严苛侵蚀作用对优化导电混凝土性能的影响
2023-03-14王嘉豪孔祥东陈建康
王嘉豪,孔祥东,陈建康
(宁波大学压力容器与管道安全浙江省工程研究中心,宁波 315000)
0 引 言
导电混凝土自面世以来,被迅速应用于土木[1-4]、水利[5-7]和电力[8-10]工程等领域。近年来,随着导电混凝土在近海、盐湖或盐渍土等严苛腐蚀区域的应用推广,其服役性能的长期稳定性受到了严峻的考验,包括侵蚀性离子(氯离子、硫酸根离子等)的劣化作用与干湿交替的损伤作用等。
目前,国内外对导电混凝土的研究主要包括导电相材料的选择、热敏与机敏特性研究、结构防腐功能材料研究等。对导电相的研究主要是讨论各类导电填料(如碳纤维、石墨、钢纤维和复合相等)对混凝土力学与导电性能的影响:沈刚等[11]、郭传慧等[12]发现提高碳纤维掺量会增强试样的导电性能并降低抗压强度,碳纤维掺量为1%~2%(质量分数)时试样综合性能最佳;Sun等[13]发现导电混凝土复掺4%(质量分数)的石墨和15%(质量分数)的矿渣时导电性能和力学性能的平衡最佳;Dehghanpour等[14]发现在导电混凝土中添加再生纳米碳黑不但降低了导电混凝土的电阻率和成本,而且力学性能损失较少;El-Dieb等[15]综合强度、耐久性和电阻率等指标,研究了不同导电填料对混凝土的影响,发现添加7%(质量分数)的石墨时试样综合性能最佳。在热敏性研究方面,钱兴等[16]发现在低电压下复掺2%(质量分数)钢纤维和1.67%(质量分数)石墨的导电混凝土升温性能最佳;唐祖全等[17]发现预埋不锈钢电极有效提升了导电混凝土的热敏性能;Wang等[18]发现复掺0.2%(质量分数)的碳纤维和1.5%(质量分数)的石墨烯时导电混凝土的热敏性能最佳;Pan等[19]发现石墨降低了导电混凝土的沥青老化效应;Fulham-Lebrasseur等[20]制备了用于除冰的低成本导电混凝土板。在机敏性研究方面,李慧等[21]研究了导电混凝土在桥梁关键截面的应变状态检测;王丽娜等[22]、郑立霞等[23]发现导电混凝土三向受压与单向受压的机敏性变化趋势相同;范晓明等[24]发现在循环荷载下导电混凝土的电阻和应力存在对应关系;Wang等[25]发现对齐的不锈钢纤维使导电混凝土具备更好的机敏性能;Allam等[26]发现砂掺量为50%(体积分数)时机敏特性显著降低。在结构防腐功能材料研究方面,佘建初等[27]发现碳纤维导电砂浆覆盖层降低了钢筋保护需要的驱动电压;Feng等[28]发现碳纤维导电砂浆覆盖层配合牺牲阳极系统有效阻断了飞溅区的海水腐蚀;Bertolini等[29]讨论了导电混凝土阴极保护的电化学问题并发现了在腐蚀环境下导电混凝土的失效现象。
腐蚀环境会破坏导电混凝土原有的导电网络,严重影响导电混凝土服役的长期稳定性,而现有研究鲜见讨论导电混凝土在严苛腐蚀环境下的服役表现。因此,本文开展了耐硫酸盐腐蚀导电混凝土的配方优化设计,设计了4种不同粉煤灰、硅灰配合比的导电混凝土,在5%(质量分数)的Na2SO4溶液中分别进行0、100、200、300、400、500次干湿交替,并对腐蚀后导电混凝土的抗压强度、静态电阻率和动弹性模量等指标进行测试,最终确定具有较强耐久性和导电稳定性的导电混凝土材料配方。
1 实 验
1.1 材 料
试验所用材料包括:P·O 42.5R普通硅酸盐水泥,长度为3 mm的无胶短切碳纤维,石墨粉(纯度99%),粉煤灰,硅灰,消泡剂(磷酸三丁酯),高效减水剂(聚羧酸),分散剂(甲基纤维素)。详细参数见表1~表5。
表1 水泥基本物理力学性能Table 1 Basic physical and mechanical properties of cement
表2 粉煤灰基本物理力学性能Table 2 Basic physical and mechanical properties of fly ash
表3 硅灰化学成分Table 3 Chemical composition of silica fume
表4 短切碳纤维基本物理力学性能Table 4 Basic physical and mechanical properties of cropped carbon fiber
表5 石墨基本物理力学性能Table 5 Basic physical and mechanical properties of graphite
1.2 试样制备与腐蚀设计
粉煤灰和硅灰能够填充水泥颗粒之间的空隙,通过减少混凝土的孔隙率来提升混凝土的力学性能、耐久性和导电稳定性,本研究使用普通硅酸盐水泥作为凝胶材料,复掺10%(质量分数)的石墨和2%(质量分数)的碳纤维作为导电材料,设计了4种不同粉煤灰、硅灰配合比的导电混凝土,试样的水灰比均为0.4,尺寸100 mm×100 mm×100 mm,制备完成后在混凝土标准养护箱中养护28 d,混凝土试样配合比如表6所示。
