掺加碳纳米纤维提高桥梁混凝土抗冻防腐性能的研究

杨江朋

(陕西铁路工程职业技术学院,陕西渭南 714099)

我国公路事业迅猛发展,公路交通里程迅速增加,公路桥涵结构物的数量飞速增长,数量巨大的公路桥涵在给经济发展带来新鲜活力的同时,公路桥涵结构物的病害频发问题已经成为困扰公路交通发展的巨大阻力。公路桥涵下部结构长期埋入土壤之中或浸泡在水体之中。水泥混泥土结构处于此种环境之中必然受到无机盐的腐蚀。冻融循环造成的剥蚀[1],成为桥梁下部结构病害的主要原因。随着材料科学的发展,以极大的长径比[2]、极高的韧性及模量、来源广泛、价格低廉[3]等优势成为新的研究重点。本文针对桥梁墩柱混凝土的病害特点,研究将碳纳米纤维掺入到桥梁墩柱混凝土后,对桥梁墩柱的抗腐蚀性、抗冻融循环剥蚀性的提高。

1 碳纳米纤维改善桥梁混凝土耐久性的作用机理

将碳纳米纤维掺入到水泥混凝土当中,经充分均匀的搅拌后,水泥颗粒和碳纳米纤维之间在极化作用和吸附作用下,碳纳米纤维的表面迅速被C-S-Н 包裹,碳纳米纤维由于具有纳米尺寸效应从而成为被水泥水化产物附着的核心点[4]。水泥的水化产物C3S 由于可以快速大量附着在由碳纳米纤维充当的核心点上从而被更大程度的促进。进而使C3A 和C3S 最终的水化产物的形态被影响,形成较强的界面粘结力[5]。(1) 碳纳米纤维混凝土耐腐蚀原理:碳纳米纤维混凝土耐腐蚀的原因可以归纳为碳纳米纤维的填充桥接现象,将碳纳米纤维掺入到水泥混凝土当中经充分搅拌均匀后,碳纳米纤维能够使水泥混凝土的内部微小孔隙更加致密[6]。并且,碳纳米纤维的界面效应也能够降低混凝土内部孔隙率。二者相互协同作用有效地抵御水分子进入到水泥混凝土内部[7],从而抑制腐蚀性液体进入到混凝土内部造成混凝土结构性破坏。(2) 碳纳米纤维混凝土抗冻融循环剥蚀原理:碳纳米纤维是具有小尺寸效应,碳纳米纤维的分子量接近水泥水化产物C-S-Н,同时超高的长径比、超高比表面积及超强的力学韧性,可以修饰水泥混凝土作为脆性材料的缺陷[8]。碳纳米纤维在水泥混凝土中相互交联形成网络格栅结构并将水泥的水化产物固定其中。同时辅以纤维的桥联特性,在纳米层级减少裂缝的发生和防止裂缝宽度的增大,减少由于应力集中造成的材料破坏[9]。

2 碳纳米纤维分散性研究

碳纳米纤维的直径为纳米级尺寸长度为微米级尺寸,超大的长径比和超强的韧性使得碳纳米纤维之间极易相互纠缠为颗粒状态,并且碳纳米纤维为惰性材料,化学键稳定,难激发活性,从而不易溶于水或一般有机试剂[10]。经研究发现,若使用未经分散的碳纳米纤维改良水泥混凝土材料,在混凝土内部碳纳米纤维呈现不规则、不均匀分布的状态。不能很好地发挥碳纳米纤维的优异性能。所以在使用碳纳米纤维改良水泥混凝土性能之前需先使用分散剂对碳纳米纤维进行预处理,增强碳纳米纤维的分散性,提高碳纳米纤维在水泥凝土中的溶解和分散效果,使其能够均匀地分散在水泥混凝土内部。研究使用的分散剂为 LSP 型聚羧酸减水剂,产地为江苏龙华材料有限公司,pН 值为7.1～8.2,减水率为 30%～40%,固含量为 25%,建议使用比重为 0.15%

碳纳米纤维分散试验过程如下:

采用НK-320L 超声分散仪用于分散碳纳米纤维,用量杯量取120mL 蒸馏水注入烧杯中编号1～9 组,每组称25mg 碳纳米纤维,称取聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基苯磺酸钠、聚羧酸减水剂三种分散剂,加入1～9 组烧杯中,搅拌制备不同浓度和不同种类的分散剂溶液,然后将碳纳米纤维加入到1～9 组的分散剂溶液当中,进行分散,超声分散参数为:运行20s,停歇5s,试验环境温度控制在35℃。而后将分散完毕的碳纳米纤维悬浮液注入编号为1-9的广口瓶中静置观察分层离析情况;并且将碳纳米纤维悬浮液装入10mL 离心管中,用4000r/min 电动离心机离心分离后观察碳纳米纤维的离心分离情况。离心过程中每隔3min 停下观察记录一次。根据分散试验结果得出结论:聚羧酸减水剂分散碳纳米纤维的效果最好,分散时间为 42min,浓度为 0.7g/L,分散功率为 45%。

