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)大學土木建筑與環(huán)境學院， 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)大學土木建筑與環(huán)境學院， 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)，硅酸鹽水泥生產過程中的高能耗、高排放問題越來越受到人們的關注。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快硬、水化熱低、抗凍抗侵蝕性好等優(yōu)點，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極易滲入混凝土內部，進而導致混凝土內部鋼筋腐蝕破壞，最終影響混凝土的耐久性。1989年出版的耐久混凝土結構設計指南指明了影響混凝土耐久性的因素及其相互關系，其中，氯離子是影響鋼筋銹蝕的最主要的侵蝕性物質，氯離子侵蝕是導致混凝土結構耐久性失效破壞的首要原因；隨著齡期的延長，當鋼筋表面的水分和氯離子達到一定濃度時，鋼筋就逐漸被腐蝕了[2]，由氯離子侵蝕造成的混凝土結構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重要。

目前，有關纖維增韌堿礦渣混凝土抗氯離子滲透性的研究甚少[4-6]，開展相關研究對促進混凝土的耐久性，進而更好的在工程上應用，具有重要意義。侵蝕離子的擴散系數(shù)是用于評價混凝土尤其是現(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驗方法，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，研究結果可為堿激發(fā)礦渣的應用提供一定的理論支持。

1 實驗

1.1 原材料

試驗用礦渣為首鋼的磨細礦渣粉，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，化學組成及礦物組成見表2；合成纖維采用聚丙烯纖維，抗拉強度≥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；采用化學純試劑氫氧化鈉調節(jié)水玻璃的模數(shù)；粗集料采用最大粒徑為20 mm的碎細集料和細度模數(shù)2.7的河砂。實驗配合比見表3。

表1 磨細礦渣和粉煤灰的化學組成與物理性能

表2 水泥的化學組成與礦物組成 %

表3 混凝土實驗研究方案 %

1.2 實驗方法

氯離子滲透實驗參照《水運工程混凝土試驗規(guī)程JTJ270-98》第7.9條《混凝土抗氯離子滲透快速實驗》方法進行，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散系數(shù)。具體實驗裝置見圖1。

1-萬能電橋；2-緊固螺桿；3-緊固螺母；4-試驗槽；5-銅網；6-3% NaCl溶液；7-導線；8-0.3mol/L NaOH溶液；9-混凝土試件；10-橡皮墊圈圖 1 氯離子滲透快速實驗儀器裝置示意圖

試驗所用試件為?100 mm×60 mm的圓盤形混凝土試件，成型后標養(yǎng)24 h后拆模，然后置于20±3℃飽和氫氧化鈣溶液中進行養(yǎng)護，分別養(yǎng)護至28 d，180 d進行氯離子滲透測試。最后取同組3個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 實驗結果與討論

混凝土的氯離子滲透系數(shù)測量結果見表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)護時間的延長，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構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，形成良好的微結構。

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，即纖維與粉煤灰復摻能起到明顯的復合效應。

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行實驗時，堿礦渣混凝土內部的高鈉離子濃度可能會使測試的結果偏高。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 微結構分析

J2試件28 d齡期與180 d齡期水化產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物CSH凝膠相互交融，不斷融合為一個致密的整體。

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物中,纖維表面并未發(fā)生明顯的化學變化，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物間仍然能觀察到明顯的裂隙界面，此時纖維與漿體間有比較多的孔結構，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。但隨著水化時間的延長，水化產物CSH凝膠不斷地填充纖維與漿體間的細小裂隙，形成更致密的空間結構，提高了混凝土的抗氯離子滲透能力。

3 結論

1) 堿礦渣混凝土具有良好的抗氯離子滲透性，且結構密實；

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)護時間的延長優(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.關于聚丙烯纖維對混凝土性能的幾點認識[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

國家自然科學基金(51372076)，湖北省科技支撐計劃項目(2015BCA244)

蘇 英(1975-)， 女，湖南湘潭人，湖北工業(yè)大學副教授，研究方向為新型材料

1003-4684(2017)01-0019-03

TU528

A