复掺改性混凝土抗氯离子渗透性能的试验研究

何 琦

浙江同济科技职业学院，浙江 杭州 311231

“十三五”时期，大湾区、大花园、大通道大都市区建设作为浙江省“富民强省十大行动计划”之一，是浙江推进“两个高水平”建设的大平台，也是推动高质量发展的主战场。随着“四大建设”任务的推进，我省海洋近岸工程日益增多，长期以来，由于海洋环境对近岸混凝土结构的侵蚀，导致钢筋锈蚀而使结构丧失正常使用功能的现象时有发生［1-2］。因此，氯离子侵蚀已成为衡量海洋近岸工程钢筋混凝土结构耐久性的最主要指标之一［3］。本文通过复掺纳米二氧化硅粉和纤维，对复掺纳米二氧化硅粉-纤维改性混凝土抗氯离子渗透性能影响因素和规律进行研究和分析。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料

本试验原材料包括碎石、砂、水泥、纳米二氧化硅粉和钢纤维，碎石选用5～20 mm 粒径的连续级配碎石；砂选用普通河砂，细度模数2.80；水泥采用42.5 级普通硅酸盐水泥；纤维采用钢板剪切型钢纤维，主要性质见表1；采用纳米二氧化硅粉的主要性质见表2。

表1 钢纤维主要性质

表2 纳米二氧化硅粉主要性质

1.2 试验方案

1.2.1 试验设计

1）掺入纳米二氧化硅粉的考虑。

纳米二氧化硅粉和硅粉是两种不同的产品，硅粉是混凝土材料中常用的掺合料，其本身具有火山灰性，能与水泥等发生水化反应。而纳米二氧化硅粉是一种无机化工材料，其本身不具有火山灰性，不能与水泥等发生水化反应。但是，当纳米二氧化硅粉颗粒直径小于5 nm 时，其在改善混凝土拌合物性质，提高混凝土抗压强度，改善混凝土耐久性等方面具有良好的性能。尤其对于钢筋混凝土，掺入纳米二氧化硅粉能提高混凝土的抗炭化性，增加基体与钢筋间的粘结强度，增强钢筋的抗锈蚀能力。

2）掺入纤维的考虑。

纤维对基体的改性主要是利用纤维具有较大的拉伸强度和断裂韧性，尤其是钢纤维的强度大、韧性好，由钢纤维改性的水泥基复合材料具有良好的抗裂性、弯曲韧性和抗疲劳性。

目前，关于单掺纳米二氧化硅粉、单掺钢纤维等改性混凝土力学性能与耐久性能等方面的研究比较多见［4-5］，基于上述两者考虑，本试验采用纳米二氧化硅粉和钢纤维作为改性材料，希望通过复掺纳米二氧化硅粉和钢纤维等方法，在不影响改性混凝土的抗压强度和其他耐久性能的前提下，提高改性混凝土的抗氯离子渗透性能。

1.2.2 试验配合比

本试验配制的复掺纳米二氧化硅粉-纤维改性混凝土由主材（碎石、砂、水泥、水）和改性材料（纳米二氧化硅粉、钢纤维）组成，配合比设计见表3。

表3 配合比设计单位：kg/m3

1.2.3 试验方法

1）根据配合比设计要求，拌制不同配比的混凝土拌合物。在拌制复掺纳米二氧化硅粉-纤维改性混凝土拌合物时，先将碎石和钢纤维混合后，搅拌30 s，使钢纤维均匀分散，形成拌合物1；在拌合物1 中继续投放砂、水泥和纳米二氧化硅粉，搅拌30 s 后形成拌合物2；在搅拌状态下加水，继续搅拌3 min，形成复掺纳米二氧化硅粉-纤维改性混凝土拌合物。

2）将混凝土拌合物浇筑在直径d=100 mm，高度h=50 mm 的圆柱形模具中，机械振动模具至表面泛浆，静置24 h后脱模，放至标准养护室养护28 d。

3）提前24 h 配制氢氧化钠、氯化钠溶液，密封保存在20 ℃～25 ℃的环境中。

4）把试件从养护室取出后，对试件表面进行人工打磨光滑和清洁处理。把试件放置在氢氧化钠溶液中浸泡1 h，进行真空处理。

5）把真空处理后的试件放置在氯化钠溶液中，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）》的快速氯离子迁移系数法（RCM 法）［6］，测量生成的白色氯化银沉淀深度，即氯离子渗透深度。

2 试验结果分析

2.1 试验结果

混凝土非稳态氯离子迁移系数由下式计算：

式中：DRCM为混凝土非稳态氯离子迁移系数，m2/s；

U为所用电压的绝对值，V；

T为阳极溶液的初始温度和结束温度的平均值，K；

L为试件厚度，mm；

Xd为氯离子渗透深度的平均值，mm；

t为通电试验时间，h。

试验结果见表4。

表4 试验结果

2.2 单掺钢纤维

试验结果显示（图1），根据试验配合比拌制的普通混凝土P-0，其非稳态氯离子迁移系数（DRCM）为6.97E-12；掺入钢纤维体积率1%的改性混凝土B-1，其非稳态氯离子迁移系数（DRCM）为5.51E-12；掺入钢纤维体积率1.5%的改性混凝土B-2，其非稳态氯离子迁移系数（DRCM）为5.88E-12；掺入钢纤维体积率2%的改性混凝土B-3，其非稳态氯离子迁移系数（DRCM）为5.51E-12。从试验结果分析，普通混凝土在单掺钢纤维的情况下，其抗氯离子渗透性能虽有一定程度的提升，但是改善的效果不是十分明显。