表6 导电混凝土配合比Table 6 Mix ratio of conductive concrete
在试验箱中配制5%(质量分数)的Na2SO4溶液,每1次干湿交替中包含4 h干燥时间和4 h浸泡时间。干湿交替共6个周期,分别是0、100、200、300、400、500次。
1.3 抗压强度测试
每次腐蚀周期结束时,从抗硫酸盐干湿循环箱的每组试样中取3个样品测试抗压强度,测试设备为微机控制电液伺服万能试验机。
1.4 动弹性模量测试
导电混凝土中存在大量的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶,其是一种黏性材料。材料的黏度会影响超声波振幅的衰减和波形的分散,但不会改变波速,然而材料的损伤会影响波速,因此,从波速的降低可以计算出材料的损伤。本试验使用ZBL-US100的非金属超声检测仪测试试样中的超声波速,由于试样为立方体,且入射波位于试样表面的某一点,因此样品中传播的波大致可以视为纵波,则波速、密度和动弹性模量的关系如式(1)所示。
(1)
式中:c为波速;E为动弹性模量;υ为材料泊松比;ρ为材料密度。超声波速的测试方法如图1所示,测试时选择试样两侧较为平整的面,在平面的4个顶点附近以及中心测量5个点的材料超声波速取平均值以计算动弹性模量。
图1 导电混凝土超声波速的测量Fig.1 Measurement of ultrasonic wave velocity of conductive concrete
1.5 静态电阻率测试
试验采用静态电阻仪测量试样的静态电阻率,测试前让试样自然干燥。导电混凝土电阻率λ的计算如式(2)所示。
(2)
式中:λ为静态电阻率;R为两电极间的电阻;d为两电极间的距离;S为试样截面积。
1.6 微观形貌和物质组成分析
将样品喷金60 s后使用热场发射扫描电子显微镜(日立,SU5000,SEM)进行微观形貌观察,加速电压为20 kV。使用X射线衍射仪(XRD)检验试样腐蚀前后的物相组成,测试步速为3~4 (°)/min,扫描范围为5°~90°,步长为0.02°。
2 结果与讨论
2.1 导电混凝土随干湿交替和硫酸盐腐蚀的抗压强度弱化规律
图2(a)展示了试样腐蚀后抗压强度的演化规律。从图2(a)可以看出,随着干湿交替和硫酸盐腐蚀的进行,各组抗压强度均出现了不同程度的降低,这说明干湿交替和硫酸盐腐蚀造成了导电混凝土的力学性能弱化。此外,20FA5SF的抗压强度始终高于其他组。
为了能够更直观地表示导电混凝土在500次干湿交替和硫酸盐腐蚀下的弱化程度,残余强度百分比D如式(3)所示。
(3)
式中:σt为500次干湿交替后试样的抗压强度;σ0为试样初始抗压强度。
图2 导电混凝土抗压强度测试结果Fig.2 Compressive strength test results of conductive concrete
图2(b)为试样进行500次干湿交替和硫酸盐腐蚀后的残余强度百分比。从图2(b)中可以看出,随着腐蚀的进行,对照组和10FA15SF的抗压强度损失比较严重,而15FA10SF和20FA5SF的抗压强度损失较少,20FA5SF仅降低了1.4个百分点。这说明当粉煤灰和硅灰的复掺总量一定时,粉煤灰掺量的提高能够有效地减小导电混凝土孔隙率,提高导电混凝土的抗压强度和抗腐蚀能力。此外,当添加15%(质量分数)的硅灰时,试样抗压强度的劣化幅度高于对照组,这一现象归因为:在试样制备过程中,硅灰的需水量高,试样成型过程中形成的气泡难以通过振动的方式排出,造成混凝土宏观性能的劣化。
2.2 导电混凝土随干湿交替和硫酸盐腐蚀的动弹性模量演化规律
图3(a)展示了动弹性模量的演化规律。从图中可以看出,随着干湿交替和硫酸腐蚀的进行,各组的动弹性模量均有不同程度的下降,而20FA5SF的动弹性模量始终保持最高。由于各组初始模量不同,为了更直观地看出各组试样经过干湿交替和硫酸盐腐蚀后的损伤演化规律,定义损伤折减系数为η,则动弹性模量随腐蚀时间的变化规律如式(4)所示。
E=E0η(t)
(4)
式中:E0为试样的初始动弹性模量;t为腐蚀时间。
图3(b)展示了损伤折减系数η随干湿交替和硫酸盐腐蚀进行的演化规律。结果显示:各组试样在干湿交替0次到200次之间均经历了先损伤后增强的阶段;在第200次干湿交替后,对照组的损伤发展速度最快;而添加了粉煤灰和硅灰的其余各组均在不同程度上减少了损伤的发展,其中,20FA5SF的动弹性模量直到400次干湿交替后才开始下降。结合抗压强度和动弹性模量的试验结果可以看出,添加20%(质量分数)粉煤灰和5%(质量分数)硅灰的导电混凝土具备最优的耐久性。
图3 导电混凝土动弹性模量和损伤折减系数的演化规律Fig.3 Evolution law of dynamic modulus of elasticity and damage coefficient of conductive concrete
