不同海洋環(huán)境下玄武巖纖維混凝土力學性能研究

郭范波，藍　強，王海龍

不同海洋環(huán)境下玄武巖纖維混凝土力學性能研究

郭范波1，藍強2，王海龍3

（1.臺州學院建筑工程學院，浙江臺州318000；2.臺州市恒通監(jiān)理有限公司，浙江臺州318000；3.江蘇哈宜環(huán)保研究院有限公司，江蘇無錫214205）

為研究玄武巖纖維混凝土在不同海洋環(huán)境下的耐腐蝕性能，制作了三種混凝土試件：普通混凝土浸泡腐蝕試件、玄武巖纖維混凝土浸泡腐蝕試件和玄武巖纖維混凝土干濕交替腐蝕試件。將這些試件浸泡或干濕交替浸泡在5倍濃度的人工海水中，每隔60d每種試件任意取出3個測試其抗壓強度。通過試驗可知，摻入玄武巖纖維后混凝土強度有所增加。經(jīng)過60d腐蝕后，干濕交替腐蝕的玄武巖纖維混凝土試件強度開始下降，而普通混凝土浸泡試件和玄武巖纖維混凝土浸泡試件的強度仍在緩慢增加。相同腐蝕條件下玄武巖纖維的質(zhì)量損失較平穩(wěn)，后期質(zhì)量損失率有所增加。

海洋；玄武巖；纖維；混凝土；力學

隨著濱海交通設(shè)施建設(shè)和除冰鹽的大量使用，橋梁結(jié)構(gòu)面臨的氯鹽腐蝕日趨嚴重，交通管理部門每年都要投入大量資金來改善結(jié)構(gòu)腐蝕所帶來的影響，而沿海地區(qū)結(jié)構(gòu)物的腐蝕尤為嚴重。經(jīng)過30多年的發(fā)展建設(shè)，瀕海建筑結(jié)構(gòu)的腐蝕問題日漸暴露。參照國外資料，按占GDP的1%計算，我國與鋼筋腐蝕有關(guān)的經(jīng)濟損失約為6000億元（2014年）。已有研究表明，如果采取有效的控制和防護措施，25-40%的腐蝕是可以避免的［1］。

從腐蝕的角度，海洋環(huán)境可分為海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、海洋潮差區(qū)、海水全浸區(qū)及海底泥土區(qū)［2］。國內(nèi)外長期的海洋腐蝕研究結(jié)果表明，在浪花飛濺區(qū)鋼表面受到海水的周期性潤濕，處于干濕交替狀態(tài)，氧供應(yīng)充分，鹽分不斷濃縮；加之陽光、風吹和海水環(huán)境等協(xié)同作用導(dǎo)致發(fā)生最嚴重的腐蝕，約為海水全浸區(qū)腐蝕的3～5倍；在海水全浸區(qū)，腐蝕受到氧擴散的控制，其中淺海區(qū)腐蝕較重［1，2］。

連續(xù)玄武巖纖維（BFRP）具有高強度、高模量、耐溫性佳、抗氧化、抗輻射、絕熱隔音、過濾性好、抗壓縮強度和剪切強度高、適應(yīng)于各種環(huán)境下使用等優(yōu)異性能［3］。玄武巖纖維的化學構(gòu)成與混凝土的組成相近，且性價比好，是一種純天然的無機非金屬材料，也是一種可以滿足國民經(jīng)濟基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的新的基礎(chǔ)材料和高技術(shù)纖維［3，4］。在混凝土中加入玄武巖纖維，可以提高混凝土的密實性，改善混凝土收縮開裂等。

目前，國內(nèi)對于玄武巖纖維及玄武巖纖維混凝土的研究，相關(guān)學者已對玄武巖纖維混凝土構(gòu)件抗氯鹽侵蝕、氯離子滲透性能進行了試驗等［5，6］。本文主要通過試驗，對不同海洋環(huán)境（海水全浸和海水干濕交替環(huán)境）下玄武巖纖維混凝土的力學性能研究。

2　試驗概況

本試驗混凝土強度等級為C30。

試件成型24h后拆模，標準養(yǎng)護28d。制作兩種類型的150mm混凝土標準立方體試件，分別為普通的混凝土試件（N101-N112，12個）和摻加玄武巖纖維（2kg/m3）的試件（24個），試件分為三組共36個試件（普通混凝土試件一組，玄武巖纖維混凝土試件兩組，X201-X212為浸泡試件，X301-X312為干濕交替試件，每組12個）?？箟涸囼瀰⒄铡镀胀ɑ炷亮W性能試驗方法標準》GB/T 50081-2002）實施［7］。

浸泡試件在海水中分別浸泡60d、120d、180d后取出測試其抗壓強度。干濕交替試件將試件每浸泡12h后取出靜置12h，如此循環(huán)浸泡60d、120d、180d后取出測試其抗壓強度。

