硫酸鈣晶須-玄武巖纖維混凝土抗氯離子滲透性能試驗(yàn)*

李趁趁 張文彬 張 普 李春躍

(鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院, 鄭州 450001)

抗氯離子滲透性能是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)鍵因素之一。在沿海地區(qū)，氯離子侵蝕以海水浸泡、海風(fēng)海霧侵蝕等形式為主；在一些擁有鹽湖和鹽堿地的城市，氯離子侵蝕主要以湖泊中的氯鹽侵蝕為主；在北方地區(qū)的一些城市則以工業(yè)廢水中富含的氯離子侵蝕和除冰鹽中的氯離子侵蝕為主。由于氯離子侵蝕導(dǎo)致的鋼筋銹蝕不僅引發(fā)結(jié)構(gòu)本身的一系列安全性和耐久性問(wèn)題，也給國(guó)家每年造成了不可估量的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。因此，提高混凝土抗氯離子滲透性能，對(duì)于預(yù)防或減緩建筑結(jié)構(gòu)過(guò)早破壞，提高其壽命和耐久性具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

隨著新型建筑材料的研究和不斷發(fā)展，各種纖維、納米與亞納米材料以及混凝土外加劑的出現(xiàn)逐步改變?cè)谢炷恋奶匦裕挂组_(kāi)裂的混凝土朝著高強(qiáng)度、高性能和高耐久性方向發(fā)展，為解決傳統(tǒng)混凝土存在的問(wèn)題提供了重要的途徑[3-5]。

本文所研究的玄武巖纖維和亞納米粒徑的硫酸鈣晶須均為綠色天然的環(huán)保材料，其中玄武巖纖維以天然的玄武巖礦石為原料經(jīng)破碎后在高溫后拉伸成連續(xù)纖維，熔化過(guò)程不產(chǎn)生有害氣體和工業(yè)垃圾。已有研究[6-14]顯示，在混凝土中摻入玄武巖纖維可以改善混凝土的力學(xué)性能，提高混凝土的抗裂性能、抗凍性能等，但關(guān)于玄武巖纖維的摻入能否改善混凝土抗氯離子滲透性的相關(guān)研究結(jié)論存在較大差異[9-14]，限制了玄武巖纖維在混凝土結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用。硫酸鈣晶須是由工業(yè)副產(chǎn)品石膏經(jīng)過(guò)特殊工藝形成，屬于無(wú)機(jī)鹽晶須的一種，具有粒徑微細(xì)、強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)、耐高溫、耐腐蝕、易進(jìn)行表面處理等優(yōu)點(diǎn)[15-16]。硫酸鈣晶須可作為水泥基復(fù)合材料的增強(qiáng)材料、摩擦材料的填充料、造紙工程填充料、瀝青改性材料以及石膏板增強(qiáng)材料，在多個(gè)領(lǐng)域具有廣闊的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景[17-23]。已有研究表明，在適量的范圍內(nèi)，硫酸鈣晶須可以改善水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能[23-24]；摻加硫酸鈣晶須的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)均小于普通混凝土，但隨著碳化時(shí)間的增加，兩者之間的差值減小[25]。利用工業(yè)廢料石膏生產(chǎn)高附加值的硫酸鈣晶須，既做到了變廢為寶，又提高了新型建筑材料多元復(fù)合化的選擇。目前關(guān)于硫酸鈣晶須單摻及其與玄武巖纖維混摻混凝土在抗氯離子滲透性能方面的研究分析還很少。因此，研究它們對(duì)普通混凝土抗氯離子滲透性能的影響對(duì)保護(hù)環(huán)境和提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性具有重要意義，對(duì)推廣玄武巖纖維和硫酸鈣晶須在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用也起著積極作用。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料及配合比

試驗(yàn)?zāi)z凝材料采用普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5)；細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.92的中河沙；粗骨料為5～20 mm連續(xù)級(jí)配的碎石；短切玄武巖纖維的主要物理和力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示；硫酸鈣晶須為無(wú)水硫酸鈣晶須，性能指標(biāo)如表2所示；減水劑為PC1022型粉末狀聚羧酸減水劑。

