硫酸盐溶液浓度对钢纤维混凝土侵蚀性影响的试验研究

孙亚明

(沧州水利勘测规划设计院有限公司，河北 沧州 061000)

混凝土材料具有取材方便、经济实惠等诸多优势，是当前水工建筑领域的主要原材料之一。但是，混凝土也存在重量大、韧性差以及抗拉强度低等缺陷，会造成混凝土结构产生应力裂缝，进而影响到其耐久性和抗渗性，严重制约了其发展和应用范围[1]。因此，探索质量较轻，韧性较高的水工混凝土材料就成为重要的研究方向。将短细的钢纤维分布于普通混凝土形成的钢纤维混凝土，是一种可以浇筑和喷射的改性混凝土材料，而其中的钢纤维对控制混凝土内部的微裂缝具有十分重要的作用和价值，因此，在水利工程建设领域具有广泛的应用价值[2]。另一方面，随着工业经济的迅速发展，硫酸盐侵蚀已经成为水工混凝土耐久性破坏的重要因素，对混凝土材料的抗硫酸盐侵蚀性能研究具有重要的理论意义和工程实践价值[3]。

1 材料和方法

1.1 试验材料

此次试验中的钢纤维混凝土制备需要的材料主要包括水泥、骨料、钢纤维以及外加剂。其中，试验用水泥为P·O 42.5普通硅酸盐水泥。经测定，其初凝时间为272 min，终凝时间为355 min，28 d抗压强度为45.5 MPa，抗折强度为7.85 MPa；试验用粗骨料为粒径范围5～20 mm级配良好的石灰岩碎石，其堆积密度为1850 kg/m3，表观密度为2630 kg/m3，含泥量为1.88%，压碎率为5.65%；试验用细骨料为级配连续的天然河沙，其细度模数为2.5，堆积密度为1720 kg/m3，表观密度为2550 kg/m3，含泥量为3.21%，含水率为1.35%；试验用钢纤维为苏州史尉康弯钩型钢纤维，其长度为30 mm、直径为0.5 mm、弹性模量为200 GPa、抗拉强度为1195 MPa；试验用外加剂为聚羟酸减水剂，引气剂为三萜皂苷，试验用水为普通自来水。

1.2 试件制备

根据相关的设计规范以及水工领域的工程实际，确定钢纤维混凝土配合比。其中，水、水泥、细骨料、粗骨料、减水剂、引气剂和钢纤维的用量分别为150 kg/m3、375 kg/m3、765 kg/m3、1135 kg/m3、1.2 kg/m3、0.06 kg/m3、78 kg/m3。在钢纤维混凝土的制备过程中，为了保证钢纤维能够均匀混合到混凝土中，需要按照如下步骤制备：首先，按照上文的配合比称量好各种材料，将水泥和细骨料加入搅拌机搅拌1 min，然后，加入粗骨料和1/2的钢纤维以及40%的水，搅拌2 min，再加入剩余的水、减水剂和引气剂搅拌2 min，最后，加入剩余的钢纤维，搅拌2 min结束。

将制作完成的钢纤维混凝土装入棱长为100 mm的立方体模具，插捣、压实，随后放置24 h后脱模，再放入养护箱内，按照标准养护条件养护25 d[4]。养护完毕之后，将试件浸泡在清水中养护3 d，养护28 d使试件达到饱水状态。

1.3 试验方案与方法

为了研究硫酸盐的浓度对钢纤维混凝土侵蚀性的影响，试验中配置质量分数为2%、5%、10%的硫酸钠溶液进行硫酸盐侵蚀试验，将清水试验作为对比方案[5]。在钢纤维混凝土试件养护完成之后，测定其初始质量和抗压强度，然后，开始干湿循环条件下的硫酸盐侵蚀试验。试验采用CABR-LSB/Ⅱ型硫酸盐干湿循环测试系统[6]，具体试验方法如下：将试件分别放入三种不同浓度的硫酸钠溶液和清水中，浸泡15 h，箱体温度设定为25 ℃，然后，抽干箱内的溶液，风干30 min，再将温度升高至80 ℃，保持5.5 h，再将箱内的温度降低至常温冷却3 min，以上为一个试验循环。试验过程中共计进行60个试验循环，每5次试验循环测定一次试验数据，并做好数据记录。

试验过程中的试件称重使用电子秤，抗压强度试验采用万能试验机以及《混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)的要求执行[7]。劈裂抗拉试验采用FT2300万能压力伺服试验机进行，加载速率为110 N/s，直至试件破坏[8]。以试验中获取的数据为依据，计算不同试验循环条件下试件的质量损失率、抗压强度和劈拉强度耐腐蚀系数。其中，抗压强度和抗折强度耐蚀系数为侵蚀试验后的抗压(劈拉)强度与初始抗压(劈拉)强度之比。根据计算结果展开硫酸盐溶液浓度对钢纤维混凝土侵蚀性影响评价。

