硫酸鹽侵蝕玄武巖纖維輕骨料混凝土力學性能研究

楊春景，孫紅霞，朱鵬宇

(1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學院，河南 開封 475004; 2.開封市汴龍勘察設(shè)計中心，河南 開封 475004;3.淮陰工學院建筑工程學院，江蘇 淮安 223000)

0 引 言

輕骨料混凝土已經(jīng)成為解決當前高層建筑混凝土材料中自重問題的有效途徑[1]，但在硫酸鹽侵蝕環(huán)境中輕骨料混凝土的使用壽命和安全性能會受到很大影響，特別是我國西部地區(qū)鹽湖和鹽漬土較多且經(jīng)過眾多專家學者的測量表明其硫酸根離子濃度為海水中的5～10倍，因此輕骨料混凝土受硫酸鹽侵蝕對建筑物造成破壞在西部地區(qū)是最為常見的耐久性問題[2-4]。目前普遍公認的將纖維摻入混凝土中已經(jīng)成為增強混凝土性能的重要手段，且對混凝土的耐久性能、抗裂性及抗疲勞性都有著明顯的改善，相較于普通輕骨料混凝土，輕骨料纖維混凝土的耐久性和內(nèi)部缺陷有著良好的提升[5-6]。

霍俊芳[7]研究了鋼纖維摻量對輕骨料混凝土力學性能的影響，結(jié)果表明鋼纖維摻入輕骨料混凝土可以在不增加表觀密度并保證強度的前提下有效的改善輕骨料混凝土的韌性；陳瀟洋等[8]研究了玄武巖纖維摻量對輕骨料混凝土強度的影響，結(jié)果表明適量的玄武巖纖維摻入輕骨料混凝土中能在一定程度上提升混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度；李云云等[9]研究了不同塑鋼纖維摻量下的輕骨料混凝土的力學性能，結(jié)果顯示塑鋼纖維能顯著提高其彎曲剩余強度，同時明顯改善了劈裂抗拉性能和抗沖擊性能；劉勝兵等[10]研究了混雜纖維輕骨料混凝土的抗凍性能，結(jié)果表明混雜纖維摻入能夠顯著降低輕骨料混凝土在凍融循環(huán)環(huán)境下的強度損失率；趙鵬飛等[11]研究了粗纖維輕骨料混凝土的抗?jié)B性能，結(jié)果顯示在適當?shù)谋壤龘搅肯?，粗纖維能顯著提高輕骨料混凝土的抗?jié)B性能。

上述專家學者對輕骨料纖維混凝土的研究均傾向于其抗凍性、力學性能和抗?jié)B性等方面，對于輕骨料纖維混凝土抗硫酸鹽侵蝕的研究較少，文章考慮將玄武巖纖維摻入輕骨料混凝土中，研究其在硫酸鹽侵蝕環(huán)境下不同玄武巖纖維摻量輕骨料混凝土的力學性能和劣化程度，以期為西部地區(qū)玄武巖纖維輕骨料混凝土(BF-LAC)在硫酸鹽環(huán)境中的工程應(yīng)用提供一定的理論支撐。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥：P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥；石子：粒徑為5～15 mm的連續(xù)級配碎石；砂子：中砂，細度模數(shù)為2.68；輕骨料：頁巖陶粒，松散密度為600 kg/m3，孔隙率≥37%，粒徑≤15 mm，吸水率≤16%；玄武巖纖維：山西晉投玄武有限公司生產(chǎn)的短切玄武巖纖維，其相關(guān)性能參數(shù)見表1；硫酸鹽采用煙臺市雙雙化工有限公司生產(chǎn)的分析純·AR型無水硫酸鈉；減水劑：陜西秦奮建材有限公司生產(chǎn)的HPWR型高性能減水劑；水：自來水。

表1 玄武巖纖維力學性能參數(shù)

1.2 配合比設(shè)計

依據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》和JGJ 51—2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》設(shè)計玄武巖纖維輕骨料混凝土配合比，并根據(jù)現(xiàn)有輕骨料摻量對混凝土力學性能研究得出的最佳輕骨料摻量[12-13]確定陶粒摻量為石子摻量的20%。選用玄武巖纖維摻量為0%、0.1%、0.2%、0.3%四個梯度，并依據(jù)工作性確定減水劑摻量，試驗設(shè)計的玄武巖纖維輕骨料混凝土具體配合比見表2所示。