表1 玄武巖纖維物理、力學(xué)性能指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical properties of basalt fiber

表2 硫酸鈣晶須性能指標(biāo)Table 2 Performance indexes of calcium sulfate whisker

試驗(yàn)依據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[26]、JTG/J 221—2010《纖維混凝土技術(shù)應(yīng)用規(guī)程》[27]進(jìn)行纖維混凝土的配制。試驗(yàn)中玄武巖纖維包括0%、0.1%、0.2%和0.3%四種體積率，硫酸鈣晶須選用0%、1%、2%、3%和4%五種質(zhì)量摻量(為水泥質(zhì)量占比)，共澆筑20組試件，每組包含3個(gè)相同試件?？箟簭?qiáng)度試驗(yàn)選用150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，試驗(yàn)方法參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[28]?；炷僚浜媳燃?8 d混凝土抗壓強(qiáng)度如表3所示。

表3 混凝土配合比及28 d立方體抗壓強(qiáng)度Table 3 Mix proportion of concrete and 28 d cube compressive strength

1.2 試驗(yàn)方法與試件制作

抗氯離子滲透性能試驗(yàn)參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[29]進(jìn)行，采用快速氯離子遷移系數(shù)法(RCM法)。試驗(yàn)采用直徑為(100±1)mm，厚度為(50±2)mm圓柱體試件，如圖1所示。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，本文測(cè)定了單摻玄武巖纖維、單摻硫酸鈣晶須和復(fù)摻纖維和晶須混凝土的抗氯離子滲透性能。

a—圓柱體試件； b—厚度測(cè)量。圖1 試件及尺寸測(cè)量Fig.1 Specimen and dimension measurement

試驗(yàn)采用北京耐得爾儀器設(shè)備公司生產(chǎn)的RCM-NTB型氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀，如圖2所示。試驗(yàn)得到非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)(DRCM)，DRCM越高，代表混凝土抗氯離子滲透性能越差；DRCM越小，代表混凝土抗氯離子滲透性能越好。

a—試驗(yàn)裝置示意； b—試驗(yàn)過(guò)程。圖2 快速氯離子遷移系數(shù)測(cè)定Fig.2 The determination of rapid chloride ions migration coefficient

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 玄武巖纖維體積率對(duì)混凝土氯離子遷移系數(shù)影響

圖3顯示了在不同質(zhì)量摻量硫酸鈣晶須下的混凝土氯離子遷移系數(shù)隨玄武巖纖維體積率變化規(guī)律。

圖3 玄武巖纖維體積率對(duì)混凝土氯離子遷移系數(shù)影響Fig.3 Effect of basalt fiber volume ratio on chloride ion migration coefficient of concrete

當(dāng)硫酸鈣晶須(CSW)摻量為0%時(shí)為單摻玄武巖纖維混凝土?？梢钥闯觯瑔螕叫鋷r纖維時(shí)，隨著玄武巖纖維摻量的增加，混凝土氯離子遷移系數(shù)先降后增，表明混凝土抗氯離子滲透性能先提高后降低。當(dāng)纖維摻量為0.1%和0.2%時(shí)，混凝土試件的抗氯離子滲透性較普通混凝土提高5.3%和8.4%，提高效果不明顯；當(dāng)纖維摻量為0.3%時(shí)，抗氯離子滲透性能有所下降，較普通混凝土降低8.4%。

分析原因，混凝土是由水泥水化后形成的硬化漿體和包裹在漿體中的骨料組成的多孔材料，其內(nèi)部存在較多的孔隙，在玄武巖纖維攪拌后分散性良好的情況下，纖維的加入能夠有效地填充混凝土內(nèi)部的空隙，降低大孔徑所占比例，細(xì)化孔隙結(jié)構(gòu)分布，增加混凝土密實(shí)性，從而提高混凝土抗氯離子滲透性能[30]。但當(dāng)玄武巖纖維摻量過(guò)多時(shí)，一方面，過(guò)多的玄武巖纖維需要更多的水泥漿體的包裹，減少了膠凝材料對(duì)骨料的包裹，降低了混凝土流動(dòng)性與密實(shí)性，增加了混凝土的孔隙率。另一方面，玄武巖纖維表面覆蓋的一層保護(hù)原絲的浸潤(rùn)劑降低了纖維本身的親水性，使得纖維與水泥基體之間黏結(jié)性降低，二者之間的界面相對(duì)薄弱，為氯離子的遷移提供了通道，摻量越多，通道就越多[9]。這些因素都引起了混凝土抗氯離子滲透性能的下降。

