火成巖纖維混凝土的抗氯離子滲透性能試驗(yàn)研究

徐東海

(溫州市甌飛開(kāi)發(fā)建設(shè)管理委員會(huì)，溫州 325000)

摘要：通過(guò)改進(jìn)的自然擴(kuò)散法，對(duì)火成巖纖維混凝土進(jìn)行抗氯離子滲透試驗(yàn)。得出了自由氯離子濃度在混凝土內(nèi)不同深度的分布情況，基于Fick第二定律對(duì)其進(jìn)行擬合得到該混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)。結(jié)果顯示摻入短切火成巖纖維后，混凝土的抗氯離子滲透性能得到提高。

關(guān)鍵詞：火成巖纖維；混凝土；氯離子滲透；擴(kuò)散系數(shù)

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.03.012

Abstract:The experiments on chloride permeability of igneous fiber concrete are carried out with a new method based on the NT Build 443, the diffusion coefficient and the distribution of free chloride ion concentration at different depths can be summarized from the experiment.The results show that adding igneous fiber can improve the chloride-resisting characteristics of concrete.

收稿日期：2015-04-07.

基金項(xiàng)目：水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(200901065).

作者簡(jiǎn)介：徐東海(1978-)，工程師.E-mail:waterworkers@126.com

Research on the Chloride Permeability of Igneous Fiber Concrete

XUDong-hai

(Development & Construction Management Committee of OUFEI-Reclamation, Wenzhou 325000, China)

Key words:igneous fiber;concrete;chloride penetration;diffusion coefficient

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合了鋼筋與混凝土的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)代社會(huì)應(yīng)用最為廣泛的建筑形式[1]。然而，其耐久性問(wèn)題也給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生命安全帶來(lái)了巨大損失[2]。其中氯離子對(duì)鋼筋的侵蝕是水工混凝土耐久性問(wèn)題中最為常見(jiàn)和普遍的。

連續(xù)火成巖纖維(CIF，Continue Igneous Fiber)是以天然的火山巖礦石作為原料，經(jīng)高溫熔融后，通過(guò)鉑銠合金拉絲漏板制成的連續(xù)纖維[3]。該纖維主要成分為火山巖漿巖中SiO2，因此稱之為“火成巖纖維”。火成巖纖維有著優(yōu)異的物理化學(xué)性能，而且相比碳纖維也有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，因此在工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[4-6]。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外對(duì)于摻入火成巖纖維的混凝土的研究還比較少見(jiàn)，而對(duì)其抗氯離子滲透性能的研究更為罕見(jiàn)。該文通過(guò)改進(jìn)后的自然擴(kuò)散法，研究分析了火成巖纖維混凝土的抗氯離子滲透性能。

1原材料與配合比設(shè)計(jì)

1.1　原材料

水泥為錢潮P.C 32.5R復(fù)合硅酸鹽水泥；粗骨料為最大粒徑40 mm的礫石；細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.5的中細(xì)河沙；拌合水和養(yǎng)護(hù)水采用杭州當(dāng)?shù)刈詠?lái)水，不摻任何外加劑；硅粉由河南嘉恒耐火材料有限公司生產(chǎn)；粉煤灰為Ⅱ級(jí)粉煤灰。

所用的短切火成巖纖維由浙江石金火成巖纖維有限公司生產(chǎn)，纖維單絲直徑為17～20 μm，長(zhǎng)度17～20 mm。

1.2　試驗(yàn)混凝土配合比

為了更直觀地體現(xiàn)火成巖纖維對(duì)混凝土的抗氯離子滲透性能的影響，設(shè)計(jì)了摻入粉煤灰和硅粉的配合比方案進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)所用基準(zhǔn)混凝土配合比見(jiàn)表1，摻合料摻量見(jiàn)表2。

表1　混凝土配合比　　/(kg·m -3)

表2　摻合料

2試驗(yàn)