2 试验结果与分析

2.1 质量损失率

利用试验中获得的质量检测数据，计算出不同试验循环下的试件质量损失率，绘制出如图1所示的质量损失率变化曲线。由图可知，在清水试验条件下，试件的质量损失率随试验循环次数的增加呈现出逐渐减小的趋势，但是，减小的幅度极为有限。这说明清水溶液浸泡对试件的质量影响极为有限。在硫酸钠溶液的试验条件下，试件的质量随试验循环的增加呈现出先增加后减小的特征，试验结束时的质量损失率远大于清水试验方案。由此可见，不同浓度的硫酸盐溶液会对钢纤维混凝土产生十分明显的侵蚀作用，在工程设计和建设中要予以考虑。究其原因，试验之初由于混凝土比较密实，仅有较少的硫酸钠溶液渗入混凝土内部，而烘干过程中，渗入混凝土的硫酸钠溶液会有晶体析出，造成试件的质量增加。随着侵蚀作用的不断增强，混凝土表面的砂浆开始脱落，并造成比较明显的质量损失，试件的质量也不断减小。从不同的硫酸钠溶液浓度对比来看，溶液浓度越大，试验结束之后的质量损失也越大，说明硫酸盐溶液浓度越大，对钢纤维混凝土的侵蚀作用越强。

图1 质量损失率变化曲线

2.2 抗压强度耐蚀系数

利用试验中获得的抗压强度试验数据，计算出不同试验循环下的抗压强度耐蚀系数，绘制出如图2所示的抗压强度耐蚀系数变化曲线。由图可知，在清水试验条件下，试件的抗压强度耐蚀系数随试验循环次数的增加呈现出逐渐减小的趋势，但是，整体比较稳定，所以，清水溶液浸泡对试件的抗压强度影响极为有限。在硫酸钠溶液的试验条件下，试件的抗压强度耐蚀系数随试验循环的增加呈现出先增大后迅速减小的特点，说明硫酸盐溶液会对钢纤维混凝土产生十分明显的侵蚀作用。究其原因，试验之初的钢纤维混凝土比较密实，仅有较少的硫酸钠溶液能够渗入混凝土内部裂隙，这些溶液在结晶之后会对内部孔隙产生填充作用，增强试件的密实度和整体性，因此，抗压强度有所提高。之后，随着侵蚀作用的不断增强，混凝土表面的砂浆开始脱落，内部出现更多的孔隙，因此，抗压强度会明显下降。从不同的硫酸钠溶液浓度对比来看，溶液浓度越大，试验结束之后的抗压强度损失也越大，说明硫酸盐溶液浓度越大，对钢纤维混凝土的侵蚀作用越强。

图2 抗压强度耐蚀系数变化曲线

2.3 劈裂强度耐蚀系数

利用试验中获得的劈裂强度试验数据，计算出不同试验循环下的劈裂强度耐蚀系数，绘制出如图3所示的劈裂强度耐蚀系数变化曲线。由图可知，在清水试验条件下，试件的劈裂强度耐蚀系数随试验循环次数的增加呈现出逐渐减小的趋势，但减小的幅度十分有限，这说明清水对试件的劈裂强度影响不大。在硫酸钠溶液试验中，试件的劈裂强度耐蚀系数随试验循环的增加呈现出先增大后减小的特点，说明硫酸盐溶液会对钢纤维混凝土产生十分明显的侵蚀作用。原因与抗拉强度变化的原因基本相同，这里不再赘述。从不同的硫酸钠溶液浓度对比来看，溶液浓度越大，试验结束之后的劈裂强度损失也越大，说明硫酸盐溶液浓度越大，对钢纤维混凝土的侵蚀作用越强。

图3 劈裂强度耐蚀系数变化曲线

3 结 论

(1)在清水试验条件下，试件的质量损失率随试验循环次数的增加呈现出逐渐减小的趋势，但是减小的幅度极为有限。在硫酸钠溶液的试验条件下，试件的质量随试验循环的增加呈现出先增加后减小的特征，试验结束时的质量损失率远大于清水试验方案。从不同的硫酸钠溶液浓度对比来看，溶液浓度越大，试验结束之后的质量损失也越大。

(2)在清水试验条件下，试件的抗压强度耐蚀系数随试验循环次数的增加呈现出逐渐减小的趋势，但是整体比较稳定。在硫酸钠溶液的试验条件下，试件的抗压强度耐蚀系数随试验循环的增加呈现出先增大后迅速减小的特点。从不同的硫酸钠溶液浓度对比来看，溶液浓度越大，试验结束之后的抗压强度损失也越大。

(3)在清水试验条件下，试件的劈裂强度耐蚀系数随试验循环次数的增加呈现出逐渐减小的趋势，但减小的幅度十分有限。在硫酸钠溶液试验中，试件的劈裂强度耐蚀系数随试验循环的增加呈现出先增大后减小的特点。从不同的硫酸钠溶液浓度对比来看，溶液浓度越大，试验结束之后的劈裂强度损失也越大。