%、由0.12%提高到0.16%時WFRC中自由氯離子含量的提高率.由圖2和表4可見：廢棄纖維體積分數對WFRC“對流區”的影響較大，數據規律不明顯；φWF=0.12%的試件“擴散區”水泥基體中自由氯離子含量最小，隨著干濕循環次數增加，廢棄纖維體積分數對WFRC中自由氯離子含量的影響程度減小；當φWF=0.16%時，WFRC中自由氯離子含量增加程度明顯.

表4 不同廢棄纖維體積分數下WFRC中自由氯離子含量的提高率Table 4 Increase rate of w fr ee in WFRC under differentφWF

圖2 不同廢棄纖維體積分數對WFRC中自由氯離子含量的影響Fig.2 Effect of differentφWF on w free in WFRC

2.3 干濕循環次數對自由氯離子含量影響

由圖1、2可見：隨著干濕循環次數的增加，WFRC中自由氯離子含量和曲線峰值逐漸增大，峰值點的侵蝕深度基本保持一致，在該侵蝕深度下干濕循環機制達到了平衡狀態；廢棄纖維體積分數對自由氯離子含量的影響程度低于再生粗骨料取代率；干濕循環次數對再生粗骨料混凝土自由氯離子含量的影響較大，RC50在干濕循環18次時的自由氯離子含量峰值是其干濕循環6次時的1.32倍，是天然混凝土NC的1.1倍，這是因為再生混凝土的多重ITZ、骨料表面的老舊砂漿和高孔隙率為氯離子侵入提供了更多的途徑；FRC50-0.12的曲線形態不如其他試件光滑，主要由于在制備砂漿試樣時有纖維摻入其中，纖維表面易吸附氯離子，增加了該侵蝕深度下的自由氯離子含量.

2.4 自由氯離子與總氯離子含量的關系

WFRC中自由氯離子與總氯離子含量的關系見圖3.由圖3可見，WFRC中自由氯離子含量wfree與總氯離子含量wtotal呈線性關系，相關系數為0.998，關系式為：

圖3 WFRC中自由氯離子與總氯離子含量的關系Fig.3 Relationship between the content of free and total chloride ions in WFRC

式中：a、b為系數.

在相同侵蝕深度下，由于氯離子結合效應，WFRC中總氯離子含量大于自由氯離子含量.線性結合理論是氯離子結合效應主要的計算理論［4］.總氯離子含量可表示為：

式中：ωe為可蒸發水占混凝土的體積分數；wr為結合氯離子含量.

由此可見，式（1）中系數a表征有效含水量對總氯離子含量的影響，系數b表征氯離子結合能力對總氯離子含量的影響.系數a、b及相關系數R見表5.由表5可見：所有試件中的自由氯離子含量與總氯離子含量的線性相關系數均在0.99以上，線性擬合程度較好；除RC50外，各試件系數b的精度為0.001，選擇單因素試件進行分析，FR-0.08的系數b比NC降低了13.3%，而RC50的系數b比NC增加了38.7%；各設計變量對氯離子的結合能力較小，該結論與文獻［5，13］相同.由此可以認為總氯離子含量與自由氯離子含量呈wtotal=ωewfree的關系，在實際工程設計和耐久性能計算時可以忽略再生粗骨料取代率和廢棄纖維體積分數對氯離子結合能力的影響.

表5 系數a、b及相關系數RTable 5 Coefficient a，b and correlation coefficient R

2.5 機理分析

WFRC的微觀形貌見圖4.再生粗骨料對WFRC中自由氯離子含量產生影響的原因主要有：（1）隨著再生粗骨料取代率的增加，ITZ數量增加，圖4（a）中ITZ處存在貫穿的微裂縫，具有高鈣硅比的水化產物和高孔隙率的特點，它不僅是混凝土中的薄弱環節，而且增加了氯離子侵入的通道數量，這與Yeáu等［14］和Zaharieva等［15］得到的結論相同；（2）再生粗骨料表面附著老舊砂漿，文獻［16］提出當侵蝕深度相同時，老舊砂漿處的氯離子含量高于天然骨料處，Vázquez等［17］研究發現再生粗骨料表面附著的老舊砂漿在一定程度上提高了氯離子的侵蝕通道；（3）再生混凝土有更高的孔隙率，文獻［11］采用“可蒸發含水量法”測試了再生混凝土孔隙率，采用與本文相同的方法測試了混凝土中的氯離子含量，得到氯離子含量隨著再生混凝土孔隙率的增加而增加的結論，一些連通或者較大的孔成為了再生混凝土中自由氯離子傳輸的新通道.

圖4 WFRC的微觀形貌Fig.4 Micro-morphologies of WFRC

廢棄纖維體積分數對混凝土中自由氯離子含量的影響程度小于再生粗骨料取代率.當廢棄纖維在合理的體積分數范圍內時，首先，纖維的加入優化了再生混凝土內部孔結構，提高了再生混凝土密實度；其次，纖維可以阻斷裂縫發展，縮短氯離子通過路徑；最后，氯鹽晶體有少量附著在廢棄纖維表面（見圖4（b）），減少了基體中的自由氯離子含量.而當大量廢棄纖維摻入時，由于分散不均勻或纖維相互疊加易形成纖維團，混凝土硬化后在混凝土內部形成空鼓，降低了試件的密實程度，并且增加了新的界面，因而增大了其自由氯離子含量.

3 結論

（1）干濕循環下，隨著再生粗骨料取代率的增加，廢棄纖維再生混凝土的抗氯離子侵蝕能力降低；摻入廢棄纖維能夠提高再生混凝土的抗氯離子侵蝕性能.

（2）干濕循環下，廢棄纖維再生混凝土中的自由氯離子含量隨著侵蝕深度的增加先增大后減小，曲線存在明顯峰值，以峰值為界限分為“對流區”和“擴散區”；干濕循環作用對不同再生粗骨料取代率試件中的自由氯離子含量影響更靈敏.

（3）自由氯離子含量與總氯離子含量呈強線性相關.本結論中，代表氯離子結合能力的系數b的精確度為0.001，因此在實際工程和耐久性能設計時可以忽略再生粗骨料取代率和廢棄纖維體積分數對氯離子結合能力的影響.