商 冉

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

沿海地區(qū)一直是我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)高速發(fā)展的核心區(qū)域，隨著地下空間結(jié)構(gòu)的迅猛發(fā)展，越來(lái)越多的全地下建筑及建筑物的基礎(chǔ)都面臨著地下水質(zhì)的腐蝕性考驗(yàn)。大量的研究和調(diào)查表明，在沿海及近海水文地質(zhì)環(huán)境下，地下水氯離子含量較高，腐蝕性較強(qiáng)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)常常達(dá)不到其正常的設(shè)計(jì)使用壽命，有些甚至在不到20年的時(shí)間內(nèi)就發(fā)生了嚴(yán)重的鋼筋銹蝕、混凝土脫落等現(xiàn)象，給國(guó)家造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失。加強(qiáng)氯鹽腐蝕環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能的研究一直是學(xué)術(shù)界關(guān)注的研究方向，一批新型的材料、新的配置技術(shù)和施工技術(shù)被廣泛應(yīng)用，極大地提高了混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性能和耐久性能。近年來(lái)開(kāi)發(fā)的鋼纖維輕骨料混凝土(SFRLC)，其彈性模量遠(yuǎn)大于普通混凝土，提高了普通混凝土的抗拉性能和韌性，鋼纖維可以分散混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的收縮應(yīng)力，使裂縫細(xì)微化，具有優(yōu)異的抗裂性能，極大地提高了混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，受到研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。

本文通過(guò)研究SFRLC強(qiáng)度等級(jí)、鋼纖維體積率、侵蝕制度、侵蝕溶液濃度等各因素對(duì)SFRLC損傷程度的影響規(guī)律(選取相對(duì)動(dòng)彈性模量、質(zhì)量損失率、氯離子濃度來(lái)表征試件混凝土的損傷)，探索SFRLC抗氯離子侵蝕的作用機(jī)理，提出其壽命預(yù)測(cè)評(píng)估模型，對(duì)近海水文地質(zhì)環(huán)境下的結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估具有一定的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的鋼纖維陶?；炷?SFRLC)是以水泥、粉煤灰、硅灰為主要膠凝材料，以陶粒為粗骨料，河砂為細(xì)骨料，并摻入了一定量的減水劑和鋼纖維，按照一定的填料順序混合攪拌均勻制備而成。試驗(yàn)參照《鋼纖維混凝土行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JG/T 472—2015)》[1]和《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程(JGJ 51—2002)》[2]，并結(jié)合王棟民和陳建奎提出的高性能混凝土配合比[3]制備試樣，如圖1所示。

1.2 測(cè)試方法

試驗(yàn)類別：①NaCl溶液侵蝕；②NaCl溶液侵蝕+干濕循環(huán)；侵蝕制度：浸泡侵蝕，干濕循環(huán)制度；SFRLC種類：LC20、LC30、LC40和LC50；鋼纖維體積率0%、1%、1.5%和2%；侵蝕溶液：NaCl溶液濃度為3%、7%；測(cè)試內(nèi)容：SFRLC的質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)彈性模量、氯離子濃度。

本文氯離子濃度測(cè)試[4～6]采用最基本的溶液滴定法進(jìn)行。其步驟為：對(duì)侵蝕后的試件進(jìn)行鉆孔取芯、切片、研磨、化學(xué)滴定等測(cè)試。其鉆孔芯樣及切片樣本如圖1所示。

圖1 鉆取芯樣及切片樣品Fig.1 Core of concrete and sliced samples

2 試驗(yàn)結(jié)果分析及討論

2.1 鋼纖維體積率對(duì)氯離子侵蝕的影響

2.1.1鋼纖維體積率對(duì)質(zhì)量損失率的影響

圖2為氯鹽濃度為7%下SFRLC質(zhì)量損失率隨鋼纖維體積率Vf的變化曲線。

圖2 Vf對(duì)SFRLC質(zhì)量損失率的影響Fig.2 Effects of Vf on the mass loss rate of SFRLC

由圖2可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，SFRLC質(zhì)量損失率先降低，在30 d左右開(kāi)始增加，在90 d后質(zhì)量損失率呈緩慢增加的趨勢(shì)?；w強(qiáng)度等級(jí)相同的SFRLC，隨著鋼纖維體積率的增加，侵蝕前期區(qū)別不顯著，90 d后其質(zhì)量損失率呈略減少狀態(tài)。

隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，SFRLC質(zhì)量先增加后降低，侵蝕后期趨于平緩。這是由于氯離子侵蝕初期，滲透入試件的氯離子與SFRLC組分反應(yīng)生成難溶于水的水化產(chǎn)物3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O和3CaO·Al2O3·CaCl2·3H2O，生成物吸水體積膨脹，起到填充SFRLC內(nèi)部空隙的作用，使得SFRLC在侵蝕前期質(zhì)量略有增加。隨著SFRLC致密性的提高，氯離子越來(lái)越難滲透到試件內(nèi)部，故其產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力增加幅度緩慢，即SFRLC侵蝕后期質(zhì)量降低緩慢。

2.1.2鋼纖維體積率對(duì)相對(duì)動(dòng)彈性模量的影響

圖3為氯鹽濃度為7%下，SFRLC相對(duì)動(dòng)彈性模量隨鋼纖維體積率的變化曲線。

圖3 Vf對(duì)SFRLC相對(duì)動(dòng)彈性模量的影響Fig.3 Effect of Vf on reduce rates of SFRLC relative dynamic modulus

可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，SFRLC相對(duì)動(dòng)彈性模量先呈增加后降低趨勢(shì)，在90 d后趨于平緩?；w強(qiáng)度等級(jí)相同的SFRLC，侵蝕前期相對(duì)動(dòng)彈性模量區(qū)別不顯著，90 d后相對(duì)動(dòng)彈性模量隨著鋼纖維體積率的增加均呈增加趨勢(shì)。究其原因，鋼纖維摻入SFRLC后起到了較好的填充作用，延緩了氯離子的滲透速度；同時(shí)鋼纖維的增韌阻裂起到了約束試件內(nèi)部膨脹應(yīng)力的作用，兩者均利于SFRLC致密性的提高，使其相對(duì)動(dòng)彈性模量較高。

2.1.3鋼纖維體積率對(duì)氯離子含量的影響

圖4為鋼纖維體積率Vf=1%時(shí)，不同強(qiáng)度等級(jí)SFRLC浸泡侵蝕360 d后的氯離子含量隨試件深度的變化規(guī)律。由圖可以看出，SFRLC中氯離子含量隨試件深度的增加呈先快速減小后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)；隨SFRLC強(qiáng)度等級(jí)的提高，氯離子含量趨于平穩(wěn)的深度逐漸變淺。

圖4 Vf=1%時(shí)侵蝕360 d后SFRLC氯離子含量Fig.4 Chlorine ion content after 360 d erosion of LCV1

圖5為氯鹽濃度為7%下，距離SFRLC表面0～2 mm處氯離子含量隨鋼纖維體積率的變化規(guī)律。

圖5 Vf對(duì)SFRLC氯離子含量的影響Fig.5 Effect of Vf on chlorine ion content of SFRLC

由圖可以看出，混凝土強(qiáng)度等級(jí)相同的SFRLC試件，隨著鋼纖維體積率的增加，氯離子含量均呈降低趨勢(shì)。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，氯離子含量呈先快速增加，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)90 d以后，增加趨勢(shì)趨于平緩。這是由于氯離子侵蝕初期，SFRLC表面不飽和，毛細(xì)管張力會(huì)將氯離子吸收至SFRLC試件表層，直至試件表層達(dá)飽和狀態(tài)，故該階段氯離子的擴(kuò)散較快，在圖譜上表現(xiàn)為表層氯離子濃度在90 d之前呈快速增加趨勢(shì)。而在SFRLC表層達(dá)到飽和后，其表層與內(nèi)部孔隙溶液間存在一濃度差，該濃度差驅(qū)使氯離子繼續(xù)向試件內(nèi)部擴(kuò)散，直至達(dá)到整體的平衡，該過(guò)程氯離子擴(kuò)散速度緩慢。

2.2 混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)氯離子侵蝕的影響

圖6是氯鹽濃度為7%下，SFRLC質(zhì)量損失率隨強(qiáng)度等級(jí)的變化規(guī)律曲線?？梢钥闯?，對(duì)于同一鋼纖維體積率，隨著強(qiáng)度等級(jí)的提高，侵蝕前期質(zhì)量損失率呈增加趨勢(shì)，90 d后質(zhì)量損失率呈降低趨勢(shì)。

圖6 強(qiáng)度等級(jí)對(duì)SFRLC質(zhì)量損失率的影響Fig.6 Effect of strength grade on the mass loss rate of SFRLC