當(dāng)晶須摻量為1%時(shí)，與不摻玄武巖纖維相比，玄武巖纖維的加入降低了氯離子遷移系數(shù)，提高了混凝土抗氯離子滲透性能。當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.1%時(shí)，對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能改善最好，比未摻玄武巖纖維混凝土(B0W1組)氯離子遷移系數(shù)降低20%，較普通混凝土(B0W0組)降低24.2%。結(jié)合后面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)一起分析原因，這主要得益于晶須的填充作用，作為亞納米級(jí)材料，晶須在混凝土中既優(yōu)化了集料的粒徑分布，又填充了基體內(nèi)部的孔隙，改善了玄武巖纖維與混凝土基體的界面黏結(jié)效果。

當(dāng)晶須摻量為2%、3%和4%時(shí)，與不摻玄武巖纖維相比，玄武巖纖維的加入均提高了混凝土的氯離子遷移系數(shù)，降低了混凝土的抗氯離子滲透性能。這主要是因?yàn)椋寒?dāng)晶須摻量較多時(shí)，隨著玄武巖纖維的增加，一方面二者需要更多的膠凝材料對(duì)自身裹覆，另一方面纖維和晶須的摻量較高時(shí)，兩種復(fù)合材料在基體內(nèi)部容易引起攪拌不均勻而結(jié)團(tuán)，為氯離子在混凝土中的遷移提供了更多通道。

綜合本文與相關(guān)文獻(xiàn)[9-14]試驗(yàn)結(jié)果可知，玄武巖纖維對(duì)混凝土的抗氯離子滲透性能影響受混凝土基體組成成分影響很大，基體不一樣，它的影響規(guī)律不一樣，有時(shí)候是提高基體混凝土抗氯離子滲透性能，有時(shí)候是降低基體混凝土的抗氯離子滲透性能?？傊鋷r纖維對(duì)混凝土的抗氯離子滲透性能影響規(guī)律不明顯，它不是提高混凝土抗氯離子滲透性能的關(guān)鍵因素，影響或提高混凝土抗氯離子滲透性能的關(guān)鍵因素是其他礦物摻和料(如硅灰與粉煤灰、硫酸鈣晶須等)或外加劑(如引氣劑、膨脹劑)等的加入。

2.2 硫酸鈣晶須質(zhì)量摻量對(duì)混凝土氯離子遷移系數(shù)影響

圖4繪制出了不同玄武巖纖維摻量下硫酸鈣晶須對(duì)混凝土氯離子遷移系數(shù)的影響。

圖4 硫酸鈣晶須質(zhì)量摻量對(duì)混凝土氯離子遷移系數(shù)影響Fig.4 Influence of mass content of calcium sulfate whiskers on the chloride ion migration coefficient of concrete

當(dāng)玄武巖纖維(BF)摻量為0%時(shí)為單摻硫酸鈣晶須混凝土?？梢钥闯?，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，單摻硫酸鈣晶須時(shí)，硫酸鈣晶須的加入降低了混凝土的氯離子遷移系數(shù)，改善了混凝土的抗氯離子滲透性能。隨著硫酸鈣晶須的增加，混凝土抗氯離子滲透性能達(dá)到最佳后有所降低，但較普通混凝土(B0W0組)均有所提升。在單摻硫酸鈣晶須摻量為2%和3%時(shí)，混凝土抗氯離子滲透性能提升效果較為明顯，分別提高了36.8%和24.2%。以合適摻量單摻硫酸鈣晶須對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能改善效果明顯優(yōu)于單摻玄武巖纖維。

