硫酸鹽溶液濃度對(duì)鋼纖維混凝土侵蝕性影響的試驗(yàn)研究

孫亞明

(滄州水利勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，河北 滄州 061000)

混凝土材料具有取材方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等諸多優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前水工建筑領(lǐng)域的主要原材料之一。但是，混凝土也存在重量大、韌性差以及抗拉強(qiáng)度低等缺陷，會(huì)造成混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力裂縫，進(jìn)而影響到其耐久性和抗?jié)B性，嚴(yán)重制約了其發(fā)展和應(yīng)用范圍[1]。因此，探索質(zhì)量較輕，韌性較高的水工混凝土材料就成為重要的研究方向。將短細(xì)的鋼纖維分布于普通混凝土形成的鋼纖維混凝土，是一種可以澆筑和噴射的改性混凝土材料，而其中的鋼纖維對(duì)控制混凝土內(nèi)部的微裂縫具有十分重要的作用和價(jià)值，因此，在水利工程建設(shè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值[2]。另一方面，隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，硫酸鹽侵蝕已經(jīng)成為水工混凝土耐久性破壞的重要因素，對(duì)混凝土材料的抗硫酸鹽侵蝕性能研究具有重要的理論意義和工程實(shí)踐價(jià)值[3]。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

此次試驗(yàn)中的鋼纖維混凝土制備需要的材料主要包括水泥、骨料、鋼纖維以及外加劑。其中，試驗(yàn)用水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。經(jīng)測(cè)定，其初凝時(shí)間為272 min，終凝時(shí)間為355 min，28 d抗壓強(qiáng)度為45.5 MPa，抗折強(qiáng)度為7.85 MPa；試驗(yàn)用粗骨料為粒徑范圍5～20 mm級(jí)配良好的石灰?guī)r碎石，其堆積密度為1850 kg/m3，表觀密度為2630 kg/m3，含泥量為1.88%，壓碎率為5.65%；試驗(yàn)用細(xì)骨料為級(jí)配連續(xù)的天然河沙，其細(xì)度模數(shù)為2.5，堆積密度為1720 kg/m3，表觀密度為2550 kg/m3，含泥量為3.21%，含水率為1.35%；試驗(yàn)用鋼纖維為蘇州史尉康彎鉤型鋼纖維，其長(zhǎng)度為30 mm、直徑為0.5 mm、彈性模量為200 GPa、抗拉強(qiáng)度為1195 MPa；試驗(yàn)用外加劑為聚羥酸減水劑，引氣劑為三萜皂苷，試驗(yàn)用水為普通自來水。

1.2 試件制備

根據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范以及水工領(lǐng)域的工程實(shí)際，確定鋼纖維混凝土配合比。其中，水、水泥、細(xì)骨料、粗骨料、減水劑、引氣劑和鋼纖維的用量分別為150 kg/m3、375 kg/m3、765 kg/m3、1135 kg/m3、1.2 kg/m3、0.06 kg/m3、78 kg/m3。在鋼纖維混凝土的制備過程中，為了保證鋼纖維能夠均勻混合到混凝土中，需要按照如下步驟制備：首先，按照上文的配合比稱量好各種材料，將水泥和細(xì)骨料加入攪拌機(jī)攪拌1 min，然后，加入粗骨料和1/2的鋼纖維以及40%的水，攪拌2 min，再加入剩余的水、減水劑和引氣劑攪拌2 min，最后，加入剩余的鋼纖維，攪拌2 min結(jié)束。

將制作完成的鋼纖維混凝土裝入棱長(zhǎng)為100 mm的立方體模具，插搗、壓實(shí)，隨后放置24 h后脫模，再放入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)，按照標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件養(yǎng)護(hù)25 d[4]。養(yǎng)護(hù)完畢之后，將試件浸泡在清水中養(yǎng)護(hù)3 d，養(yǎng)護(hù)28 d使試件達(dá)到飽水狀態(tài)。

