飽和鋼纖維再生混凝土氯離子擴(kuò)散特性研究*

金 浩，屈 鋒，2，孫浩然，石衛(wèi)華，2，蔣凌云

(1.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學(xué) 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)與震動(dòng)控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201；3.吉首大學(xué) 張家界學(xué)院，湖南 張家界 427000)

0 引 言

隨城市化進(jìn)程加快，混凝土需求量急劇增加，而自然環(huán)保要求不能過度開采，粗細(xì)骨料的生產(chǎn)使用在未來將面臨較大難題，對(duì)廢舊混凝土等建筑垃圾的回收利用成為合適的途徑，但其中的較多技術(shù)問題亟需解決。再生混凝土是用再生骨料部分或全部替代天然骨料拌制的一種新型生態(tài)混凝土[1-2]，它是目前建筑垃圾資源化利用技術(shù)研究和推廣的主要方向[3]，其有效地解決了天然砂石骨料日漸枯竭的難題，又充分合理地消耗現(xiàn)有的建筑垃圾，減輕建筑垃圾對(duì)自然環(huán)境造成的污染，實(shí)現(xiàn)混凝土產(chǎn)業(yè)、環(huán)境及自然資源的和諧發(fā)展[4-6]。

研究表明，再生混凝土存在很多缺陷，再生骨料質(zhì)量是影響其性能的關(guān)鍵。為增加再生混凝土骨料的利用率，彌補(bǔ)再生骨料混凝土強(qiáng)度低、耐久性差等缺點(diǎn)，可將鋼纖維引入再生混凝土中，形成一種新型復(fù)合材料—鋼纖維再生混凝土[7]。鋼纖維材料于混凝土中可以同時(shí)提高再生混凝土的抗剪、抗拉和抗彎性能，阻止其裂紋的擴(kuò)展并減小裂縫寬度[8]，提高材料的韌性，延長(zhǎng)構(gòu)件的壽命[9-10]，故將兩者有機(jī)結(jié)合，起到互補(bǔ)作用。目前，有關(guān)鋼纖維再生混凝土的力學(xué)性能研究已較為成熟[11-12]，但在耐久性這一方面的研究尚處于起步階段。本試驗(yàn)對(duì)1%固定摻量的鋼纖維再生混凝土抗氯離子滲透性能進(jìn)行研究，試驗(yàn)混凝土中自由氯離子含量并擬合氯離子擴(kuò)散系數(shù)，探究水灰比、鋼纖維、浸泡溶液濃度等因素對(duì)其氯離子擴(kuò)散和氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響規(guī)律，為工程實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

(1)水泥：韶峰水泥P.O42.5，其性能指標(biāo)見表1所示。

(2)天然砂：湘江中砂，表觀密度為2 670 kg/m3，堆積密度為1 420 kg/m3，含泥量0.9%，細(xì)度模數(shù)3.0，顆粒級(jí)配良好。

(3)再生粗骨料：來自湘潭本地城市建設(shè)中廢棄混凝土材料，基體混凝土強(qiáng)度為C30～C40，經(jīng)人工破碎、清洗、篩分的合適粒徑，其粒形形貌圖如圖1所示，各項(xiàng)基本性能指標(biāo)見表2。

(4)鋼纖維：江蘇“縱橫”牌鋼纖維，其性能見表3所示。

表1 水泥性能指標(biāo)

表2 再生粗骨料基本性能指標(biāo)

表3 鋼纖維的性能

1.2 鋼纖維再生混凝土配合比與試驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)根據(jù)GB/T 25177-2010《混凝土用再生粗骨料》、JGJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》、JG/T 472-2015《鋼纖維混凝土標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》確定鋼纖維混凝土原材料及配合比，設(shè)計(jì)不同水灰比、鋼纖維摻量相同(體積分?jǐn)?shù)為1%)的3種混凝土，如表4所示。

表4 混凝土配合比

試驗(yàn)采用自然浸泡法測(cè)試鋼纖維再生混凝土中氯離子的滲透性。按照設(shè)計(jì)配合比制作混凝土試件，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。標(biāo)養(yǎng)28d后，從試塊澆注的4個(gè)側(cè)面選取一個(gè)光整面作浸透面，其余面用石蠟密封，然后分別放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%、3.5%、5.0%的氯化鈉溶液中浸泡至180d(每隔30d更換一次溶液)。到達(dá)規(guī)定浸泡時(shí)間后，用電鉆在試件上鉆孔0～5、5～10、10～15、15～20、20～25 mm深度，取得的混凝土粉末研磨至全部通過0.63 mm篩，然后置于105 ℃烘箱中烘2 h，取出后冷卻至室溫，按照《混凝土中氯離子含量檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 322-2013)測(cè)試混凝土中水溶性氯離子(自由氯離子)含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 自由氯離子含量

