纖維堿礦渣混凝土抗氯離子滲透性能研究

蘇 英， 王志虎， 王迎斌， 王熊玨， 魏曉超， 曾三海， 賀行洋

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

纖維堿礦渣混凝土抗氯離子滲透性能研究

蘇 英， 王志虎， 王迎斌， 王熊玨， 魏曉超， 曾三海， 賀行洋

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

制備堿礦渣和普通硅酸鹽水泥兩種系列的混凝土，對比分析聚丙烯纖維及粉煤灰對這兩種體系混凝土滲透性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明：隨著齡期的延長，氯離子滲透系數(shù)均呈降低的趨勢，單摻纖維或粉煤灰并不能提高堿礦渣混凝土的抗氯離子滲透能力;粉煤灰與纖維復(fù)摻后，堿礦渣混凝土的抗氯離子滲透能力仍低于純堿礦渣混凝土，即二者復(fù)摻亦不能提高堿礦渣混凝土的抗氯離子滲透能力。

合成纖維; 堿礦渣; 氯離子; 滲透性

隨著化石能源的日漸枯竭和全球氣候變暖等環(huán)境問題的出現(xiàn)，硅酸鹽水泥生產(chǎn)過程中的高能耗、高排放問題越來越受到人們的關(guān)注。堿礦渣水泥是鋁硅酸鹽組分在堿組分激發(fā)的情況下發(fā)生水化而成，是具有潛在活性的新型膠凝材料；堿礦渣混凝土具有高強(qiáng)快硬、水化熱低、抗凍抗侵蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，是節(jié)能、利廢、環(huán)保的綠色建筑材料，具有優(yōu)良的物理力學(xué)性能和耐久性[1]。

混凝土抗?jié)B性不良，水分及各種侵蝕性物質(zhì)極易滲入混凝土內(nèi)部，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土內(nèi)部鋼筋腐蝕破壞，最終影響混凝土的耐久性。1989年出版的耐久混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南指明了影響混凝土耐久性的因素及其相互關(guān)系，其中，氯離子是影響鋼筋銹蝕的最主要的侵蝕性物質(zhì)，氯離子侵蝕是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效破壞的首要原因；隨著齡期的延長，當(dāng)鋼筋表面的水分和氯離子達(dá)到一定濃度時(shí)，鋼筋就逐漸被腐蝕了[2]，由氯離子侵蝕造成的混凝土結(jié)構(gòu)破壞占混凝土耐久性破壞的33%[3]，因此控制氯離子的滲透性對混凝土的耐久性至關(guān)重要。

目前，有關(guān)纖維增韌堿礦渣混凝土抗氯離子滲透性的研究甚少[4-6]，開展相關(guān)研究對促進(jìn)混凝土的耐久性，進(jìn)而更好的在工程上應(yīng)用，具有重要意義。侵蝕離子的擴(kuò)散系數(shù)是用于評價(jià)混凝土尤其是現(xiàn)代高性能混凝土耐久性的重要參數(shù)之一[7]，本文采用混凝土抗氯離子滲透快速實(shí)驗(yàn)方法，對比分析了合成纖維對堿礦渣混凝土和普硅混凝土抗氯離子滲透性能的影響，研究結(jié)果可為堿激發(fā)礦渣的應(yīng)用提供一定的理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)用礦渣為首鋼的磨細(xì)礦渣粉，比表面積為400 m2/kg；粉煤灰采用石景山熱電廠排放的二級灰，兩者的化學(xué)組成及物理性能見表1；水泥采用冀東P.O52.5普通硅酸鹽水泥，比表面積為315 m2/kg，化學(xué)組成及礦物組成見表2；合成纖維采用聚丙烯纖維，抗拉強(qiáng)度≥276 MPa，密度0.91 g/cm3，彈性模量3793 MPa；堿激發(fā)劑采用模數(shù)為2.99的硅酸鈉水玻璃；采用化學(xué)純試劑氫氧化鈉調(diào)節(jié)水玻璃的模數(shù)；粗集料采用最大粒徑為20 mm的碎細(xì)集料和細(xì)度模數(shù)2.7的河砂。實(shí)驗(yàn)配合比見表3。

表1 磨細(xì)礦渣和粉煤灰的化學(xué)組成與物理性能

表2 水泥的化學(xué)組成與礦物組成 %

表3 混凝土實(shí)驗(yàn)研究方案 %

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

氯離子滲透實(shí)驗(yàn)參照《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程JTJ270-98》第7.9條《混凝土抗氯離子滲透快速實(shí)驗(yàn)》方法進(jìn)行，在一定交流電壓下測量流過混凝土的電荷量，反映透過混凝土的氯離子量，然后根據(jù)Nernst-Plank方程式推出氯離子的電遷移擴(kuò)散系數(shù)。具體實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。

