不同海洋环境下玄武岩纤维混凝土力学性能研究

郭范波，蓝　强，王海龙

不同海洋环境下玄武岩纤维混凝土力学性能研究

郭范波1，蓝强2，王海龙3

（1.台州学院建筑工程学院，浙江台州318000；2.台州市恒通监理有限公司，浙江台州318000；3.江苏哈宜环保研究院有限公司，江苏无锡214205）

为研究玄武岩纤维混凝土在不同海洋环境下的耐腐蚀性能，制作了三种混凝土试件：普通混凝土浸泡腐蚀试件、玄武岩纤维混凝土浸泡腐蚀试件和玄武岩纤维混凝土干湿交替腐蚀试件。将这些试件浸泡或干湿交替浸泡在5倍浓度的人工海水中，每隔60d每种试件任意取出3个测试其抗压强度。通过试验可知，掺入玄武岩纤维后混凝土强度有所增加。经过60d腐蚀后，干湿交替腐蚀的玄武岩纤维混凝土试件强度开始下降，而普通混凝土浸泡试件和玄武岩纤维混凝土浸泡试件的强度仍在缓慢增加。相同腐蚀条件下玄武岩纤维的质量损失较平稳，后期质量损失率有所增加。

海洋；玄武岩；纤维；混凝土；力学

随着滨海交通设施建设和除冰盐的大量使用，桥梁结构面临的氯盐腐蚀日趋严重，交通管理部门每年都要投入大量资金来改善结构腐蚀所带来的影响，而沿海地区结构物的腐蚀尤为严重。经过30多年的发展建设，濒海建筑结构的腐蚀问题日渐暴露。参照国外资料，按占GDP的1%计算，我国与钢筋腐蚀有关的经济损失约为6000亿元（2014年）。已有研究表明，如果采取有效的控制和防护措施，25-40%的腐蚀是可以避免的［1］。

从腐蚀的角度，海洋环境可分为海洋大气区、浪花飞溅区、海洋潮差区、海水全浸区及海底泥土区［2］。国内外长期的海洋腐蚀研究结果表明，在浪花飞溅区钢表面受到海水的周期性润湿，处于干湿交替状态，氧供应充分，盐分不断浓缩；加之阳光、风吹和海水环境等协同作用导致发生最严重的腐蚀，约为海水全浸区腐蚀的3～5倍；在海水全浸区，腐蚀受到氧扩散的控制，其中浅海区腐蚀较重［1，2］。

连续玄武岩纤维（BFRP）具有高强度、高模量、耐温性佳、抗氧化、抗辐射、绝热隔音、过滤性好、抗压缩强度和剪切强度高、适应于各种环境下使用等优异性能［3］。玄武岩纤维的化学构成与混凝土的组成相近，且性价比好，是一种纯天然的无机非金属材料，也是一种可以满足国民经济基础产业发展需求的新的基础材料和高技术纤维［3，4］。在混凝土中加入玄武岩纤维，可以提高混凝土的密实性，改善混凝土收缩开裂等。

目前，国内对于玄武岩纤维及玄武岩纤维混凝土的研究，相关学者已对玄武岩纤维混凝土构件抗氯盐侵蚀、氯离子渗透性能进行了试验等［5，6］。本文主要通过试验，对不同海洋环境（海水全浸和海水干湿交替环境）下玄武岩纤维混凝土的力学性能研究。

2　试验概况

本试验混凝土强度等级为C30。

试件成型24h后拆模，标准养护28d。制作两种类型的150mm混凝土标准立方体试件，分别为普通的混凝土试件（N101-N112，12个）和掺加玄武岩纤维（2kg/m3）的试件（24个），试件分为三组共36个试件（普通混凝土试件一组，玄武岩纤维混凝土试件两组，X201-X212为浸泡试件，X301-X312为干湿交替试件，每组12个）。抗压试验参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T 50081-2002）实施［7］。

浸泡试件在海水中分别浸泡60d、120d、180d后取出测试其抗压强度。干湿交替试件将试件每浸泡12h后取出静置12h，如此循环浸泡60d、120d、180d后取出测试其抗压强度。

试验采用快速腐蚀的方法，根据我国东海的平均海水浓度及成分，人工配置5倍浓度的海水作为试验用海水，其成分如下表。

表1　人工海水成分

同时，将玄武岩纤维按分别浸泡和干湿交替浸泡在同浓度的人工海水中，每隔90d取出用水将纤维表面冲洗干净，烘干24h后称量重量，获得90d、180d、270d和360d的质量损失，并计算不同时间工况下的质量损失率。

3　试验结果与分析

根据参考文献［7］的规定，若实验所得的三个值中，最大值或最小值中如有一个与中间值的差值超过中间值的15%时，则把最大及最小值一并舍弃，而取中间值作为该组试件的抗压强度值［7］。在试验中，180d腐蚀后的X301与X304相差超过15%，因此在数据分析中，将中值（39.2MPa）作为本组试件的强度值。