試驗采用快速腐蝕的方法，根據(jù)我國東海的平均海水濃度及成分，人工配置5倍濃度的海水作為試驗用海水，其成分如下表。

表1　人工海水成分

同時，將玄武巖纖維按分別浸泡和干濕交替浸泡在同濃度的人工海水中，每隔90d取出用水將纖維表面沖洗干凈，烘干24h后稱量重量，獲得90d、180d、270d和360d的質(zhì)量損失，并計算不同時間工況下的質(zhì)量損失率。

3　試驗結(jié)果與分析

根據(jù)參考文獻［7］的規(guī)定，若實驗所得的三個值中，最大值或最小值中如有一個與中間值的差值超過中間值的15%時，則把最大及最小值一并舍棄，而取中間值作為該組試件的抗壓強度值［7］。在試驗中，180d腐蝕后的X301與X304相差超過15%，因此在數(shù)據(jù)分析中，將中值（39.2MPa）作為本組試件的強度值。

3.1試驗結(jié)果

各腐蝕工況作用下，混凝土試件的抗壓強度如表2所示。

表2　試件抗壓強度（MPa）

由表2可知，按照參考文獻［7］所規(guī)定的方法測得玄武巖纖維混凝土的標準抗壓強度為30.6MPa和31.6MPa，均值為31.1MPa，而不摻玄武巖纖維混凝土為29.6MPa。可知摻入玄武巖纖維后混凝土的強度提高幅度為5%左右。因此，摻玄武巖纖維可提高混凝土的抗壓強度。這是因為玄武巖纖維在混凝土基體中呈三維亂向均勻分布，對混凝土基體起到了“二次微加筋”作用，通過纖維與水泥基體間的摩擦與纖維的拉拔作用，從而消耗基體的能量，達到增強、增韌的作用［8］。

3.2腐蝕方式、時間與強度的關(guān)系

由［9］的研究成果可知，在混凝土中摻入玄武巖纖維，可以提高混凝土的抗壓強度，尤其是早期抗壓強度的提高很顯著。其可能的原因是：加入玄武巖纖維后，玄武巖纖維較均勻地分布在混凝土內(nèi)部，由此形成了類似于網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，從而與骨料一起協(xié)同受力，當應(yīng)力自混凝土基體傳遞給纖維時，由于纖維產(chǎn)生變形而消耗能量［4］。

圖1　不同腐蝕工況下試件的抗壓強度　

圖2　不同腐蝕工況下試件的抗壓強度變化率

為便于分析，引用參考文獻［10］中的抗壓強度變化率ηt［10］，計算公式為：

式中：ft為腐蝕t天后試件的抗壓強度，t為腐蝕時間；f0為腐蝕時間為0d時試件的抗壓強度。

如圖1和圖2所示，經(jīng)過60d、120d和180d的海水腐蝕后，物纖維混凝土和纖維混凝土的抗壓強度均發(fā)生了變化。0-60d，各試件的強度均增加23%以上；60d-120d，N1xx的強度在增加，而X2xx和X3xx的強度在下降；120d-180d，N1xx和X2xx的強度在增加，而X3xx的強度在下降?？梢钥闯?，摻入了玄武巖纖維之后，混凝土的早期強度有一定的提高，約5%左右。從腐蝕180d后的強度來看，纖維混凝土的強度與不摻入玄武巖纖維的混凝土強度比較接近。

經(jīng)過60d干濕交替腐蝕后玄武巖纖維混凝土的強度呈下降趨勢，而浸泡腐蝕的試件強度仍有所緩慢增加，這可能是由于海水中的Na+、Mg2+等離子隨著腐蝕時間的增加慢慢進入混凝土內(nèi)部，與混凝土自身發(fā)生反應(yīng)，生成一些不溶性物質(zhì)，從而填充混凝土內(nèi)部原有的空隙?？障侗惶畛浼礊榛炷撩軐嵍鹊奶岣撸瑥亩炷翉姸瘸霈F(xiàn)了一個的短暫提高階段。而干濕交替試件應(yīng)在60d前達到此強度提高的階段，以致60d后強度呈下降趨勢，說明干濕交替腐蝕比浸泡腐蝕對混凝土強度的影響更大。研究表明，干濕交替區(qū)域在所有海洋環(huán)境中腐蝕最為嚴重，而在海水浸泡的區(qū)域，腐蝕作用相對較輕［11］。

