復(fù)摻改性混凝土抗氯離子滲透性能的試驗(yàn)研究

何 琦

浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231

“十三五”時(shí)期，大灣區(qū)、大花園、大通道大都市區(qū)建設(shè)作為浙江省“富民強(qiáng)省十大行動(dòng)計(jì)劃”之一，是浙江推進(jìn)“兩個(gè)高水平”建設(shè)的大平臺(tái)，也是推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展的主戰(zhàn)場(chǎng)。隨著“四大建設(shè)”任務(wù)的推進(jìn)，我省海洋近岸工程日益增多，長(zhǎng)期以來，由于海洋環(huán)境對(duì)近岸混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕，導(dǎo)致鋼筋銹蝕而使結(jié)構(gòu)喪失正常使用功能的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生［1-2］。因此，氯離子侵蝕已成為衡量海洋近岸工程鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的最主要指標(biāo)之一［3］。本文通過復(fù)摻納米二氧化硅粉和纖維，對(duì)復(fù)摻納米二氧化硅粉-纖維改性混凝土抗氯離子滲透性能影響因素和規(guī)律進(jìn)行研究和分析。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料

本試驗(yàn)原材料包括碎石、砂、水泥、納米二氧化硅粉和鋼纖維，碎石選用5～20 mm 粒徑的連續(xù)級(jí)配碎石；砂選用普通河砂，細(xì)度模數(shù)2.80；水泥采用42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥；纖維采用鋼板剪切型鋼纖維，主要性質(zhì)見表1；采用納米二氧化硅粉的主要性質(zhì)見表2。

表1 鋼纖維主要性質(zhì)

表2 納米二氧化硅粉主要性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1）摻入納米二氧化硅粉的考慮。

納米二氧化硅粉和硅粉是兩種不同的產(chǎn)品，硅粉是混凝土材料中常用的摻合料，其本身具有火山灰性，能與水泥等發(fā)生水化反應(yīng)。而納米二氧化硅粉是一種無機(jī)化工材料，其本身不具有火山灰性，不能與水泥等發(fā)生水化反應(yīng)。但是，當(dāng)納米二氧化硅粉顆粒直徑小于5 nm 時(shí)，其在改善混凝土拌合物性質(zhì)，提高混凝土抗壓強(qiáng)度，改善混凝土耐久性等方面具有良好的性能。尤其對(duì)于鋼筋混凝土，摻入納米二氧化硅粉能提高混凝土的抗炭化性，增加基體與鋼筋間的粘結(jié)強(qiáng)度，增強(qiáng)鋼筋的抗銹蝕能力。

2）摻入纖維的考慮。

纖維對(duì)基體的改性主要是利用纖維具有較大的拉伸強(qiáng)度和斷裂韌性，尤其是鋼纖維的強(qiáng)度大、韌性好，由鋼纖維改性的水泥基復(fù)合材料具有良好的抗裂性、彎曲韌性和抗疲勞性。

目前，關(guān)于單摻納米二氧化硅粉、單摻鋼纖維等改性混凝土力學(xué)性能與耐久性能等方面的研究比較多見［4-5］，基于上述兩者考慮，本試驗(yàn)采用納米二氧化硅粉和鋼纖維作為改性材料，希望通過復(fù)摻納米二氧化硅粉和鋼纖維等方法，在不影響改性混凝土的抗壓強(qiáng)度和其他耐久性能的前提下，提高改性混凝土的抗氯離子滲透性能。

1.2.2 試驗(yàn)配合比

本試驗(yàn)配制的復(fù)摻納米二氧化硅粉-纖維改性混凝土由主材（碎石、砂、水泥、水）和改性材料（納米二氧化硅粉、鋼纖維）組成，配合比設(shè)計(jì)見表3。

表3 配合比設(shè)計(jì)單位：kg/m3

1.2.3 試驗(yàn)方法

1）根據(jù)配合比設(shè)計(jì)要求，拌制不同配比的混凝土拌合物。在拌制復(fù)摻納米二氧化硅粉-纖維改性混凝土拌合物時(shí)，先將碎石和鋼纖維混合后，攪拌30 s，使鋼纖維均勻分散，形成拌合物1；在拌合物1 中繼續(xù)投放砂、水泥和納米二氧化硅粉，攪拌30 s 后形成拌合物2；在攪拌狀態(tài)下加水，繼續(xù)攪拌3 min，形成復(fù)摻納米二氧化硅粉-纖維改性混凝土拌合物。