2.1　方法

1)自然擴(kuò)散法自然擴(kuò)散法即浸泡法[7]具體為：將尺寸為Φ100 mm×100 mm的圓柱試件，在20 ℃靜水中養(yǎng)護(hù)28 d后，平行于底面將其切為相同兩半，尺寸為Φ100 mm×50 mm，一半為試樣A，另一半為試樣B(用于測(cè)試混凝土中初始氯離子濃度)；然后：①將試樣A浸泡于飽和Ca(OH)2溶液中，每隔24 h稱其表干狀態(tài)質(zhì)量，直至相鄰兩次稱量差值不超過(guò)質(zhì)量的0.11%[7]；②將A在室溫下干燥至表干狀態(tài)，并在其側(cè)面和非暴露面用硅膠或者環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行密封，再將其浸泡于飽和Ca(OH)2溶液中，重復(fù)前一步驟；③將A在表干狀態(tài)下浸泡于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.5%的氯化鈉(NaCl)溶液中，浸泡35 d；④隨后在暴露面磨粉取樣，用電極法測(cè)定不同深度的氯離子濃度。

2)改進(jìn)的自然擴(kuò)散法為了模擬近岸工程受潮影響產(chǎn)生的干濕循環(huán)，將自然擴(kuò)散法進(jìn)行適當(dāng)修改：(1)所用NaCl溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)改為5%；(2)將試件浸泡2 h，隨后在空氣中干燥46 h，并將此作為一個(gè)循環(huán)周期，該次試驗(yàn)共需進(jìn)行6個(gè)循環(huán)，即12 d。

該次試驗(yàn)將采用改進(jìn)后的自然擴(kuò)散法進(jìn)行試驗(yàn)。且每個(gè)配比均成型三個(gè)相同的試件進(jìn)行平行測(cè)定。

2.2　結(jié)果處理方法

1)氯離子濃度測(cè)試用研磨機(jī)將試件從暴露面開(kāi)始向內(nèi)部逐層取粉，每層厚度為2 mm。將粉樣通過(guò)0.63 mm的篩后，烘干待用。

將一定量的粉末,通常2~6 g(精確到0.000 1 g)，溶于100 mL蒸餾水，劇烈振蕩2 min后加入2 mL的離子穩(wěn)定劑ISA，靜置48 h。隨后用Thermo 720A酸度計(jì)測(cè)試自由氯離子濃度(占粉末質(zhì)量的百分比)[8]。

2)擴(kuò)散系數(shù)水下結(jié)構(gòu)或室內(nèi)浸泡的試件，氯離子服從隨深度增加而降低的規(guī)律。該試驗(yàn)將氯離子侵入形式簡(jiǎn)化為擴(kuò)散，則遵從Fick第二定律[9]

(1)

式中,C(x,t)為距離表面x(mm)處t(s)時(shí)刻混凝土中的氯離子濃度，%；Cs為表面氯離子濃度，%；C0為初始氯離子濃度，%；erf(·)為誤差函數(shù)。

將式(1)轉(zhuǎn)化得

(2)

假設(shè)擴(kuò)散系數(shù)D是一個(gè)常數(shù)，不隨混凝土使用(暴露)時(shí)間而改變。另外，由于干濕循環(huán)以及雨水沖刷等原因，混凝土表面的氯離子濃度并不是最高，在距離表面一定深度才達(dá)到最大值，然后隨深度的增加逐漸降低[10,11],可以將試件表面到最大氯離子濃度的區(qū)域定義為對(duì)流區(qū)；氯離子濃度隨深度增加逐漸降低的區(qū)域定義為穩(wěn)定擴(kuò)散區(qū)。

如果考慮存在對(duì)流區(qū)，則基于Fick第二定律的誤差函數(shù)擬合，就需將對(duì)流區(qū)數(shù)據(jù)排除。將對(duì)流區(qū)和穩(wěn)定擴(kuò)散區(qū)界面的氯離子濃度C1作為擴(kuò)散表面的氯離子濃度，可得到下列公式[9,11]

(3)

式中,C1為對(duì)流區(qū)與擴(kuò)散區(qū)界面處氯離子濃度，%；Xc為對(duì)流區(qū)厚度，mm。

利用式(3)進(jìn)行擬合，就排除了對(duì)流區(qū)的影響。試驗(yàn)中，改進(jìn)后的自然擴(kuò)散法會(huì)導(dǎo)致混凝土表面產(chǎn)生對(duì)流區(qū)，因此數(shù)據(jù)分析時(shí)均采用式(3)進(jìn)行擬合。