1.3 試驗(yàn)方案與方法

為了研究硫酸鹽的濃度對(duì)鋼纖維混凝土侵蝕性的影響，試驗(yàn)中配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、5%、10%的硫酸鈉溶液進(jìn)行硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)，將清水試驗(yàn)作為對(duì)比方案[5]。在鋼纖維混凝土試件養(yǎng)護(hù)完成之后，測(cè)定其初始質(zhì)量和抗壓強(qiáng)度，然后，開始干濕循環(huán)條件下的硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)采用CABR-LSB/Ⅱ型硫酸鹽干濕循環(huán)測(cè)試系統(tǒng)[6]，具體試驗(yàn)方法如下：將試件分別放入三種不同濃度的硫酸鈉溶液和清水中，浸泡15 h，箱體溫度設(shè)定為25 ℃，然后，抽干箱內(nèi)的溶液，風(fēng)干30 min，再將溫度升高至80 ℃，保持5.5 h，再將箱內(nèi)的溫度降低至常溫冷卻3 min，以上為一個(gè)試驗(yàn)循環(huán)。試驗(yàn)過程中共計(jì)進(jìn)行60個(gè)試驗(yàn)循環(huán)，每5次試驗(yàn)循環(huán)測(cè)定一次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并做好數(shù)據(jù)記錄。

試驗(yàn)過程中的試件稱重使用電子秤，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用萬能試驗(yàn)機(jī)以及《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)的要求執(zhí)行[7]。劈裂抗拉試驗(yàn)采用FT2300萬能壓力伺服試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，加載速率為110 N/s，直至試件破壞[8]。以試驗(yàn)中獲取的數(shù)據(jù)為依據(jù)，計(jì)算不同試驗(yàn)循環(huán)條件下試件的質(zhì)量損失率、抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度耐腐蝕系數(shù)。其中，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度耐蝕系數(shù)為侵蝕試驗(yàn)后的抗壓(劈拉)強(qiáng)度與初始抗壓(劈拉)強(qiáng)度之比。根據(jù)計(jì)算結(jié)果展開硫酸鹽溶液濃度對(duì)鋼纖維混凝土侵蝕性影響評(píng)價(jià)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量損失率

利用試驗(yàn)中獲得的質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算出不同試驗(yàn)循環(huán)下的試件質(zhì)量損失率，繪制出如圖1所示的質(zhì)量損失率變化曲線。由圖可知，在清水試驗(yàn)條件下，試件的質(zhì)量損失率隨試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，但是，減小的幅度極為有限。這說明清水溶液浸泡對(duì)試件的質(zhì)量影響極為有限。在硫酸鈉溶液的試驗(yàn)條件下，試件的質(zhì)量隨試驗(yàn)循環(huán)的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的特征，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的質(zhì)量損失率遠(yuǎn)大于清水試驗(yàn)方案。由此可見，不同濃度的硫酸鹽溶液會(huì)對(duì)鋼纖維混凝土產(chǎn)生十分明顯的侵蝕作用，在工程設(shè)計(jì)和建設(shè)中要予以考慮。究其原因，試驗(yàn)之初由于混凝土比較密實(shí)，僅有較少的硫酸鈉溶液滲入混凝土內(nèi)部，而烘干過程中，滲入混凝土的硫酸鈉溶液會(huì)有晶體析出，造成試件的質(zhì)量增加。隨著侵蝕作用的不斷增強(qiáng)，混凝土表面的砂漿開始脫落，并造成比較明顯的質(zhì)量損失，試件的質(zhì)量也不斷減小。從不同的硫酸鈉溶液濃度對(duì)比來看，溶液濃度越大，試驗(yàn)結(jié)束之后的質(zhì)量損失也越大，說明硫酸鹽溶液濃度越大，對(duì)鋼纖維混凝土的侵蝕作用越強(qiáng)。

圖1 質(zhì)量損失率變化曲線

2.2 抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)

