盐蚀-干湿循环作用下玄武岩纤维混凝土腐蚀劣化试验研究

操 镜,王 成,张茜茜,王洪宇,亓泽霖

(1.塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆 阿拉尔 843300;2.塔里木大学经济与管理学院，新疆 阿拉尔 843300)

新疆南部地处干旱沙漠性气候区，全年降水量少，昼夜温差大(昼夜温差通常在12 ℃以上，最大温差可达35.8 ℃)[1]。该地区的土壤以及地下水(地表水)中富含硫酸盐、镁盐和氯盐，导致区域内许多既有混凝土建(构)筑物因遭受严重的盐渍土壤腐蚀和含盐环境水侵蚀，产生了不同程度的混凝土腐蚀、开裂、剥落和钢筋锈蚀等耐久性病害，使其实际寿命远低于设计使用年限，由此造成的修缮、加固甚至拆除和重建，浪费了大量的人力、物力和财力，严重制约了当地的工农业生产以及经济社会快速健康发展[2]。

玄武岩纤维混凝土(Basalt Fiber Reinforced Concrete,BFRC)，是以水泥混凝土作为基准材料，通过添加适量的玄武岩纤维作为增强材料而形成一种新型复合型材料。玄武岩纤维材料因选自天然的玄武岩石料，经过1 450～1 500 ℃融化后，经过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维，具有良好的耐酸耐碱耐腐蚀性能，与混凝土具有天然的相容性，对混凝土有很好的增强增韧效果，被认为是“21世纪的纯天然高性能纤维”[3-4]。通过相关文献资料的查阅可知，一些专家和学者[5-6]针对于BFRC在特定的盐类腐蚀环境下腐蚀劣化机理开展了相关研究，认为玄武岩纤维的掺入，对于混凝土的耐腐蚀耐碱具有一定提高作用。张兰芳[7]等人对不同玄武岩纤维掺量的混凝土进行耐硫酸盐腐蚀性研究。研究结果表明：纤维的掺入，改善了混凝土抵抗硫酸盐腐蚀的能力，且当玄武岩纤维掺量为0.3%时，混凝土耐硫酸盐腐蚀性能的效果较好。王振山[8]等人从宏观现象、微观离子分布及整体力学性能等方面对玄武岩纤维混凝土耐碱腐蚀性能进行研究，并在试验的基础上提出了碱侵蚀强度衰减模型。刘瑶[9]等人在混凝土中掺入适量玄武岩纤维，对玄武岩纤维混凝土试件的干缩性和抗氯离子渗透性等耐久性能指标进行了试验研究。

本试验紧密结合该地区的气候条件和盐渍土壤环境，参考已发表文献中各位专家学者[10-13]在开展相关试验时所用的体积掺量，以掺入0%、0.1%、0.2%、0.3%玄武岩纤维，开展复合盐蚀-干湿循环作用下玄武岩纤维混凝土的腐蚀劣化试验研究，选取质量评价参数以及相对动弹性模量评价参数为主要评价指标，探究不同掺量玄武岩纤维混凝土在多种盐共同作用下的耐久性能。

1 试验

1.1 原材料

1.1.1 水泥

采用某公司生产的P.O 42.5普通硅酸盐水泥(技术性能指标见表1)。

表1 P.O42.5普通硅酸盐水泥技术性能指标

1.1.2 集料

均采用某砂石料厂，粗集料选取的是5～40 mm的连续级配卵石(性能指标见表2)，细集料选取的是中砂，细度模数为2.7(性能指标见表3)。

表2 粗集料主要性能指标

表3 细集料主要性能指标

1.1.3 玄武岩纤维

选用的是某公司生产的玄武岩纤维，其物理、力学性能如表4所示。

表4 玄武岩纤维物理、力学性能指标

1.1.4 减水剂

选用TSX高性能减水剂，减水率为27%。

1.2 试件制备以及配合比设计

结合实际工程中的配合比要求，室内外试验中的玄武岩纤维的掺量均为0%、0.1%、0.2%、0.3%，使用既有混凝土结构中所用的常规原材料，按照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)[14]中规定的方法和步骤，确定试验室配合比(具体详见表5)。根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)[15]的规定，本项目试验所用混凝土试件的尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，采用亲水性脱模剂，为使试验数据准确有效和便于试验结果对比，每种试验工况做1组试件，每组4个。

表5 混凝土配合比设计

1.3 试验方案

1.3.1 室内试验方案

在该地区土壤积盐最严重的春季，依据典型盐渍土地区土壤表层0～5 cm处的SO42-、Mg2+、Cl-等离子含量(采用滴定法进行测定离子)，配制浓度为1.99%的复合盐溶液，以此作为复合盐侵蚀溶液的基准浓度，编号为B；考虑到进行试验对比和试验的速度，按照复合盐基准浓度的5倍、10倍与清水进行配制，编号分别为C、D、A(见表6)。干湿循环在常温下进行，采用自然浸泡和自然晾干来模拟位于本地区的实际混凝土建(构)筑物(如图1、图2所示)在役状况。先在复合盐溶液中浸泡7 d，取出后自然晾干8 d，一个干湿循环为15 d，试验共进行75 d，每30 d更换一次溶液。