表2 玄武巖纖維輕骨料混凝土配合比 kg/m3

1.3 試件制作及試驗方案

試件制作時，先將稱量好的石子和砂子混合干拌1 min，然后倒入玄武巖纖維繼續(xù)干拌1 min，接著加入水泥繼續(xù)干拌1 min，最后加入水和減水劑攪拌3 min，制作完成BF-LAC?？箟簭姸燃芭芽估瓘姸仍囼灻拷M各制作 3個100 mm×100 mm×100 mm立方體試件，隨后放入室溫為（20±2）℃的不流動的飽和氫氧化鈣溶液中養(yǎng)護28 d。按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，運用WAW-2000D電液伺服萬能試驗機進行BF-LWC抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗。

BF-LAC硫酸鹽侵蝕試驗方案按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中相關(guān)規(guī)定進行，硫酸鹽溶液濃度為5%，將養(yǎng)護28 d后的試件放入配制好的硫酸鹽溶液中，相鄰試件之間的間距應(yīng)不小于20 mm，溶液應(yīng)至少超過最上層試件表面20 mm，使試件能充分被侵蝕，分別在侵蝕齡期為 0 d、60 d、120 d、180 d、240 d時測試各組BF-LAC的抗壓強度、劈裂抗壓強度。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 硫酸鹽侵蝕環(huán)境下抗壓和劈裂抗拉強度變化

BF-LAC抗壓強度和劈裂抗拉強度隨侵蝕齡期變化如圖1(a)和圖1(b)所示，BF-LAC抗壓強度和劈裂抗拉強度隨玄武巖纖維摻量變化如圖2(a)和圖2(b)所示。

圖1 BF-LAC抗壓強度和劈裂抗拉強度隨侵蝕齡期變化

圖2 BF-LAC抗壓強度和劈裂抗拉強度隨玄武巖纖維摻量變化

由圖1可以看出：BF-LAC抗壓強度和劈裂抗拉強度在侵蝕初始階段呈現(xiàn)提升趨勢。第1#組試件抗壓強度在侵蝕齡期為120 d時達到峰值，劈裂抗拉強度在侵蝕齡期為60 d時達到峰值，相較于未經(jīng)侵蝕的普通輕骨料混凝土，兩種強度分別提升6.36%和8.87%；第2#組和第3#組試件抗壓強度在侵蝕齡期為120 d時達到峰值，兩組混凝土相較于未受侵蝕的試件抗壓強度分別提升6.93%和10.66%，兩組混凝土劈裂抗拉強度在侵蝕齡期為60 d時達到峰值，相較于各自未經(jīng)侵蝕的試件劈裂抗拉強度分別提升5.7%和9.04%；對于第4#組試件抗壓強度和劈裂抗拉強度分別在侵蝕齡期為90 d和60 d時達到峰值，相較于未經(jīng)侵蝕的試件，分別提升5.66%和5.78%。在上述強度峰值出現(xiàn)之后，隨著侵蝕的繼續(xù)進行，BF-LAC抗壓強度和劈裂抗拉強度呈現(xiàn)下降趨勢即受力性能發(fā)生一定的退化。

由圖2可知：BF-LAC抗壓強度和劈裂抗拉強度隨著玄武巖纖維摻量的增加呈現(xiàn)先增長后降低的趨勢。這表明在輕骨料混凝土中摻入玄武巖纖維有利于試件受力性能的提升，其中當玄武巖纖維摻量為0.2%時效果最佳；隨后玄武巖纖維摻量增加到0.3%，BF-LAC的抗壓強度和劈裂抗拉強度開始降低，這是因為適量的玄武巖纖維分散在混凝土中能有效加強纖維與混凝土基體的橋接作用，但玄武巖纖維摻入過量會導(dǎo)致試件的受力性能出現(xiàn)很大程度的下降，效果反而不佳。

2.2 硫酸鹽侵蝕環(huán)境下有效孔隙率變化

有效孔隙率可以反映BF-LAC在硫酸鹽侵蝕環(huán)境中的試件內(nèi)部孔隙發(fā)展規(guī)律。計算方式如下：每隔60 d測量每組3個試件在侵蝕狀態(tài)下的質(zhì)量并取平均值即為飽和質(zhì)量，然后將試件放入干燥箱中進行烘干出來，每隔4 h測量一次質(zhì)量，當質(zhì)量不再變化時即認為已干燥[14]，計算公式按下式進行：

