硫酸鹽溶液濃度對鋼纖維混凝土侵蝕性影響的試驗研究

孫亞明

(滄州水利勘測規劃設計院有限公司，河北 滄州 061000)

混凝土材料具有取材方便、經濟實惠等諸多優勢，是當前水工建筑領域的主要原材料之一。但是，混凝土也存在重量大、韌性差以及抗拉強度低等缺陷，會造成混凝土結構產生應力裂縫，進而影響到其耐久性和抗滲性，嚴重制約了其發展和應用范圍[1]。因此，探索質量較輕，韌性較高的水工混凝土材料就成為重要的研究方向。將短細的鋼纖維分布于普通混凝土形成的鋼纖維混凝土，是一種可以澆筑和噴射的改性混凝土材料，而其中的鋼纖維對控制混凝土內部的微裂縫具有十分重要的作用和價值，因此，在水利工程建設領域具有廣泛的應用價值[2]。另一方面，隨著工業經濟的迅速發展，硫酸鹽侵蝕已經成為水工混凝土耐久性破壞的重要因素，對混凝土材料的抗硫酸鹽侵蝕性能研究具有重要的理論意義和工程實踐價值[3]。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

此次試驗中的鋼纖維混凝土制備需要的材料主要包括水泥、骨料、鋼纖維以及外加劑。其中，試驗用水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。經測定，其初凝時間為272 min，終凝時間為355 min，28 d抗壓強度為45.5 MPa，抗折強度為7.85 MPa；試驗用粗骨料為粒徑范圍5～20 mm級配良好的石灰巖碎石，其堆積密度為1850 kg/m3，表觀密度為2630 kg/m3，含泥量為1.88%，壓碎率為5.65%；試驗用細骨料為級配連續的天然河沙，其細度模數為2.5，堆積密度為1720 kg/m3，表觀密度為2550 kg/m3，含泥量為3.21%，含水率為1.35%；試驗用鋼纖維為蘇州史尉康彎鉤型鋼纖維，其長度為30 mm、直徑為0.5 mm、彈性模量為200 GPa、抗拉強度為1195 MPa；試驗用外加劑為聚羥酸減水劑，引氣劑為三萜皂苷，試驗用水為普通自來水。

1.2 試件制備

根據相關的設計規范以及水工領域的工程實際，確定鋼纖維混凝土配合比。其中，水、水泥、細骨料、粗骨料、減水劑、引氣劑和鋼纖維的用量分別為150 kg/m3、375 kg/m3、765 kg/m3、1135 kg/m3、1.2 kg/m3、0.06 kg/m3、78 kg/m3。在鋼纖維混凝土的制備過程中，為了保證鋼纖維能夠均勻混合到混凝土中，需要按照如下步驟制備：首先，按照上文的配合比稱量好各種材料，將水泥和細骨料加入攪拌機攪拌1 min，然后，加入粗骨料和1/2的鋼纖維以及40%的水，攪拌2 min，再加入剩余的水、減水劑和引氣劑攪拌2 min，最后，加入剩余的鋼纖維，攪拌2 min結束。

將制作完成的鋼纖維混凝土裝入棱長為100 mm的立方體模具，插搗、壓實，隨后放置24 h后脫模，再放入養護箱內，按照標準養護條件養護25 d[4]。養護完畢之后，將試件浸泡在清水中養護3 d，養護28 d使試件達到飽水狀態。

1.3 試驗方案與方法

為了研究硫酸鹽的濃度對鋼纖維混凝土侵蝕性的影響，試驗中配置質量分數為2%、5%、10%的硫酸鈉溶液進行硫酸鹽侵蝕試驗，將清水試驗作為對比方案[5]。在鋼纖維混凝土試件養護完成之后，測定其初始質量和抗壓強度，然后，開始干濕循環條件下的硫酸鹽侵蝕試驗。試驗采用CABR-LSB/Ⅱ型硫酸鹽干濕循環測試系統[6]，具體試驗方法如下：將試件分別放入三種不同濃度的硫酸鈉溶液和清水中，浸泡15 h，箱體溫度設定為25 ℃，然后，抽干箱內的溶液，風干30 min，再將溫度升高至80 ℃，保持5.5 h，再將箱內的溫度降低至常溫冷卻3 min，以上為一個試驗循環。試驗過程中共計進行60個試驗循環，每5次試驗循環測定一次試驗數據，并做好數據記錄。

試驗過程中的試件稱重使用電子秤，抗壓強度試驗采用萬能試驗機以及《混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)的要求執行[7]。劈裂抗拉試驗采用FT2300萬能壓力伺服試驗機進行，加載速率為110 N/s，直至試件破壞[8]。以試驗中獲取的數據為依據，計算不同試驗循環條件下試件的質量損失率、抗壓強度和劈拉強度耐腐蝕系數。其中，抗壓強度和抗折強度耐蝕系數為侵蝕試驗后的抗壓(劈拉)強度與初始抗壓(劈拉)強度之比。根據計算結果展開硫酸鹽溶液濃度對鋼纖維混凝土侵蝕性影響評價。