各試件在不同浸泡濃度下自由氯離子含量隨侵蝕深度的變化如圖1表示。

圖1 原材料及混凝土試件

圖2 不同濃度浸泡溶液再生混凝土中自由氯離子含量

由圖2可知，進(jìn)入混凝土內(nèi)部的自由氯離子含量隨浸泡液濃度的增加而增大，隨深度的增加而減小，當(dāng)混凝土試件的深度達(dá)到20mm后自由氯離子含量逐漸趨于穩(wěn)定，接近初始氯離子含量。相比較圖2(c)圖，圖2(a)、(b)所呈現(xiàn)的變化規(guī)律更加明顯：表層濃度差異較大，隨深度的增加濃度差逐漸減小。試件表面與溶液直接接觸，受侵蝕時(shí)間長(zhǎng)，在濃度差的作用下氯離子遷移速度加快，特別在高水灰比的情況下，結(jié)構(gòu)密實(shí)程度降低，增加了氯離子滲入的可能性，因此在淺層處濃度差異較大；而在試件的內(nèi)部，由于受氯鹽影響的時(shí)間較短，同時(shí)雜布的鋼纖維減少了傳輸通道，濃度差隨深度的增加而逐漸減小。由此可見外界環(huán)境及水灰比的變化，對(duì)氯離子滲透性能有重要影響，尤其在離表層越近處，這與Mangat[13]的研究結(jié)論一致。

2.2 氯離子擴(kuò)散系數(shù)

當(dāng)混凝土處于水飽和狀態(tài)時(shí)，氯離子主要通過擴(kuò)散方式進(jìn)入混凝土，基于Fick 第二擴(kuò)散定律的誤差函數(shù)解法模型形式簡(jiǎn)潔、參數(shù)少而便于運(yùn)用，能較好地反映氯離子在混凝土中的擴(kuò)散規(guī)律。該模型適用于長(zhǎng)期處在水飽和狀態(tài)中的混凝土結(jié)構(gòu)，例如海洋水下區(qū)。Fick第二定律解析解可表示為：

(1)

式中：x為氯離子滲透深度，Cx,t為t時(shí)刻時(shí)距離表面深度為x時(shí)的氯離子濃度，C0為初始氯離子濃度，Cs為表面氯離子濃度，D為氯離子擴(kuò)散系數(shù)，t為滲透時(shí)間，erf為誤差函數(shù)。

根據(jù)試驗(yàn)所測(cè)得鋼纖維再生混凝土中自由氯離子含量，可擬合出氯離子含量與深度變化間的關(guān)系，如圖3所示。其中，式(1)中C0取值0.05，Cs取各組0～5 mm氯離子含量實(shí)測(cè)值，t為180 d。

圖3 不同浸泡濃度下自由氯離子含量擬合結(jié)果

基于Fick第二定律擬合所得到的各組混凝土中氯離子濃度分布情況與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

2.2.1 水灰比對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響

圖4表示鋼纖維摻入量為1%，不同浸泡液濃度下鋼纖維再生混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)與水灰比間關(guān)系。由圖知，氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨水灰比的增加呈遞增趨勢(shì)，水灰比處于0.53至0.61階段時(shí)擴(kuò)散系數(shù)增幅最大，分別為65%、62%、52%。低水灰比時(shí)，混凝土中孔隙大都由未水化的水泥顆粒填充，對(duì)提高密實(shí)度作用顯著，但對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響并不明顯；隨著水灰比的增大，一方面在水化過程中所形成的無規(guī)則的毛細(xì)孔增多，總孔隙率增加，其次生成的晶體導(dǎo)致界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)疏松，為氯離子的滲入提供有利條件；另一方面包裹在水泥顆粒及鋼纖維外的水層厚度增加，在硬化過程中被蒸發(fā)出來，形成互相連通且數(shù)量級(jí)較大的滲水通道，降低了混凝土的密實(shí)度，使擴(kuò)散系數(shù)變大，氯離子在混凝土中的擴(kuò)散速率加快，同時(shí)進(jìn)入混凝土中的氯離子增多，抗氯離子滲透性能逐漸變差。