2）將混凝土拌合物澆筑在直徑d=100 mm，高度h=50 mm 的圓柱形模具中，機(jī)械振動(dòng)模具至表面泛漿，靜置24 h后脫模，放至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d。

3）提前24 h 配制氫氧化鈉、氯化鈉溶液，密封保存在20 ℃～25 ℃的環(huán)境中。

4）把試件從養(yǎng)護(hù)室取出后，對(duì)試件表面進(jìn)行人工打磨光滑和清潔處理。把試件放置在氫氧化鈉溶液中浸泡1 h，進(jìn)行真空處理。

5）把真空處理后的試件放置在氯化鈉溶液中，根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 50082—2009）》的快速氯離子遷移系數(shù)法（RCM 法）［6］，測(cè)量生成的白色氯化銀沉淀深度，即氯離子滲透深度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

混凝土非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)由下式計(jì)算：

式中：DRCM為混凝土非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)，m2/s；

U為所用電壓的絕對(duì)值，V；

T為陽(yáng)極溶液的初始溫度和結(jié)束溫度的平均值，K；

L為試件厚度，mm；

Xd為氯離子滲透深度的平均值，mm；

t為通電試驗(yàn)時(shí)間，h。

試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 試驗(yàn)結(jié)果

2.2 單摻鋼纖維

試驗(yàn)結(jié)果顯示（圖1），根據(jù)試驗(yàn)配合比拌制的普通混凝土P-0，其非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)（DRCM）為6.97E-12；摻入鋼纖維體積率1%的改性混凝土B-1，其非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)（DRCM）為5.51E-12；摻入鋼纖維體積率1.5%的改性混凝土B-2，其非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)（DRCM）為5.88E-12；摻入鋼纖維體積率2%的改性混凝土B-3，其非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)（DRCM）為5.51E-12。從試驗(yàn)結(jié)果分析，普通混凝土在單摻鋼纖維的情況下，其抗氯離子滲透性能雖有一定程度的提升，但是改善的效果不是十分明顯。

圖1 單摻鋼纖維混凝土試件的DRCM

摻入鋼纖維后，單摻鋼纖維改性混凝土的彈性模量明顯提高，使得混凝土的抗拉性和韌性明顯增強(qiáng)，對(duì)提高混凝土抗氯離子滲透性能具有一定的影響和改善。同時(shí)，摻入鋼纖維后其內(nèi)部的收縮應(yīng)力得到了分散和控制［7］，也提高了單摻鋼纖維改性混凝土的抗裂性能，因此單摻鋼纖維改性混凝土的抗氯離子滲透性能較普通混凝土有一定程度的提升。

從單摻鋼纖維改性混凝土B-1、B-2、B-3等3個(gè)試件的DRCM數(shù)據(jù)分析，其變化趨勢(shì)不明顯。因此，摻入鋼纖維雖然能提升混凝土的抗氯離子滲透性能，但是其提升效果與摻入量多少的關(guān)系不明顯。

2.3 單摻納米二氧化硅粉

試驗(yàn)結(jié)果顯示（圖2），根據(jù)試驗(yàn)配合比拌制的普通混凝土P-0，其非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)（DRCM）為6.97E-12；摻入1%納米二氧化硅粉的改性混凝土G-1，其非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)（DRCM）為4.43E-12；摻入3%納米二氧化硅粉的改性混凝土G-2，其非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)（DRCM）為4.06E-12；摻入5%納米二氧化硅粉的改性混凝土G-3，其非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)（DRCM）為3.34E-12。從試驗(yàn)結(jié)果分析，普通混凝土在單摻納米二氧化硅粉的情況下，其抗氯離子滲透性能均有比較顯著的提升。