1-萬能電橋；2-緊固螺桿；3-緊固螺母；4-試驗(yàn)槽；5-銅網(wǎng)；6-3% NaCl溶液；7-導(dǎo)線；8-0.3mol/L NaOH溶液；9-混凝土試件；10-橡皮墊圈圖 1 氯離子滲透快速實(shí)驗(yàn)儀器裝置示意圖

試驗(yàn)所用試件為?100 mm×60 mm的圓盤形混凝土試件，成型后標(biāo)養(yǎng)24 h后拆模，然后置于20±3℃飽和氫氧化鈣溶液中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，分別養(yǎng)護(hù)至28 d，180 d進(jìn)行氯離子滲透測試。最后取同組3個(gè)試件的相對氯離子滲透系數(shù)的平均值，作為該組混凝土的相對氯離子滲透系數(shù)值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

混凝土的氯離子滲透系數(shù)測量結(jié)果見表4，為了更直觀地觀察纖維與粉煤灰對滲透性能的影響及兩種系列之間的差異，將結(jié)果繪于圖2。

表 4 混凝土的氯離子滲透性能

圖 2 纖維及粉煤灰對混凝土氯離子滲透性能的影響

2.1 合成纖維對堿礦渣混凝土和普硅混凝土抗氯離子滲透能力的影響

由圖2可知，前期純堿礦渣混凝土的氯離子滲透系數(shù)略低于普硅混凝土的；隨著齡期的延長，后期堿礦渣混凝土的氯離子滲透系數(shù)明顯低于普硅混凝土，約為普硅混凝土氯離子滲透系數(shù)的60%。即堿礦渣混凝土的抗氯離子滲透能力優(yōu)于普硅水泥混凝土，且隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長，其優(yōu)勢更加明顯。

纖維及粉煤灰對兩種混凝土抗氯離子滲透性能的影響規(guī)律不同，具體分析如下：

1)粉煤灰能明顯降低普硅混凝土的氯離子滲透系數(shù)，它使混凝土28 d齡期的氯離子滲透系數(shù)降低50%，180 d齡期的氯離子滲透系數(shù)降低75%左右。主要是由于粉煤灰對普硅混凝土微結(jié)構(gòu)的填充作用及粉煤灰本身對氯離子的吸附和固化作用，后期氫氧化鈣含量大幅度降低，形成良好的微結(jié)構(gòu)。

2)纖維可以降低普硅混凝土的氯離子滲透系數(shù)，且隨纖維摻量的提高而增大；粉煤灰與不同摻量的纖維復(fù)合后，混凝土的氯離子滲透系數(shù)明顯低于純普硅混凝土，亦低于單摻纖維或粉煤灰的混凝土，即纖維與粉煤灰復(fù)摻能起到明顯的復(fù)合效應(yīng)。

3)粉煤灰增大了堿礦渣混凝土的氯離子滲透系數(shù)，但隨齡期延長，這種作用有所減弱。這與粉煤灰在普硅混凝土中的規(guī)律不同，取決于粉煤灰在堿礦渣混凝土中的水化機(jī)制及存在狀態(tài)。

4)纖維增大了堿礦渣混凝土的氯離子滲透系數(shù)，且隨纖維摻量提高及齡期延長，這種作用有所減弱；纖維與粉煤灰復(fù)摻后，堿礦渣混凝土的氯離子滲透系數(shù)仍高于純堿礦渣混凝土，即二者復(fù)摻對提高混凝土抗氯離子能力并無積極作用。

盡管纖維及粉煤灰并不能改善堿礦渣混凝土的抗氯離子滲透能力，但由各組氯離子滲透系數(shù)的絕對值分析可知，各組氯離子滲透系數(shù)相對較低；此外用快速氯離子滲透測試方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，堿礦渣混凝土內(nèi)部的高鈉離子濃度可能會(huì)使測試的結(jié)果偏高。綜合分析可知，堿礦渣混凝土中摻入纖維及粉煤灰后，混凝土仍具有較高的抗氯離子滲透能力。

2.2 微結(jié)構(gòu)分析

J2試件28 d齡期與180 d齡期水化產(chǎn)物形貌的掃描電鏡照片見圖3。

圖 3 J2試件不同齡期的SEM照片

由圖3知，粉煤灰加入堿礦渣水泥后，水化早期漿體中的粉煤灰已被絮狀CSH凝膠包圍，但粉煤灰本身并無明顯水化的跡象，且粉煤灰與堿礦渣水泥漿體間的界面仍較清晰，只是其表面部分參與了水化，而純堿礦渣混凝土在28 d齡期反應(yīng)更充分，因此，純堿礦渣混凝土的滲透系數(shù)更低，抗氯離子滲透性更好。隨水化時(shí)間延長，粉煤灰逐漸被CSH凝膠包圍，二者之間的界面也逐漸消失，到180 d天齡期粉煤灰與CSH凝膠已完全融合到一起。從粉煤灰的形態(tài)看，即使水化到后期，粉煤灰仍保持較完整的球狀，即粉煤灰本身的水化程度并不高，其生成的CSH凝膠與堿礦渣水泥水化產(chǎn)物CSH凝膠相互交融，不斷融合為一個(gè)致密的整體。