3.1试验结果

各腐蚀工况作用下，混凝土试件的抗压强度如表2所示。

表2　试件抗压强度（MPa）

由表2可知，按照参考文献［7］所规定的方法测得玄武岩纤维混凝土的标准抗压强度为30.6MPa和31.6MPa，均值为31.1MPa，而不掺玄武岩纤维混凝土为29.6MPa。可知掺入玄武岩纤维后混凝土的强度提高幅度为5%左右。因此，掺玄武岩纤维可提高混凝土的抗压强度。这是因为玄武岩纤维在混凝土基体中呈三维乱向均匀分布，对混凝土基体起到了“二次微加筋”作用，通过纤维与水泥基体间的摩擦与纤维的拉拔作用，从而消耗基体的能量，达到增强、增韧的作用［8］。

3.2腐蚀方式、时间与强度的关系

由［9］的研究成果可知，在混凝土中掺入玄武岩纤维，可以提高混凝土的抗压强度，尤其是早期抗压强度的提高很显著。其可能的原因是：加入玄武岩纤维后，玄武岩纤维较均匀地分布在混凝土内部，由此形成了类似于网状的结构，从而与骨料一起协同受力，当应力自混凝土基体传递给纤维时，由于纤维产生变形而消耗能量［4］。

图1　不同腐蚀工况下试件的抗压强度　

图2　不同腐蚀工况下试件的抗压强度变化率

为便于分析，引用参考文献［10］中的抗压强度变化率ηt［10］，计算公式为：

式中：ft为腐蚀t天后试件的抗压强度，t为腐蚀时间；f0为腐蚀时间为0d时试件的抗压强度。

如图1和图2所示，经过60d、120d和180d的海水腐蚀后，物纤维混凝土和纤维混凝土的抗压强度均发生了变化。0-60d，各试件的强度均增加23%以上；60d-120d，N1xx的强度在增加，而X2xx和X3xx的强度在下降；120d-180d，N1xx和X2xx的强度在增加，而X3xx的强度在下降。可以看出，掺入了玄武岩纤维之后，混凝土的早期强度有一定的提高，约5%左右。从腐蚀180d后的强度来看，纤维混凝土的强度与不掺入玄武岩纤维的混凝土强度比较接近。

经过60d干湿交替腐蚀后玄武岩纤维混凝土的强度呈下降趋势，而浸泡腐蚀的试件强度仍有所缓慢增加，这可能是由于海水中的Na+、Mg2+等离子随着腐蚀时间的增加慢慢进入混凝土内部，与混凝土自身发生反应，生成一些不溶性物质，从而填充混凝土内部原有的空隙。空隙被填充即为混凝土密实度的提高，从而混凝土强度出现了一个的短暂提高阶段。而干湿交替试件应在60d前达到此强度提高的阶段，以致60d后强度呈下降趋势，说明干湿交替腐蚀比浸泡腐蚀对混凝土强度的影响更大。研究表明，干湿交替区域在所有海洋环境中腐蚀最为严重，而在海水浸泡的区域，腐蚀作用相对较轻［11］。

3.3质量变化

设玄武岩纤维的初始质量为W0（g），腐蚀时间为t（d）的质量为Wt，则玄武岩纤维的质量损失率［12］。

浸泡腐蚀和干湿交替腐蚀下玄武岩纤维质量变化如图3-图6所示。从图3和图4可以看出，对于浸泡腐蚀条件下的玄武岩纤维质量变化，在腐蚀90d后的平均质量损失率为1.17%，180d为1.63%，270d-360d，其平均质量损失率有一个冲高回落的过程，270d为1.51%，360d为2.67%，450d为2.4%。浸泡试件在0-90d的平均质量损失率上升到1.2%左右，随着这部分物质的腐蚀完毕，玄武岩纤维质量损失进入一个相对的平稳期（90-270d），平均质量损失率较稳定。对于干湿交替腐蚀条件下的玄武岩纤维，从图5和图6可以看出，从0-90d，平均质量损失率是一个上升期，从90-360d，其平均质量损失率保持比较平稳在0.6%左右。其变化趋势与浸泡腐蚀条件下玄武岩纤维平均质量损失率相似，平均质量损失率更均匀平稳。

图3　浸泡腐蚀下的质量变化　

图4　浸泡腐蚀下的质量损失率

图5　干湿交替腐蚀下的质量变化　

图6　干湿交替腐蚀下的质量损失率

两种腐蚀环境下，在0-90d玄武岩纤维的质量损失较大，这可能是因为玄武岩纤维刚浸泡在海水中，玄武岩纤维表面的附着物和杂质首先被腐蚀。由能谱分析可知玄武岩纤维的主要成分为Si、Al、Ca、C等元素，还有少量的Mg、Na、Fe和K等，大多以SiO2、Al2O3的形式存在［13］。通过SEM扫描电镜观察玄武岩纤维表面的成分可知，玄武岩纤维表面的Ca、Na和Mg等元素逐步减少，说明这些元素与海水中的某些物质发生反应，并以离子的形式融于海水中。同时，随着混凝土内部不断水化生成Ca（OH）2，易与玄武岩纤维的SiO2反应生成水化硅酸钙［14］，从而使玄武岩纤维出现质量损失。而浸泡腐蚀和干湿交替腐蚀下的质量损失率不一致，可能的原因是采用试件的类型不同所致。