圖4 水灰比對(duì)鋼纖維再生混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響

由圖4知，相同溶液濃度下試件氯離子擴(kuò)散系數(shù)的增長(zhǎng)率隨著水灰比的增大而逐漸降低。分析原因可知，再生骨料具有很高的吸水率，使得混凝土在凝結(jié)硬化中的有效用水量進(jìn)一步減少，結(jié)構(gòu)更為致密，一定程度上彌補(bǔ)骨料缺陷帶來的不利影響，相應(yīng)地減緩了氯離子的擴(kuò)散趨勢(shì)，但隨著水灰比的增加，氯離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部的速率持續(xù)增長(zhǎng)，骨料缺陷開始逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。

2.2.2 鋼纖維的摻入對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響

如圖5，文獻(xiàn)[14-15]分別測(cè)定了不同水灰比下再生混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)。對(duì)比本文試驗(yàn)結(jié)果(3.5%氯鹽濃度)，可知鋼纖維再生混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)小于同等條件下再生混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)。鋼纖維的摻入一定程度上有利于增加再生混凝土基體密實(shí)度，減少了大孔徑的毛細(xì)孔數(shù)量，改善了孔結(jié)構(gòu)特征，其次鋼纖維的亂向分布(如圖6)阻止了混凝土內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，減少裂縫源頭和數(shù)量，使骨料與砂漿間的粘結(jié)更加緊密。同時(shí)，由于鋼纖維的加入，部分已經(jīng)滲透進(jìn)去的氯離子會(huì)與其發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，參與鋼纖維的銹蝕過程，降低了氯離子的滲透速率。相比未摻加鋼纖維的再生混凝土，氯離子擴(kuò)散系數(shù)大幅下降，抗氯鹽侵蝕性能有效提高。

圖5 鋼纖維對(duì)再生混凝土氯離子滲透系數(shù)的影響

圖6 鋼纖維亂向分布示意圖

2.2.3 外界環(huán)境對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響

圖7為不同浸泡液濃度下鋼纖維再生混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)。由圖7可知，隨NaCl浸泡液濃度增加，氯離子擴(kuò)散系數(shù)增大，但增加幅度逐漸趨于平緩?；炷林新入x子的存在形式大致分為兩類：一是游離在孔隙溶液中的自由氯離子，二是被物理、化學(xué)吸附的結(jié)合態(tài)氯離子。已有文獻(xiàn)[16]表明：在外界氯鹽濃度較低時(shí)，氯離子在混凝土內(nèi)以結(jié)合居多，自由滲透較少。本實(shí)驗(yàn)中，隨浸泡溶液NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，濃度梯度等因素使得吸附化學(xué)勢(shì)相應(yīng)增大，吸附氯離子的能力增強(qiáng)，同時(shí)加快氯離子在內(nèi)部擴(kuò)散的速率，氯離子的吸附量還遠(yuǎn)未達(dá)到飽和狀態(tài)，滲透仍在繼續(xù)，擴(kuò)散系數(shù)表現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì)。但這種趨勢(shì)會(huì)隨氯鹽濃度的增加有所衰減，當(dāng)吸附量不斷增加達(dá)到一定程度時(shí)，參與滲透的自由氯離子數(shù)量相應(yīng)減少，氯離子的傳輸速率變慢，甚至在混凝土中自由氯離子和結(jié)合氯離子數(shù)量達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)將達(dá)到峰值，繼而緩慢下降。

圖7 浸泡液濃度與擴(kuò)散系數(shù)間的關(guān)系

3 結(jié) 論

(1)侵入鋼纖維再生混凝土內(nèi)部的氯離子含量由表及里逐漸減少，在20 mm左右趨于穩(wěn)定；當(dāng)外部環(huán)境變化時(shí)，混凝土表層處受影響最大。實(shí)際工程中做好表層防護(hù)和保護(hù)層厚度的控制對(duì)構(gòu)件壽命的影響至關(guān)重要。

(2)鋼纖維再生混凝土中，減小水灰比可以減少滲水通道，降低氯離子在混凝土中的擴(kuò)散速率，同時(shí)再生骨料的吸水特性在低水灰比時(shí)發(fā)揮作用，進(jìn)一步降低水灰比，使結(jié)構(gòu)更加致密。

(3)鋼纖維的摻入對(duì)再生混凝土而言能有效改善其孔結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)密實(shí)度，從而提高抵御氯鹽侵蝕的能力。

(4)氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著外界氯鹽濃度的增加而增大，但受到混凝土內(nèi)自由氯離子和結(jié)合氯離子間相互關(guān)系的影響而有所衰減。