2.3 导电混凝土随干湿交替和硫酸盐腐蚀的静态电阻率变化规律
干湿交替和硫酸盐腐蚀会在导电混凝土中产生内膨胀力造成微裂纹的成核与发展,通过损伤增加导电夹杂的势垒使导电性能劣化。图4(a)展示了导电混凝土静态电阻率的演化规律,结果显示:硫酸盐腐蚀进行到后期时,对照组和10FA15SF的静态电阻率明显上升,而15FA10SF和20FA5SF则并未有明显波动。
为了直观地评估试样在干湿交替和硫酸盐腐蚀下静态电阻率的稳定性,计算了各组试样的静态电阻率,如图4(b)所示。结果显示:添加了粉煤灰和硅灰后,各组试样的导电稳定性均有提升,导电稳定性顺序为:对照组<10FA15SF<15FA10SF≈20FA5SF。这说明当粉煤灰和硅灰复掺总量一定时,通过提高粉煤灰的掺量占比能够有效提高导电混凝土的孔隙率,且可通过提高导电混凝土的力学性能来保证导电混凝土静态电阻率的稳定性。
图4 静态电阻率测试结果Fig.4 Test results of static resistivity
图5 导电混凝土服役性能劣化指标ωFig.5 Deterioration index of service performance ω of conductive concrete
为了更加直观地对比各组试样在干湿交替和硫酸盐腐蚀后的耐久性和导电稳定性,定义了导电混凝土的服役性能劣化指标ω(见式(5))。
ω=(1-η0)·σc
(5)
式中:η0为达到500次干湿交替时的损伤折减系数;σc为静态电阻率标准差。
图5展示了导电混凝土服役性能劣化指标ω。从图5可以看出,各组导电混凝土的性能劣化幅度由大到小为:对照组>10FA15SF>15FA10SF>20FA5SF,这说明添加粉煤灰和硅灰可以减少干湿交替和硫酸盐腐蚀造成的性能劣化。当粉煤灰和硅灰的总量一定时,提高粉煤灰的占比有利于进一步降低导电混凝土性能劣化幅度。在本次试验中,添加20%(质量分数)粉煤灰和5%(质量分数)硅灰的导电混凝土展现出最优的耐久性和导电稳定性。
2.4 导电混凝土SEM和XRD测试结果
硫酸根离子与水泥基材料的反应主要包含两个阶段:第一阶段是硫酸根离子与氢氧化钙反应生成二水石膏;第二阶段是二水石膏进一步与铝酸钙反应生成钙矾石。其化学反应式如式(6)~式(9)所示。
(6)
(7)
(8)
(9)
取对照组导电混凝土试样的粉末进行XRD测试,表7~表9展示了其0、200和500次干湿交替后的物质组成。在500次干湿交替和硫酸盐腐蚀的周期中,腐蚀前期的损伤主要由二水石膏造成,而发展到腐蚀后期的损伤则是钙矾石和二水石膏的共同作用。
表7 对照组干湿交替0次后的化学组成Table 7 Chemical composition of control group after 0 times of alternating wetting and drying
表8 对照组干湿交替200次后的化学组成Table 8 Chemical composition of control group after 200 times of alternating wetting and drying
表9 对照组干湿交替500次后的化学组成Table 9 Chemical composition of control group after 500 times of alternating wetting and drying
图6展示了干湿交替500次后对照组样品的SEM照片。如图6所示,在干湿交替500次的样品中发现了钙矾石,这表明发展到腐蚀后期时钙矾石加剧了材料损伤。钙矾石会在导电混凝土的微孔隙中生长并产生内膨胀力,造成微裂纹的成核与发展,进而劣化导电混凝土的强度和导电稳定性。
图6 干湿交替500次后对照组样品的SEM照片Fig.6 SEM images of control group after 500 times of alternating wetting and drying
3 结 论
1)干湿交替和硫酸盐腐蚀会造成导电混凝土的强度损失和电学性能劣化。XRD分析结果显示,腐蚀前期的损伤主要由二水石膏造成,而腐蚀后期的损伤则是钙矾石和二水石膏的共同作用。
2)添加粉煤灰和硅灰可以有效地提升导电混凝土在干湿交替和硫酸盐腐蚀下的耐久性和导电稳定性。添加20%(质量分数)粉煤灰和5%(质量分数)硅灰的导电混凝土在500次干湿交替后其抗压强度只损失了1.4个百分点,且导电稳定性最优。此外,当粉煤灰和硅灰的总掺量一定时,提高粉煤灰的掺量占比能够有效降低干湿交替和硫酸盐腐蚀带来的强度损失,并提高导电混凝土的导电稳定性。
3)结合导电混凝土的力学性能、电学性能变化定义了服役性能劣化指标,以此指标评估了各组导电混凝土在干湿交替和硫酸盐腐蚀下的性能劣化程度,各组导电混凝土的性能劣化幅度由大到小为:对照组>10FA15SF>15FA10SF>20FA5SF。