表6 复合盐侵蚀溶液中各种盐用量及溶液浓度

图1 试件浸泡

图2 试件自然晾干

1.3.2 室外试验方案

为探究该地区实际环境中混凝土结构所受盐蚀-干湿循环作用下腐蚀劣化规律，故在现场设置试验点(如图3所示)。

图3 现场试验点

埋置方法：试件在养护至龄期28 d的前2 d，先将需要进行室外试验的试件进行质量和动弹性模量检测，然后把试件两端分别标记为A端、B端，并在混凝土长度方向标记混凝土编号，再将其运到选定好的试验点。长度方向(400 mm)埋入土壤中，埋深200 mm，并且试块与试块之间的距离为300 mm，A端朝上暴露在空气中，B端朝下埋置在现场土壤中。

试验方法：从埋入土壤中开始，每隔30 d取出埋入的试块，表面清理干净，进行一次质量和动弹性模量检测，并记录所测得的数据。

1.3.3 评价参数的选取

《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082-2009)中的规定为抗压强度耐蚀系数为混凝土在抗硫酸盐腐蚀劣化试验中的评价指标，通过文献的查阅，发现国内外学者针对于混凝土硫酸盐的评价指标选取有四种常用的评价指标，分别为：(1)相对动弹性模量下降到60%，为试块的动弹性模量破坏标准；(2)相对质量下降到95%，为试块的质量破坏标准；(3)相对抗压强度下降到75%，为试块的抗压强度破坏标准；(4)相对抗折强度下降到75%，为试块的抗折强度破坏标准[16]。结合本试验的具体情况，本试验选取相对动弹性模量和相对质量损失两个指标，两个指标评价参数计算如式[16](1)、式(2)

ω1=(Mr-0.95)/0.05

(1)

ω2=(Er-0.6)/0.4

(2)

ω1为相对质量评价参数，当ω1≧1时，代表相对质量比基准值增加，混凝土的性能在增加；当0<ω1<1时，代表相对质量比基准的减少，但还未处于破坏状态；当ω1<0时，代表混凝土发生破坏，Mr为N次干湿循环后的相对质量。

ω2为相对动弹性模量评价参数，当ω1≧1时，代表相对动弹性模量比基准值增加，混凝土的性能在增加；当0<ω2<1时，代表相对动弹性模量比基准的减少，但还未处于破坏状态；当ω2<0时，代表混凝土发生破坏，Er为N次干湿循环后的相对动弹性模量。

2 结果分析与讨论

2.1 试件的表观损伤

2.1.1 室内加速试验试件表观损伤分析

经过复合盐蚀-干湿循环后，不同玄武岩纤维掺量的混凝土试件表观产生了不同的劣化特征。其中，未掺入纤维的混凝土，在干湿循环30 d后试件的外观开始出现细微裂纹纹路，且随着复合盐溶液浓度的提高，裂纹更明显，呈现出龟裂状(如图4所示)。掺量为0.1%、0.2%玄武岩纤维混凝土试件在干湿循环后的45 d开始出现裂纹(如图5、图6所示)。而掺量为0.3%的试件在清水、1倍、5倍复合盐溶液中，总体上外观没有发生明显变化，而在10倍的复合盐溶液干湿循环60 d后出现细小裂纹纹路(如图7所示)。另外，1倍、5倍、10倍复合盐溶液中的混凝土试件的干湿部位(B端)表面形成了白色雪花状物，生成的白色雪花状物质容易在混凝土的半封闭孔中发生集聚[17]，试件的200 mm交界部位最为明显。

图4 30 d的试件表观特征

图5 45 d掺量0.1%的试件表观特征

图6 45 d掺量0.2%的试件表观特征

图7 60 d掺量0.3%的试件表观特征

2.1.2 现场试验试件表观损伤分析

现场试验的试件在前30d，外观的形态没有明显变化，当埋置60d后，埋置于土壤中的B端开始出现微小变化，表面吸附着稀散的白色物质(如图8所示)，而最为明显的是位于交界部位，交界部位的盐分相对于土壤内部的混凝土试件端面吸附较多，主要原因是土壤中的盐分随着水分而进行迁移，而混凝土的交界部位所处的温度和湿度相对于暴露在空气中和埋置在土壤里面的变化较大，盐分极易形成堆积。

图8 60 d后室外混凝土试件表观特征

从室内加速试验的试件表观损伤程度来看，掺入纤维的混凝土比未掺入纤维的混凝土的损伤程度要小，并且针对于0.1%、0.2%、0.3%这三种掺量而言，随着纤维掺量的增加，混凝土的表观损伤程度相对减小；在不同复合盐溶液中，则表现出随着复合盐溶液浓度的升高，混凝土的表观损伤相对增加。现场试验的混凝土外观所表现出的损伤现象变化也是呈现出随着纤维的掺入的增大，混凝土试件表面损伤相对较小。