2 試驗結果與分析

2.1 質量損失率

利用試驗中獲得的質量檢測數據，計算出不同試驗循環下的試件質量損失率，繪制出如圖1所示的質量損失率變化曲線。由圖可知，在清水試驗條件下，試件的質量損失率隨試驗循環次數的增加呈現出逐漸減小的趨勢，但是，減小的幅度極為有限。這說明清水溶液浸泡對試件的質量影響極為有限。在硫酸鈉溶液的試驗條件下，試件的質量隨試驗循環的增加呈現出先增加后減小的特征，試驗結束時的質量損失率遠大于清水試驗方案。由此可見，不同濃度的硫酸鹽溶液會對鋼纖維混凝土產生十分明顯的侵蝕作用，在工程設計和建設中要予以考慮。究其原因，試驗之初由于混凝土比較密實，僅有較少的硫酸鈉溶液滲入混凝土內部，而烘干過程中，滲入混凝土的硫酸鈉溶液會有晶體析出，造成試件的質量增加。隨著侵蝕作用的不斷增強，混凝土表面的砂漿開始脫落，并造成比較明顯的質量損失，試件的質量也不斷減小。從不同的硫酸鈉溶液濃度對比來看，溶液濃度越大，試驗結束之后的質量損失也越大，說明硫酸鹽溶液濃度越大，對鋼纖維混凝土的侵蝕作用越強。

圖1 質量損失率變化曲線

2.2 抗壓強度耐蝕系數

利用試驗中獲得的抗壓強度試驗數據，計算出不同試驗循環下的抗壓強度耐蝕系數，繪制出如圖2所示的抗壓強度耐蝕系數變化曲線。由圖可知，在清水試驗條件下，試件的抗壓強度耐蝕系數隨試驗循環次數的增加呈現出逐漸減小的趨勢，但是，整體比較穩定，所以，清水溶液浸泡對試件的抗壓強度影響極為有限。在硫酸鈉溶液的試驗條件下，試件的抗壓強度耐蝕系數隨試驗循環的增加呈現出先增大后迅速減小的特點，說明硫酸鹽溶液會對鋼纖維混凝土產生十分明顯的侵蝕作用。究其原因，試驗之初的鋼纖維混凝土比較密實，僅有較少的硫酸鈉溶液能夠滲入混凝土內部裂隙，這些溶液在結晶之后會對內部孔隙產生填充作用，增強試件的密實度和整體性，因此，抗壓強度有所提高。之后，隨著侵蝕作用的不斷增強，混凝土表面的砂漿開始脫落，內部出現更多的孔隙，因此，抗壓強度會明顯下降。從不同的硫酸鈉溶液濃度對比來看，溶液濃度越大，試驗結束之后的抗壓強度損失也越大，說明硫酸鹽溶液濃度越大，對鋼纖維混凝土的侵蝕作用越強。

圖2 抗壓強度耐蝕系數變化曲線

2.3 劈裂強度耐蝕系數

利用試驗中獲得的劈裂強度試驗數據，計算出不同試驗循環下的劈裂強度耐蝕系數，繪制出如圖3所示的劈裂強度耐蝕系數變化曲線。由圖可知，在清水試驗條件下，試件的劈裂強度耐蝕系數隨試驗循環次數的增加呈現出逐漸減小的趨勢，但減小的幅度十分有限，這說明清水對試件的劈裂強度影響不大。在硫酸鈉溶液試驗中，試件的劈裂強度耐蝕系數隨試驗循環的增加呈現出先增大后減小的特點，說明硫酸鹽溶液會對鋼纖維混凝土產生十分明顯的侵蝕作用。原因與抗拉強度變化的原因基本相同，這里不再贅述。從不同的硫酸鈉溶液濃度對比來看，溶液濃度越大，試驗結束之后的劈裂強度損失也越大，說明硫酸鹽溶液濃度越大，對鋼纖維混凝土的侵蝕作用越強。

圖3 劈裂強度耐蝕系數變化曲線

3 結 論

(1)在清水試驗條件下，試件的質量損失率隨試驗循環次數的增加呈現出逐漸減小的趨勢，但是減小的幅度極為有限。在硫酸鈉溶液的試驗條件下，試件的質量隨試驗循環的增加呈現出先增加后減小的特征，試驗結束時的質量損失率遠大于清水試驗方案。從不同的硫酸鈉溶液濃度對比來看，溶液濃度越大，試驗結束之后的質量損失也越大。

(2)在清水試驗條件下，試件的抗壓強度耐蝕系數隨試驗循環次數的增加呈現出逐漸減小的趨勢，但是整體比較穩定。在硫酸鈉溶液的試驗條件下，試件的抗壓強度耐蝕系數隨試驗循環的增加呈現出先增大后迅速減小的特點。從不同的硫酸鈉溶液濃度對比來看，溶液濃度越大，試驗結束之后的抗壓強度損失也越大。

(3)在清水試驗條件下，試件的劈裂強度耐蝕系數隨試驗循環次數的增加呈現出逐漸減小的趨勢，但減小的幅度十分有限。在硫酸鈉溶液試驗中，試件的劈裂強度耐蝕系數隨試驗循環的增加呈現出先增大后減小的特點。從不同的硫酸鈉溶液濃度對比來看，溶液濃度越大，試驗結束之后的劈裂強度損失也越大。