3.3質(zhì)量變化

設(shè)玄武巖纖維的初始質(zhì)量為W0（g），腐蝕時間為t（d）的質(zhì)量為Wt，則玄武巖纖維的質(zhì)量損失率［12］。

浸泡腐蝕和干濕交替腐蝕下玄武巖纖維質(zhì)量變化如圖3-圖6所示。從圖3和圖4可以看出，對于浸泡腐蝕條件下的玄武巖纖維質(zhì)量變化，在腐蝕90d后的平均質(zhì)量損失率為1.17%，180d為1.63%，270d-360d，其平均質(zhì)量損失率有一個沖高回落的過程，270d為1.51%，360d為2.67%，450d為2.4%。浸泡試件在0-90d的平均質(zhì)量損失率上升到1.2%左右，隨著這部分物質(zhì)的腐蝕完畢，玄武巖纖維質(zhì)量損失進入一個相對的平穩(wěn)期（90-270d），平均質(zhì)量損失率較穩(wěn)定。對于干濕交替腐蝕條件下的玄武巖纖維，從圖5和圖6可以看出，從0-90d，平均質(zhì)量損失率是一個上升期，從90-360d，其平均質(zhì)量損失率保持比較平穩(wěn)在0.6%左右。其變化趨勢與浸泡腐蝕條件下玄武巖纖維平均質(zhì)量損失率相似，平均質(zhì)量損失率更均勻平穩(wěn)。

圖3　浸泡腐蝕下的質(zhì)量變化　

圖4　浸泡腐蝕下的質(zhì)量損失率

圖5　干濕交替腐蝕下的質(zhì)量變化　

圖6　干濕交替腐蝕下的質(zhì)量損失率

兩種腐蝕環(huán)境下，在0-90d玄武巖纖維的質(zhì)量損失較大，這可能是因為玄武巖纖維剛浸泡在海水中，玄武巖纖維表面的附著物和雜質(zhì)首先被腐蝕。由能譜分析可知玄武巖纖維的主要成分為Si、Al、Ca、C等元素，還有少量的Mg、Na、Fe和K等，大多以SiO2、Al2O3的形式存在［13］。通過SEM掃描電鏡觀察玄武巖纖維表面的成分可知，玄武巖纖維表面的Ca、Na和Mg等元素逐步減少，說明這些元素與海水中的某些物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，并以離子的形式融于海水中。同時，隨著混凝土內(nèi)部不斷水化生成Ca（OH）2，易與玄武巖纖維的SiO2反應(yīng)生成水化硅酸鈣［14］，從而使玄武巖纖維出現(xiàn)質(zhì)量損失。而浸泡腐蝕和干濕交替腐蝕下的質(zhì)量損失率不一致，可能的原因是采用試件的類型不同所致。

4　結(jié)論

通過試驗數(shù)據(jù)分析，可以得到以下幾點結(jié)論：

（1）摻入玄武巖纖維可以提高混凝土的抗壓強度，摻入2kg/m3玄武巖纖維后混凝土的強度提高幅度為5%左右。

（2）干濕交替腐蝕環(huán)境比浸泡腐蝕環(huán)境對混凝土強度的影響更大，干濕交替腐蝕環(huán)境下混凝土的強度相比浸泡腐蝕環(huán)境下混凝土的強度更早開始降低。

（3）在浸泡腐蝕和干濕交替腐蝕兩種海洋環(huán)境下，早期（0-90d）玄武巖纖維的質(zhì)量損失較大，隨著腐蝕時間的增加，后期損失率有所增加。

對混凝土早期強度有較高要求的結(jié)構(gòu)，可以考慮摻入玄武巖纖維。同時，玄武巖纖維來源于玄武巖，在我國，玄武巖的蘊藏量豐富，玄武巖纖維是優(yōu)良的環(huán)保材料，價格便宜，所以可以在海洋環(huán)境的結(jié)構(gòu)中廣泛采用玄武巖纖維。

參考文獻：

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（責任編輯：耿繼祥）

Study on M echanical Properties of Basalt Fiber Reinforced Concrete in
Different M arine Environment

GUO Fanbo1，LAN Qiang2，WANG Hailong3
（1.School of Arcitectural Engineering，Taizhou University，Taizhou 318000，China；2.Taizhou Hengtong Managem ent Co.Ltd.，Taizhou 318000，China；3.Jiangsu Hayi Environmental Protection Research Institute Co.，Ltd.，Wuxi 214205，China）

To study the corrosion resistance of basalt fiber reinforced concrete in different marine environment，three concrete specimens were cast:ordinary concrete specimens for immersion corrosion，basalt fiber reinforced concrete specimens for immersion corrosion and basalt fiber reinforced concrete specimens for alternating w et and dry corrosion.These specim ens w ere soaked in 5 times density artificial seaw ater，three specim ens of each type w ere taken by random after 60d for com pressive strength test.The resu lts show that the concrete strength increased after add ing basalt fiber.A fter 60d corrosion，the strength of specimens w ith alternating w et and d ry corrosion began to dec line，while the other tw o specimens，strength increased slow ly.Under the same corrosion condition，the mass loss of basalt fiber w as relatively stable，but it increased in the later period.

Marine；basalt；fiber；concrete；mechanics

10.13853/j.cnk i.issn.1672-3708.2015.03.009

2015-03-15；

2015-05-08

浙江省教育廳科研項目（Y201224544）；臺州學院2014年度開放實驗項目（重點）。

郭范波（1981-），男，湖南益陽人，講師，在讀博士，主要從事工程結(jié)構(gòu)及材料應(yīng)用研究。