利用試驗(yàn)中獲得的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出不同試驗(yàn)循環(huán)下的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)，繪制出如圖2所示的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)變化曲線。由圖可知，在清水試驗(yàn)條件下，試件的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)隨試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，但是，整體比較穩(wěn)定，所以，清水溶液浸泡對(duì)試件的抗壓強(qiáng)度影響極為有限。在硫酸鈉溶液的試驗(yàn)條件下，試件的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)隨試驗(yàn)循環(huán)的增加呈現(xiàn)出先增大后迅速減小的特點(diǎn)，說明硫酸鹽溶液會(huì)對(duì)鋼纖維混凝土產(chǎn)生十分明顯的侵蝕作用。究其原因，試驗(yàn)之初的鋼纖維混凝土比較密實(shí)，僅有較少的硫酸鈉溶液能夠滲入混凝土內(nèi)部裂隙，這些溶液在結(jié)晶之后會(huì)對(duì)內(nèi)部孔隙產(chǎn)生填充作用，增強(qiáng)試件的密實(shí)度和整體性，因此，抗壓強(qiáng)度有所提高。之后，隨著侵蝕作用的不斷增強(qiáng)，混凝土表面的砂漿開始脫落，內(nèi)部出現(xiàn)更多的孔隙，因此，抗壓強(qiáng)度會(huì)明顯下降。從不同的硫酸鈉溶液濃度對(duì)比來看，溶液濃度越大，試驗(yàn)結(jié)束之后的抗壓強(qiáng)度損失也越大，說明硫酸鹽溶液濃度越大，對(duì)鋼纖維混凝土的侵蝕作用越強(qiáng)。

圖2 抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)變化曲線

2.3 劈裂強(qiáng)度耐蝕系數(shù)

利用試驗(yàn)中獲得的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出不同試驗(yàn)循環(huán)下的劈裂強(qiáng)度耐蝕系數(shù)，繪制出如圖3所示的劈裂強(qiáng)度耐蝕系數(shù)變化曲線。由圖可知，在清水試驗(yàn)條件下，試件的劈裂強(qiáng)度耐蝕系數(shù)隨試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，但減小的幅度十分有限，這說明清水對(duì)試件的劈裂強(qiáng)度影響不大。在硫酸鈉溶液試驗(yàn)中，試件的劈裂強(qiáng)度耐蝕系數(shù)隨試驗(yàn)循環(huán)的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的特點(diǎn)，說明硫酸鹽溶液會(huì)對(duì)鋼纖維混凝土產(chǎn)生十分明顯的侵蝕作用。原因與抗拉強(qiáng)度變化的原因基本相同，這里不再贅述。從不同的硫酸鈉溶液濃度對(duì)比來看，溶液濃度越大，試驗(yàn)結(jié)束之后的劈裂強(qiáng)度損失也越大，說明硫酸鹽溶液濃度越大，對(duì)鋼纖維混凝土的侵蝕作用越強(qiáng)。

圖3 劈裂強(qiáng)度耐蝕系數(shù)變化曲線

3 結(jié) 論

(1)在清水試驗(yàn)條件下，試件的質(zhì)量損失率隨試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，但是減小的幅度極為有限。在硫酸鈉溶液的試驗(yàn)條件下，試件的質(zhì)量隨試驗(yàn)循環(huán)的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的特征，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的質(zhì)量損失率遠(yuǎn)大于清水試驗(yàn)方案。從不同的硫酸鈉溶液濃度對(duì)比來看，溶液濃度越大，試驗(yàn)結(jié)束之后的質(zhì)量損失也越大。

(2)在清水試驗(yàn)條件下，試件的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)隨試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，但是整體比較穩(wěn)定。在硫酸鈉溶液的試驗(yàn)條件下，試件的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)隨試驗(yàn)循環(huán)的增加呈現(xiàn)出先增大后迅速減小的特點(diǎn)。從不同的硫酸鈉溶液濃度對(duì)比來看，溶液濃度越大，試驗(yàn)結(jié)束之后的抗壓強(qiáng)度損失也越大。

(3)在清水試驗(yàn)條件下，試件的劈裂強(qiáng)度耐蝕系數(shù)隨試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，但減小的幅度十分有限。在硫酸鈉溶液試驗(yàn)中，試件的劈裂強(qiáng)度耐蝕系數(shù)隨試驗(yàn)循環(huán)的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的特點(diǎn)。從不同的硫酸鈉溶液濃度對(duì)比來看，溶液濃度越大，試驗(yàn)結(jié)束之后的劈裂強(qiáng)度損失也越大。