圖2 單摻納米二氧化硅粉混凝土試件的DRCM

由于納米二氧化硅粉具有粒徑小、分布均勻等特點(diǎn)，摻入納米二氧化硅粉后，混凝土水泥漿體的結(jié)構(gòu)缺陷能得到明顯改善［8-9］，與普通混凝土和單摻鋼纖維改性混凝土相比，單摻納米二氧化硅粉改性混凝土的結(jié)構(gòu)更為致密，其在改善混凝土抗氯離子滲透性能中發(fā)揮的作用更為明顯。

從單摻納米二氧化硅粉改性混凝土G-1、G-2、G-3等3 個(gè)試件的DRCM數(shù)據(jù)分析，隨著納米二氧化硅粉摻入量的提高，單摻納米二氧化硅粉改性混凝土的非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)呈下降趨勢(shì)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果顯示，在一定范圍內(nèi)，單摻納米二氧化硅粉改性混凝土的抗氯離子滲透性能隨著納米二氧化硅粉摻入量的提高而不斷增強(qiáng)。

2.4 復(fù)摻納米二氧化硅粉?鋼纖維

試驗(yàn)結(jié)果顯示（圖3），根據(jù)試驗(yàn)配合比拌制的普通混凝土P-0，其非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)（DRCM）為6.97E-12；復(fù)摻1%鋼纖維體積率、1%納米二氧化硅粉的改性混凝土F-1，其非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)（DRCM）為2.99E-12；復(fù)摻1.5%鋼纖維體積率、3%納米二氧化硅粉的改性混凝土F-2，其非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)（DRCM）為2.27E-12；復(fù)摻2%鋼纖維體積率、5%納米二氧化硅粉的改性混凝土F-3，其非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)（DRCM）為1.92E-12。從試驗(yàn)結(jié)果分析，普通混凝土在復(fù)摻納米二氧化硅粉-鋼纖維的情況下，其抗氯離子滲透性能均有顯著的提升。

圖3 復(fù)摻納米二氧化硅粉-鋼纖維混凝土試件的DRCM

普通混凝土摻入鋼纖維后，雖然其抗裂性能有明顯改善，但是在摻入鋼纖維的過程中，鋼纖維和混凝土基體之間形成了新的纖維-基體界面，這些新形成的界面對(duì)單摻鋼纖維改性混凝土的致密性具有一定的影響［10］。在此基礎(chǔ)上，再摻入納米二氧化硅粉后，能進(jìn)一步改善復(fù)摻納米二氧化硅粉-纖維改性混凝土的致密性，進(jìn)一步提升其抗氯離子滲透性能。

從復(fù)摻納米二氧化硅粉-鋼纖維改性混凝土F-1、F-2、F-3 等3 個(gè)試件的DRCM數(shù)據(jù)分析，隨著納米二氧化硅粉-鋼纖維摻入量的提高，復(fù)摻納米二氧化硅粉-鋼纖維改性混凝土非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)呈下降趨勢(shì)。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，在一定范圍內(nèi)，復(fù)摻納米二氧化硅粉-鋼纖維改性混凝土的抗氯離子滲透性能隨著納米二氧化硅粉-鋼纖維摻入量的提高而不斷增強(qiáng)。

3 結(jié)語(yǔ)

1）普通混凝土在單摻鋼纖維的情況下，抗氯離子滲透性能雖有一定程度的提升，但是改善的效果不大；同時(shí)，鋼纖維摻入量與非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)（DRCM）之間的關(guān)系不明顯。

2）與普通混凝土和單摻鋼纖維改性混凝土相比，普通混凝土在單摻納米二氧化硅粉的情況下，其抗氯離子滲透性能均有比較顯著的提升；同時(shí)，在一定范圍內(nèi)，單摻納米二氧化硅粉改性混凝土的抗氯離子滲透性能隨著納米二氧化硅粉摻入量的提高而不斷增強(qiáng)。

3）普通混凝土在復(fù)摻納米二氧化硅粉-鋼纖維的情況下，其抗氯離子滲透性能均有顯著的提升；同時(shí)，在一定范圍內(nèi)，復(fù)摻納米二氧化硅粉-鋼纖維改性混凝土的抗氯離子滲透性能隨著納米二氧化硅粉-鋼纖維摻入量的提高而不斷增強(qiáng)。