式中：w——有效孔隙率；

ms——試件飽和質(zhì)量，kg；

md——試件干燥后質(zhì)量，kg。

圖3給出了在硫酸鹽侵蝕環(huán)境中不同侵蝕齡期的BF-LAC有效孔隙率變化規(guī)律，從圖中可以看出，在侵蝕初期，BF-LAC有效孔隙率反而降低，第4#組試件在侵蝕60 d之后有效孔隙率開始增加，其他三組試件在侵蝕120 d之后有效孔隙率開始增加，這也從側(cè)面驗證了上文中BF-LAC強度的試驗結(jié)果。

圖3 BF-LAC有效孔隙率變化

選擇第 1#、3#、4#組試件在侵蝕齡期為 0 d、60 d、120 d、180 d、240 d時變化如圖 4、圖 5、圖 6、圖 7、圖8所示。從圖4和圖5可以看出，第1#、3#組試件在侵蝕0 d和60 d時試件表觀沒有出現(xiàn)明顯的變化，第4#組試件在侵蝕60 d時試件表面出現(xiàn)微小的孔洞?；趫D6可看出，在侵蝕120 d時，試件表面開始出現(xiàn)孔洞，但第3#、4#組的孔洞密度較第1#微少，這表明玄武巖纖維摻入有利于增強纖維與混凝土基體之間的橋接作用，而第4#組試件孔洞較大且更為密集，這說明過量的玄武巖纖維摻入輕骨料混凝土中會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部孔隙數(shù)量增多，不利于混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實性；根據(jù)圖7可知，在侵蝕齡期達到180 d時，試件孔洞明顯增多且相較于侵蝕120 d時更大，這是由于混凝土中的水化產(chǎn)物與侵蝕介質(zhì)中的硫酸根離子發(fā)生反應(yīng)生成鈣礬石及石膏等侵蝕性物質(zhì)導(dǎo)致的；由圖8可見，經(jīng)過240 d的硫酸鹽侵蝕，試件開始出現(xiàn)局部的剝落，第3#組試件與第1#組和第4#組相比，孔洞較少且試件的局部剝落不嚴重，這表明摻量為0.2%的玄武巖纖維在輕骨料混凝土中與混凝土基體有著很好的相容性，更好的發(fā)揮纖維在混凝土中的橋接作用。

圖4 侵蝕0 d時BF-LAC表觀

圖5 侵蝕60 d時BF-LAC表觀

圖6 侵蝕120 d時BF-LAC表觀

圖7 侵蝕180 d時BF-LAC表觀

圖8 侵蝕240 d時BF-LAC表觀

2.3 硫酸鹽侵蝕環(huán)境下相對動彈性模量變化

采用超聲波測定儀測試聲速法計算相對動彈性模量，從而評定BF-LAC的劣化程度，試件的相對動彈性模量計算方法按下式計算。

式中：E——試件的相對動彈性模量；

T0——未受侵蝕試件的超聲波聲時，s；

Tt——侵蝕齡期t天試件的超聲波聲時，s 。

當E＞1時表明試件的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)得到改善，當E＜1時表明試件受侵蝕程度增強，孔隙增多。硫酸鹽侵蝕環(huán)境中不同侵蝕齡期的BF-LAC相對動彈性模量變化規(guī)律如圖9所示，可以看出四組試件的相對動彈性模量均呈現(xiàn)先增長后降低的趨勢，經(jīng)過240 d的硫酸鹽侵蝕，玄武巖纖維摻量為0%、0.1%、0.2%、0.3%四組BF-LAC試件相對動彈性模量降幅分別為20.3%、19.6%、8.8%、22.4%。由此可以看出，第3#組試件在硫酸鹽侵蝕環(huán)境下，BF-LAC的劣化損傷程度最小，第4#組的相對動彈性模量與普通輕骨料混凝土較為接近，但略大于普通輕骨料混凝土，這表明其劣化損傷程度比普通輕骨料混凝土嚴重。