图1 单掺钢纤维混凝土试件的DRCM

掺入钢纤维后，单掺钢纤维改性混凝土的弹性模量明显提高，使得混凝土的抗拉性和韧性明显增强，对提高混凝土抗氯离子渗透性能具有一定的影响和改善。同时，掺入钢纤维后其内部的收缩应力得到了分散和控制［7］，也提高了单掺钢纤维改性混凝土的抗裂性能，因此单掺钢纤维改性混凝土的抗氯离子渗透性能较普通混凝土有一定程度的提升。

从单掺钢纤维改性混凝土B-1、B-2、B-3等3个试件的DRCM数据分析，其变化趋势不明显。因此，掺入钢纤维虽然能提升混凝土的抗氯离子渗透性能，但是其提升效果与掺入量多少的关系不明显。

2.3 单掺纳米二氧化硅粉

试验结果显示（图2），根据试验配合比拌制的普通混凝土P-0，其非稳态氯离子迁移系数（DRCM）为6.97E-12；掺入1%纳米二氧化硅粉的改性混凝土G-1，其非稳态氯离子迁移系数（DRCM）为4.43E-12；掺入3%纳米二氧化硅粉的改性混凝土G-2，其非稳态氯离子迁移系数（DRCM）为4.06E-12；掺入5%纳米二氧化硅粉的改性混凝土G-3，其非稳态氯离子迁移系数（DRCM）为3.34E-12。从试验结果分析，普通混凝土在单掺纳米二氧化硅粉的情况下，其抗氯离子渗透性能均有比较显著的提升。

图2 单掺纳米二氧化硅粉混凝土试件的DRCM

由于纳米二氧化硅粉具有粒径小、分布均匀等特点，掺入纳米二氧化硅粉后，混凝土水泥浆体的结构缺陷能得到明显改善［8-9］，与普通混凝土和单掺钢纤维改性混凝土相比，单掺纳米二氧化硅粉改性混凝土的结构更为致密，其在改善混凝土抗氯离子渗透性能中发挥的作用更为明显。

从单掺纳米二氧化硅粉改性混凝土G-1、G-2、G-3等3 个试件的DRCM数据分析，随着纳米二氧化硅粉掺入量的提高，单掺纳米二氧化硅粉改性混凝土的非稳态氯离子迁移系数呈下降趋势。根据试验结果显示，在一定范围内，单掺纳米二氧化硅粉改性混凝土的抗氯离子渗透性能随着纳米二氧化硅粉掺入量的提高而不断增强。

2.4 复掺纳米二氧化硅粉⁃钢纤维

试验结果显示（图3），根据试验配合比拌制的普通混凝土P-0，其非稳态氯离子迁移系数（DRCM）为6.97E-12；复掺1%钢纤维体积率、1%纳米二氧化硅粉的改性混凝土F-1，其非稳态氯离子迁移系数（DRCM）为2.99E-12；复掺1.5%钢纤维体积率、3%纳米二氧化硅粉的改性混凝土F-2，其非稳态氯离子迁移系数（DRCM）为2.27E-12；复掺2%钢纤维体积率、5%纳米二氧化硅粉的改性混凝土F-3，其非稳态氯离子迁移系数（DRCM）为1.92E-12。从试验结果分析，普通混凝土在复掺纳米二氧化硅粉-钢纤维的情况下，其抗氯离子渗透性能均有显著的提升。

图3 复掺纳米二氧化硅粉-钢纤维混凝土试件的DRCM

普通混凝土掺入钢纤维后，虽然其抗裂性能有明显改善，但是在掺入钢纤维的过程中，钢纤维和混凝土基体之间形成了新的纤维-基体界面，这些新形成的界面对单掺钢纤维改性混凝土的致密性具有一定的影响［10］。在此基础上，再掺入纳米二氧化硅粉后，能进一步改善复掺纳米二氧化硅粉-纤维改性混凝土的致密性，进一步提升其抗氯离子渗透性能。

从复掺纳米二氧化硅粉-钢纤维改性混凝土F-1、F-2、F-3 等3 个试件的DRCM数据分析，随着纳米二氧化硅粉-钢纤维掺入量的提高，复掺纳米二氧化硅粉-钢纤维改性混凝土非稳态氯离子迁移系数呈下降趋势。根据数据显示，在一定范围内，复掺纳米二氧化硅粉-钢纤维改性混凝土的抗氯离子渗透性能随着纳米二氧化硅粉-钢纤维掺入量的提高而不断增强。

3 结语

1）普通混凝土在单掺钢纤维的情况下，抗氯离子渗透性能虽有一定程度的提升，但是改善的效果不大；同时，钢纤维掺入量与非稳态氯离子迁移系数（DRCM）之间的关系不明显。

2）与普通混凝土和单掺钢纤维改性混凝土相比，普通混凝土在单掺纳米二氧化硅粉的情况下，其抗氯离子渗透性能均有比较显著的提升；同时，在一定范围内，单掺纳米二氧化硅粉改性混凝土的抗氯离子渗透性能随着纳米二氧化硅粉掺入量的提高而不断增强。

3）普通混凝土在复掺纳米二氧化硅粉-钢纤维的情况下，其抗氯离子渗透性能均有显著的提升；同时，在一定范围内，复掺纳米二氧化硅粉-钢纤维改性混凝土的抗氯离子渗透性能随着纳米二氧化硅粉-钢纤维掺入量的提高而不断增强。