3結(jié)果與分析

3.1　不同深度的自由氯離子濃度

試驗(yàn)后試件暴露面一側(cè)20 mm深范圍內(nèi)的自由氯離子濃度見(jiàn)表3。

表3　不同深度的氯離子濃度　/%

根據(jù)表3可得不同深度的自由氯離子濃度分布趨勢(shì)圖，見(jiàn)圖1。

由圖1可見(jiàn)，在外側(cè)10 mm深度范圍內(nèi)，摻火成巖纖維的混凝土試件中的自由氯離子濃度要低于素混凝土試件和摻粉煤灰的混凝土試件，但比摻硅粉的試件要高。由此可見(jiàn)，摻入火成巖纖維可以改善混凝土的抗氯離子滲透性能，但其改善效果要弱于硅粉。

3.2　擴(kuò)散系數(shù)

由表3的試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，該次試驗(yàn)沒(méi)有出現(xiàn)預(yù)想的對(duì)流區(qū)，其原因可能是試驗(yàn)周期較短，形成的對(duì)流區(qū)厚度小于2 mm，不過(guò)這對(duì)擬合過(guò)程不會(huì)造成任何影響。對(duì)表3中的數(shù)據(jù)按前述方法進(jìn)行擬合，可得基于Fick第二定律的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，見(jiàn)表4。

表4　擴(kuò)散系數(shù)　(×10 -11(m 2/s))

上述結(jié)果表明，摻入火成巖纖維的混凝土(A1)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)比素混凝土(A0)和粉煤灰混凝土(A3)的擴(kuò)散系數(shù)低，但比摻硅粉的混凝土(A2)大，這又從另一個(gè)方面印證了火成巖纖維可以提高混凝土的抗氯離子滲透性能。該次擬合的相關(guān)系數(shù)都比較接近1.0，可見(jiàn)擬合結(jié)果較可靠。

4結(jié)論

通過(guò)改進(jìn)后的自然擴(kuò)散法，研究了摻入短切火成巖纖維的混凝土的抗氯離子滲透性能，得到以下結(jié)論：

a.摻入短切火成巖纖維后，混凝土的抗氯離子滲透性能得到提高。

b.在相同試驗(yàn)環(huán)境及條件下，摻火成巖纖維的混凝土的抗氯離子滲透能力比摻粉煤灰的混凝土強(qiáng)，但比摻硅粉的低。

參考文獻(xiàn)

[1]金偉良，趙國(guó)藩，貢金鑫. 結(jié)構(gòu)可靠度理論[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2000.

[2]吳瑾. 海洋環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)銹裂損傷評(píng)估研究[D]. 河海大學(xué), 2003.

[3]齊風(fēng)杰，李錦文. 連續(xù)玄武巖纖維研究綜述[J]. 高科技纖維與應(yīng)用，2006，31(2)：42-46.

[4]毛俊芳，董衛(wèi)國(guó). 玄武巖纖維特性及其應(yīng)用前景[J]. 產(chǎn)業(yè)用紡織品，2007，10：38-40.

[5]李為民，許金余. 玄武巖纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)和增韌效應(yīng)[J]. 硅酸鹽學(xué)報(bào)，2008，36(4)：476-481.

[6]胡顯奇，申屠年. 連續(xù)玄武巖纖維在軍工及民用領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 高科技纖維與應(yīng)用，2005，30(6)：7-13.

[7]NT Build 443. Concrete Hardened: Accelerated Chloride Penetration[R]. Helsinfots: NORDTEST, 1995.

[8]魯列.荷載與氯鹽環(huán)境下混凝土構(gòu)件的腐蝕試驗(yàn)研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2010.

[9]范宏，趙鐵軍，Wittmann F H. 基于結(jié)構(gòu)混凝土中氯離子分布的氯離子擴(kuò)散模型[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)(增刊)，2006(6)：199-202.

[10]周建民. 既有混凝土的氯離子侵蝕及模擬試驗(yàn)研究[D]. 杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2008.

[11]鄭輝. 自然環(huán)境下混凝土氯離子侵蝕的隨機(jī)性及壽命預(yù)測(cè)[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué),2009.