當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.1%和0.2%時(shí)，硫酸鈣晶須摻量均為2%時(shí)效果最好，分別較未摻晶須的混凝土(B0.1W0)和(B0.2W0)提高30.0%和25.3%，較普通混凝土(B0W0組)分別提高33.7%和31.6%。當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.3%時(shí)，晶須摻量為1%時(shí)改善效果最佳，較未摻晶須的混凝土(B0.3W0)提高24.3%，較普通混凝土(B0W0組)提高17.9%。從圖4還可以看出，在硫酸鈣晶須質(zhì)量摻量為4%時(shí)，所有試件的抗氯離子滲透性能都低于普通混凝土(B0W0組)。這也說(shuō)明硫酸鈣晶須摻量并不是越多越好，只有適量的硫酸鈣晶須和玄武巖纖維復(fù)摻才能有效改善混凝土抗氯離子滲透性能。

2.3 微觀(guān)形貌試驗(yàn)結(jié)果

圖5顯示了單摻硫酸鈣晶須為2%時(shí)混凝土的微觀(guān)形貌，由圖可以看出，混凝土微觀(guān)結(jié)構(gòu)主要有絮狀的水化硅酸鈣、六角薄板層狀的Ca(OH)2、針狀的鈣礬石以及硫酸鈣晶須等構(gòu)成。硫酸鈣晶須首先作為一種微集料，適量摻量的晶須能夠很好地填充混凝土內(nèi)部微小的孔隙，改變了混凝土本身的孔結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了孔徑分布，減少了大孔的出現(xiàn)，提高了混凝土的密實(shí)程度，這是其有效改善混凝土抗氯離子滲透能的重要原因。其次，硫酸鈣晶須作為一種“微纖維”，橋接在水化產(chǎn)物之間，起到橋梁的作用，同時(shí)晶須表面較為粗糙且有條狀凸起，提供了能夠與水化產(chǎn)物組成較為密實(shí)整體的基礎(chǔ)，強(qiáng)化了骨料與硬化漿體的聯(lián)系，使混凝土成為致密的連續(xù)體。

圖5 硫酸鈣晶須質(zhì)量摻量為2%時(shí)混凝土的微觀(guān)形貌Fig.5 Microstructure of concrete with 2% calcium sulfate whisker

由圖6可知，當(dāng)硫酸鈣晶須摻量較多(本文為4%)時(shí)，硫酸鈣晶須在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)不同區(qū)域的結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，這種晶須的松散堆積會(huì)導(dǎo)致密實(shí)性的下降，為氯離子的遷移提供了大量的通道，降低了混凝土抗氯離子滲透性能。

圖6 混凝土內(nèi)硫酸鈣晶須結(jié)團(tuán)現(xiàn)象(摻量4%)Fig.6 CaSO4 whisker agglomeration in concrete (4% dosage)

3 結(jié)束語(yǔ)

1)玄武巖纖維對(duì)混凝土的抗氯離子滲透性能影響規(guī)律不明顯，這與混凝土基體組成成分有關(guān)。玄武巖纖維不是提高混凝土抗氯離子滲透性能的關(guān)鍵因素，影響或提高混凝土抗氯離子滲透性能的關(guān)鍵因素是其他礦物摻和料(如硅灰與粉煤灰、硫酸鈣晶須等)或外加劑(如引氣劑、膨脹劑)等的加入。

2)以合適的摻量單摻硫酸鈣晶須可以提高普通混凝土抗氯離子滲透性能，效果明顯優(yōu)于單摻玄武巖纖維。單摻硫酸鈣晶須最佳摻量為2%，此時(shí)抗氯離子滲透性能較普通混凝土提高36.8%。

3)適量復(fù)摻合玄武巖纖維和硫酸鈣晶須能夠提高混凝土的抗氯離子滲透性能，最大提高率為33.7%，此時(shí)玄武巖纖維體積摻量為0.1%，硫酸鈣晶須摻量為2%；復(fù)摻兩種纖維時(shí)混凝土抗氯離子滲透性能提高的貢獻(xiàn)主要來(lái)自硫酸鈣晶須。

4)硫酸鈣晶須的填充和橋接作用提高了混凝土的抗氯離子滲透性能。