圖9 BF-LAC相對動彈性模量變化

3 SEM微觀分析

針對前文對BF-LAC強度、有效孔隙率和相對動彈性模量的分析可知：侵蝕齡期為120 d時是BFLAC上述指標的轉(zhuǎn)折點，因此為了深入研究BFLAC在硫酸鹽侵蝕環(huán)境下的侵蝕機理，故選擇侵蝕齡期為0 d和120 d的混凝土試件核心部分進行SEM電鏡掃描，測試結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 侵蝕0 d時BF-LAC微觀

圖11 侵蝕120 d時BF-LAC微觀

綜合圖10和圖11可以看出，未受侵蝕的BFLAC內(nèi)部裸露在外的玄武巖纖維表面覆蓋有稠密的刺狀或球狀物質(zhì)，這些物質(zhì)主要是水泥水化基質(zhì)(C-S-H凝膠)，在BF-LAC水化反應(yīng)過程中，C-S-H凝膠與水泥二次水化產(chǎn)物鈣礬石緊密包裹著纖維，當試件承受外部荷載可以與水泥基質(zhì)形成一定的機械咬合力，因此分散在BF-LAC內(nèi)部的單根纖維作用與鋼筋類似，起到了二次微加筋的作用，同時纖維交互形成了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以及纖維的橋接作用加強了纖維與基體的粘結(jié)，有效提升了BF-LAC的力學性能。但過量的纖維摻入輕骨料混凝土中會出現(xiàn)纖維結(jié)團現(xiàn)象，降低了混凝土的密實度，影響纖維與基體充分粘結(jié)，試件內(nèi)部缺陷增加，最終導(dǎo)致BFLAC的強度下降。伴隨著硫酸鹽侵蝕BF-LAC的開始，侵蝕介質(zhì)中的硫酸根離子經(jīng)由內(nèi)部孔隙滲透進入試件內(nèi)部，與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)生成石膏、鈣礬石等膨脹性物質(zhì)并且含量不斷增加，同時侵蝕過程中析出的鹽類結(jié)晶也不斷增加，在侵蝕的初始階段這些產(chǎn)物能夠混凝土基體共同作用即在某種程度上成為混凝土骨架的一部分改善了試件的力學性能，但由于持續(xù)的硫酸鹽侵蝕作用，試件內(nèi)部慢慢的就會沒有足夠的孔隙能夠容納這些持續(xù)產(chǎn)生的膨脹物和鹽，導(dǎo)致試件內(nèi)部產(chǎn)生很大的應(yīng)力使得混凝土內(nèi)部產(chǎn)生裂縫并隨著時間的推移加速擴展，因此，隨著侵蝕齡期的增加，試件力學性能逐漸降低，劣化程度越來越嚴重。

4 結(jié)束語

1）玄武巖纖維摻入輕骨料混凝土中對BF-LAC內(nèi)部孔隙和裂縫的擴展有著顯著的改善。在硫酸鹽侵蝕環(huán)境下，將摻量為0.2%的玄武巖纖維摻入輕骨料混凝土能提升其力學性能，使得輕骨料內(nèi)部孔隙減少，摻量為0.3%的玄武巖纖維摻入對提升輕骨料混凝土力學性能效果不明顯，相較于普通輕骨料甚至有所降低。

2）當玄武巖纖維摻量為0.2%對輕骨料混凝土的抗硫酸鹽侵蝕力學性能提升效果最為明顯，抗壓強度和劈裂抗拉強度相較于其他三組未受侵蝕的BF-LAC增幅最大，分別為10.66%和9.04%，故從提升BF-LAC在硫酸鹽侵蝕環(huán)境下力學性能角度考慮，最佳玄武巖纖維摻量為0.2%。

3）通過對BF-LAC有效孔隙率和相對動彈性模量的分析表明摻入0.2%的玄武巖纖維在輕骨料混凝土中在其受硫酸鹽侵蝕時纖維能夠與混凝土基體有著很好的相容性，且劣化程度相對其他三組較低。

4）在試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上基于SEM微觀分析可知，適量的玄武巖纖維摻入輕骨料混凝土中BFLAC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到明顯的改善，在硫酸鹽侵蝕初始階段侵蝕產(chǎn)物主要是石膏和鈣礬石，同時析出鹽共同填充了試件內(nèi)部空隙，隨著侵蝕的持續(xù)進行試件內(nèi)部沒有足夠的孔隙能夠容納這些生成物，應(yīng)力增大導(dǎo)致力學性能降低，劣化程度嚴重。