4　结论

通过试验数据分析，可以得到以下几点结论：

（1）掺入玄武岩纤维可以提高混凝土的抗压强度，掺入2kg/m3玄武岩纤维后混凝土的强度提高幅度为5%左右。

（2）干湿交替腐蚀环境比浸泡腐蚀环境对混凝土强度的影响更大，干湿交替腐蚀环境下混凝土的强度相比浸泡腐蚀环境下混凝土的强度更早开始降低。

（3）在浸泡腐蚀和干湿交替腐蚀两种海洋环境下，早期（0-90d）玄武岩纤维的质量损失较大，随着腐蚀时间的增加，后期损失率有所增加。

对混凝土早期强度有较高要求的结构，可以考虑掺入玄武岩纤维。同时，玄武岩纤维来源于玄武岩，在我国，玄武岩的蕴藏量丰富，玄武岩纤维是优良的环保材料，价格便宜，所以可以在海洋环境的结构中广泛采用玄武岩纤维。

参考文献：

［1］侯保荣.海洋浪花飞溅区腐蚀防护须高度重视［EB/OL］.http://new s.sciencenet.cn/htm lnew s/2012/9/269215.shtm，2012-09-07.

［2］国家海洋腐蚀防护工程技术研究中心.海洋腐蚀环境特征［EB/OL］.http://www.m cperc.cn/new s_show.asp？id=367，2013-05-20.

［3］胡显奇.把握时机 抢占高性能纤维发展高地——刍议我国连续玄武岩纤维产业发展［J］.新材料产业，2012（6）:40-44.

［4］吴钊贤.玄武岩纤维混凝土基本力学性能与应用研究［D］.武汉：武汉理工大学，2009.

［5］刘华挺，张俊芝，傅招旗，等.短切玄武岩纤维混凝土构件抗氯盐侵蚀试验［J］.混凝土，2011（1）:14-15.

［6］朱华军.玄武岩纤维混凝土耐久性能试验研究［D］.武汉：武汉理工大学，2009.

［7］GB/T500812-2002.普通混凝土力学性能试验方法标准［S］.

［8］董进秋，杜艳廷，闻宝联，等.玄武岩纤维混凝土力学性能与增韧机理研究［J］.工业建筑，2011增刊:638-641.

［9］吴钊贤，袁海庆，卢哲安，等.玄武岩纤维混凝土力学性能试验研究［J］.混凝土，2009（9）:67-78.

［10］包惠明，赵学文，熊鑫，等.海洋环境下剑麻纤维混凝土抗侵蚀试验研究［J］.混凝土，2012（6）:23-24.

［11］徐增华.金属腐蚀材料 第三讲耐蚀低合金钢［J］.腐蚀与防护，2001（3）:135-138.

［12］王雪慧，钟铁毅.混凝土中锈蚀钢筋截面损失率与重量损失率的关系［J］.建材技术与应用，2005（1）:4-6.

［13］王明超，张佐光，孙志杰.连续玄武岩纤维及其复合材料耐腐蚀特性［J］.北京航空航天大学学报，2006（10）:1255-1258.

［14］周俊龙，江世永，李炳宏，等.玄武岩纤维增强塑料筋耐腐蚀性研究［J］.土木建筑与环境工程，2011增刊:218-222.

（责任编辑：耿继祥）

Study on M echanical Properties of Basalt Fiber Reinforced Concrete in
Different M arine Environment

GUO Fanbo1，LAN Qiang2，WANG Hailong3
（1.School of Arcitectural Engineering，Taizhou University，Taizhou 318000，China；2.Taizhou Hengtong Managem ent Co.Ltd.，Taizhou 318000，China；3.Jiangsu Hayi Environmental Protection Research Institute Co.，Ltd.，Wuxi 214205，China）

To study the corrosion resistance of basalt fiber reinforced concrete in different marine environment，three concrete specimens were cast:ordinary concrete specimens for immersion corrosion，basalt fiber reinforced concrete specimens for immersion corrosion and basalt fiber reinforced concrete specimens for alternating w et and dry corrosion.These specim ens w ere soaked in 5 times density artificial seaw ater，three specim ens of each type w ere taken by random after 60d for com pressive strength test.The resu lts show that the concrete strength increased after add ing basalt fiber.A fter 60d corrosion，the strength of specimens w ith alternating w et and d ry corrosion began to dec line，while the other tw o specimens，strength increased slow ly.Under the same corrosion condition，the mass loss of basalt fiber w as relatively stable，but it increased in the later period.

Marine；basalt；fiber；concrete；mechanics

10.13853/j.cnk i.issn.1672-3708.2015.03.009

2015-03-15；

2015-05-08

浙江省教育厅科研项目（Y201224544）；台州学院2014年度开放实验项目（重点）。

郭范波（1981-），男，湖南益阳人，讲师，在读博士，主要从事工程结构及材料应用研究。