3 碳纳米纤维混凝土制备

桥梁墩柱混凝土在施工工程中常用水灰比为 0.38,结合现场实际工况,混凝土水灰比确定为 0.38;添加1.02% 聚羧酸减水剂。控制坍落度在 180～220 mm。本研究结合工程实际和结构混凝土耐久性基本要求,得出满足设计和施工要求的试验室水泥混凝土配合比为:强度:C50;水 泥:435kg/m3；水:171kg/m3；砂:766kg/m3；石:1101kg/m3；减水剂:4.33kg/m3；碳纳米纤维:1.5kg/m3。空白对照组的配合比与试验室配合比相同,但不加碳纳米纤维。

4 碳纳米纤维混凝土耐久性研究

4.1 抗腐蚀性研究

4.1.1 试验方法

将养护28 天的混凝土试件放入10%的Na2SО4和5%的MgSО4复合盐腐蚀溶液中进行进行浸泡,试验过程中控制环境及溶液温度在20℃左右,每35 天更换一次盐溶液,目的是保证溶液浓度不变。本试验以质量损失变化作为评价指标,每隔35 天擦干试件表面水分后,用电子天平测量试件重量。

4.1.2 试验外观分析

试件在腐蚀性溶液中浸泡180 天后,时间外观未见明显变化,未添加碳纳米纤维混凝土的试件表面出现了少量白色絮状物和盐类结晶,边角有轻微的剥落。添加碳纳米纤维的水泥混凝土试件无明显变化,如图1 所示。

图1 耐腐蚀性试验试件外观Fig.1 Appearance of corrosion resistance test specimen

4.1.3 质量损失率分析

对掺碳纳米纤维混凝土和未掺碳纳米纤维混凝土两种试件在复合盐溶液中经180 天浸泡后混凝土质量损失率进行汇总,如图2 所示。

图2 耐腐蚀性试验质量损失率统计Fig.2 Statistics of mass loss rate in corrosion resistance test

从图 2 中可以看出,未掺加碳纳米纤混凝土的试件经过180 天的浸泡腐蚀后其质量增加,这说明在复合盐溶液中,溶液中的盐类渗透进了混凝土内部,随着浸泡时间的延长,混凝土孔隙中的盐类积累越来越多,逐渐饱和发生结晶,后产生膨胀破坏;而掺加了碳纳米纤维混凝土的试件由于碳纳米纤维在纳米层级对水泥混凝土起到填充作用,使材料密实能抵抗腐蚀性盐随着溶液进入到混凝土内部,从而起到了抗腐蚀性破坏的作用。

4.2 抗冻性能

4.2.1 试验方法

本文采取快冻法进行混凝土抗冻性试验。将棱柱体试件养护28 天后,放入快速冻融循环机进行抗冻性试验。冻融循环温度为6～-20 ℃,一次循环时间为3～6 h,一天循环4～6 次,每15 次或25 次循环测量一次质量损失。

4.2.2 试验外观分析

混凝土试件在试验室快速冻融循环下外观发生明显变化。添加0.15% 碳纳米纤维的水泥混凝土试件,试件表面完好无损;未添加碳纳米纤维的混凝土试件,试件表面粗糙出现许多麻点和蚀坑,表面胶凝材料流失,表面细集料裸露,出现起砂现象,严重者表面细集料完全脱落。具体变化如图3 所示。

图3 抗冻性试验试件外观Fig.3 Appearance of the frost resistance test specimen

4.2.3 质量损失率分析

水泥混凝土试件经过冻融循环后,混凝土整体外观发生明显的变化,对掺碳纳米纤维混凝土和未掺碳纳米纤维混凝土两种试件在冻融循环后混凝土质量损失率进行汇总。如图4 所示。

图4 抗冻性试验质量损失率统计Fig.4 Statistics of quality loss rate in frost resistance test

从图4 中可以看出,掺加碳纳米纤维的水泥混凝土试件的质量损失率曲线为一条平缓的直线,承受相同冻融循环次数的情况下,质量损失很小,表现出非常优良的抗冻融循环性能。与之相对应的是未掺加碳纳米纤维的水泥混凝土试件,质量损失率最高达2.2%。这主要是由于碳纳米纤维起桥接作用,既阻止了水分的进入又降低了由于温度应力带来的混凝土内部孔隙的应力集中,减轻了受冻融循环造成的开裂剥蚀破坏。

5 结语

本文主要研究了碳纳米纤维的分散特性以及在水泥混凝土中掺加了碳纳米纤维后对水泥混凝土的耐腐蚀、抗冻融循环剥蚀性能的改善。研究结果证明,碳纳米纤维以聚羧酸减水剂为分散剂时分散效果最理想。碳纳米纤维能够有效地提高水泥混凝土的硫酸盐腐蚀性能以及有效地避免水泥混凝土因冻融循环造成的剥蚀破坏,在桥梁下部结构中具有非常大的应用前景。由于篇幅限制,本研究关于碳纳米纤维对抵抗硫酸盐的内源性腐蚀的效果及未能做更加详细深入的研究,后续应对课题进行深入量化的研究。