圖 4 J5試件不同齡期的SEM照片

圖4為J5試件28 d齡期與180 d齡期水化產(chǎn)物形貌照片。由圖可見，纖維在含粉煤灰的堿礦渣水泥漿體中的形態(tài)特征，纖維呈不同的方向鑲嵌于堿礦渣水泥的水化產(chǎn)物中,纖維表面并未發(fā)生明顯的化學(xué)變化，仍保持比較完整與相對光滑的狀態(tài)；水化早期纖維與水化產(chǎn)物間仍然能觀察到明顯的裂隙界面，此時(shí)纖維與漿體間有比較多的孔結(jié)構(gòu)，孔隙率越大，混凝土的滲透性越大，因此，氯離子滲透系數(shù)較純堿礦渣混凝土的大。但隨著水化時(shí)間的延長，水化產(chǎn)物CSH凝膠不斷地填充纖維與漿體間的細(xì)小裂隙，形成更致密的空間結(jié)構(gòu)，提高了混凝土的抗氯離子滲透能力。

3 結(jié)論

1) 堿礦渣混凝土具有良好的抗氯離子滲透性，且結(jié)構(gòu)密實(shí)；

2)堿礦渣混凝土的抗氯離子滲透能力優(yōu)于同配比的普硅混凝土，且隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長優(yōu)勢更加明顯；

3)纖維及粉煤灰并不能提高堿礦渣混凝土的抗氯離子滲透能力，二者復(fù)合后，堿礦渣混凝土的抗氯離子滲透能力仍低于純堿礦渣混凝土，即二者復(fù)合對提高堿礦渣混凝土抗氯離子能力并無積極作用。

[1] 蒲心誠.堿礦渣水泥與混凝土[M].北京：科學(xué)出版社，2010:4.

[2] 陳喬,叢剛,楊長輝.堿礦渣混凝土氯離子滲透及鋼筋銹蝕性能[J].混凝土，2009(2):59-61.

[3] MEHTA P K.Durability critical issues for the future[J].Concrete International，1997(7):27-33.

[4] 張?zhí)m芳,梁秋爽,尹玉龍. 聚丙烯纖維增強(qiáng)堿礦渣水泥砂漿性能的研究[J].混凝土與水泥制品，2014(11):60-63.

[5] 曹成，劉蘭強(qiáng).關(guān)于聚丙烯纖維對混凝土性能的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)[J].混凝土,2000(9):49-51.

[6] 羅碧丹.礦物摻合料對混凝土性能的影響[J].水運(yùn)工程，2009(3):31-35.

[7] Link R E, Joshi R C, Chatterji S, et al. Reexamination of ASTM C 1202—Standard test method for electrical indication of concrete's ability to resist chloride ion penetration[J]. Journal of Testing & Evaluation, 2000, 28(1):3.

[責(zé)任編校： 張巖芳]

Strength and Resistance to Chloride Ion Penetration of Fiber Reinforced Alkali-activated Slag Concrete

SU Ying，WANG Zhihu，WANG Yingbin，WANG Xiongjue，WEI Xiaochao，ZENG Sanhai， HE Xingyang

(SchoolofCivilEngin.,ArchitectureandEnvironment，HubeiUniv.ofTech.，Wuhan430068,China)

This experiment compared the different effects of the mixture of flyash and fiber with alkali-activated slag concrete and the flyash and fiber with ordinary Portland concrete when they were at the same mix proportion. The results show that with the extension of age, the chloride ion permeability is smaller; single-doped fiber or fly ash cannot improve the resistance to chloride penetration of the alkali-activated slag concrete; when double-doped the resistance to chloride icon penetration of the alkali-activated slag concrete is still less than the soda ash slag concrete, and the combination of the two cannot improve the resistance to chloride ion penetration of the alkali-activated slag concrete.

synthetic fiber; alkali slag; chloride ion; permeability

2016-01-04

國家自然科學(xué)基金(51372076)，湖北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BCA244)

蘇 英(1975-)， 女，湖南湘潭人，湖北工業(yè)大學(xué)副教授，研究方向?yàn)樾滦筒牧?/p>

1003-4684(2017)01-0019-03

TU528

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