出现上述的表观现象变化原因，主要是掺入的玄武岩纤维在混凝土中较为均匀的分布，对混凝土的内部的细微观结构进行了改善，玄武岩纤维的桥接作用，改变了混凝土因遭受复合盐溶液侵蚀而形成的裂缝发展方向，分解成更多的细小裂纹，从而减缓了混凝土试件的破坏。

2.2 室内外试件的相对质量变化规律及对比

2.2.1 室内试验试件相对质量变化规律及对比

图9、图10、图11、图12 给出了不同种类溶液下玄武岩纤维掺量分别在0%、0.1%、0.2%、0.3%时候的变化规律情况，从图中可以看出，掺入纤维的混凝土相对质量的变化波动比未掺入纤维的要小，图8中表明未掺入纤维的混凝土，在10倍的Na2SO4+MgSO4+NaCl复合盐溶液中相对质量随着干湿循环天数的增加而逐渐增加，主要原因是盐分随着水分的渗入与水泥的水化产物发生反应形成钙矾石和水化氯铝酸钙[18]，其生成的盐类物质的质量大于混凝土中溶出量。因此，在侵蚀早期会形成质量增加的现象。掺入0.1%、0.2%、0.3%玄武岩纤维混凝土，其相对质量的变化趋于平缓，图13、图14、图15对比分析可以看出纤维掺量在0.3%的时候，不同浓度的复合盐溶液中混凝土的相对质量比掺量为0.1%、0.2%所表现的性能要好。

图9 0%玄武岩纤维掺量相对质量评价参数变化

图10 0.1%玄武岩纤维掺量相对质量评价参数变化

图11 0.2%玄武岩纤维掺量相对质量评价参数变化

图12 0.3%玄武岩纤维掺量相对质量评价参数变化

图13 室外不同玄武岩纤维掺量混凝土相对质量评价参数变化

图14 0%玄武岩纤维掺量相对动弹性模量变化

图15 0.1%玄武岩纤维掺量相对动弹性模量变化

2.2.2 现场试验相对质量变化规律及对比

通过每个月对现场试验数据的采集与检测，从图13中可以看出，玄武岩纤维掺量在0.3%的时候其相对质量的变化，对比不掺入纤维以及掺量为0.1%和0.2%的纤维所表现的性能要好，能够使得相对质量整体维持在1.0左右。

从室内和现场的两种试验制度对比来看，玄武岩纤维的掺入能够有效的阻止混凝土遭受复合盐溶液以及土壤中的盐分的侵蚀，从本试验看出在纤维掺量为0.3%的时候，性能表现较为明显，使得混凝土的相对质量较为稳定。

2.3 试件的相对动弹性模量变化规律

2.3.1 室内试验试件相对动弹模量变化规律及对比

从图14、图15、图16、图17中可以看出玄武岩纤维掺量在0%、0.1%、0.2%、0.3%下，B端部位不同复合盐溶液中的相对动弹模量变化情况，可以看出不同纤维掺量的混凝土，其相对动弹性模量在前期出现增长趋势，且在5倍的Na2SO4+MgSO4+NaCl复合盐溶液中最为明显。

图16 0.2%玄武岩纤维掺量相对动弹性模量变化

图17 0.3%玄武岩纤维掺量相对动弹性模量变化

相对动弹性模量的早期增强，从理论上进行分析，可能是因为混凝土初期的侵蚀，因为盐分结晶物质的生成，起到了一定的密实和填充作用，使得混凝土在强度以及质量上都能有所提高。玄武岩纤维掺量在0.2%和0.3%时呈现一种波动状态的增强。

2.3.2 现场试验相对动弹性模量变化规律及对比

如图18所示，不同掺量的玄武岩纤维混凝土其相对动弹性模量在早期的120 d其变化趋势接近，趋于1.0左右，当进行120 d后玄武岩纤维掺量在0.3%时继续增长，达到180 d为一个峰点，此时掺量为0%、0.1%、0.2%的玄武岩纤维混凝土呈现小幅度的波动增长。图中的变化从原理上进行说明，在前期120 d内，混凝土内部并没有进入盐分而生成新的物质，当120 d后，盐分开始进入内部，早期混凝土的强度增加。

图18 室外不同玄武岩纤维掺量混凝土相对动弹模量评价参数变化

3 结论

(1)纤维掺量越多，混凝土试件表面的可见裂缝越少，表观损伤程度越轻。

(2)当纤维掺量为0.3%时，试件的相对质量评价参数变化波动较掺量为0%、0.1%、0.2%的依次变小，说明混凝土抵抗复合盐侵蚀的性能随纤维掺量的增加而增强。

(3)室内外的相对动弹性模量评价参数分析表明，室内混凝土侵蚀开始时间早于室外，且侵蚀的速度也较室外快，室外混凝土试件主要在210 d开始进入较为明显的腐蚀阶段，且劣化速度趋势是0.3%<0.2%<0.1%<0%。