圖7為氯鹽濃度為7%下，SFRLC相對(duì)動(dòng)彈性模量隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)的變化規(guī)律?？梢钥闯?，對(duì)于同一鋼纖維體積率，隨著強(qiáng)度等級(jí)的提高，SFRLC相對(duì)動(dòng)彈性模量均呈增加趨勢(shì)。

圖7 強(qiáng)度等級(jí)對(duì)SFRLC相對(duì)動(dòng)彈性模量的影響Fig.7 Effect of strength grade on reduce rates of SFRLC relative dynamic modulus

圖8是氯鹽濃度為7%下，距離SFRLC表面0～2 mm處氯離子含量隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)的變化規(guī)律?？梢钥闯觯S著強(qiáng)度等級(jí)的提高，氯離子含量呈緩慢增加趨勢(shì)。

圖8 強(qiáng)度等級(jí)對(duì)SFRLC氯離子含量的影響Fig.8 Effect of strength grade on chlorine ion content of SFRLC mass

圖9 不同侵蝕制度對(duì)SFRLC質(zhì)量損失率的影響Fig.9 Effect of erosion system on the mass loss rate of SFRLC①NaCl溶液侵蝕方法；②NaCl溶液侵蝕+干濕循環(huán)方法

由圖6～8可以看出，隨著強(qiáng)度等級(jí)的提高，SFRLC質(zhì)量損失率、氯離子含量均呈降低趨勢(shì)，相對(duì)動(dòng)彈性模量均呈增加趨勢(shì)。這是由于強(qiáng)度較低的SFRLC，試件內(nèi)部孔隙以及初始缺陷較多，毛細(xì)管張力很容易將氯離子吸入試件表層，與水化產(chǎn)物CH發(fā)生反應(yīng)的氯離子較多，生成物吸水膨脹顯著，產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力較大，致使SFRLC質(zhì)量變化較大。而隨著SFRLC強(qiáng)度的提高，試件內(nèi)部孔隙逐漸變少，致密性得以提高，氯離子很難滲透到試件內(nèi)部，產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力增加幅度緩慢，SFRLC質(zhì)量變化較小。正由于強(qiáng)度等級(jí)高的SFRLC內(nèi)部孔隙較少，致密性高的特點(diǎn)，氯離子很難滲透進(jìn)入試件內(nèi)部，為此產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力小，相對(duì)動(dòng)彈性模量較高。

2.3 侵蝕制度對(duì)氯離子侵蝕的影響

2.3.1侵蝕制度對(duì)質(zhì)量損失率的影響

圖9是氯鹽濃度為7%下，鋼纖維體積率為1%的SFRLC質(zhì)量損失率在不同侵蝕制度下的變化規(guī)律。由圖可以看出，混凝土強(qiáng)度等級(jí)相同的SFRLC，采用①NaCl溶液侵蝕方法的SFRLC質(zhì)量損失率較采用②NaCl溶液侵蝕+干濕循環(huán)方法低。

采用干濕循環(huán)侵蝕制度。侵蝕前期干濕循環(huán)的干燥過(guò)程中，水分的蒸發(fā)增大了試件表層孔隙和內(nèi)部孔隙的濃度差，驅(qū)使氯離子快速向內(nèi)部擴(kuò)散，氯離子與混凝土組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的膨脹物數(shù)量多于侵蝕制度①，試件質(zhì)量增加，且高于侵蝕制度①。

侵蝕后期膨脹物逐漸增加，由于干濕循環(huán)產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力較大，引發(fā)的裂縫較多，同時(shí)產(chǎn)生的鹽結(jié)晶壓力較大，加速試件的膨脹，促進(jìn)裂縫的形成與擴(kuò)展，致使質(zhì)量損失率較侵蝕制度①大。

2.3.2侵蝕制度對(duì)相對(duì)動(dòng)彈性模量的影響

圖10是氯鹽濃度為7%下，SFRLC相對(duì)動(dòng)彈性模量隨侵蝕制度的變化規(guī)律?？梢钥闯?，混凝土強(qiáng)度等級(jí)相同的SFRLC，采用方法①的SFRLC相對(duì)動(dòng)彈性模量略高于采用方法②的。

圖10 不同侵蝕制度對(duì)SFRLC相對(duì)動(dòng)彈性模量的影響Fig.10 Effect of erosion system on relative dynamic modulus of SFRLC

采用干濕循環(huán)侵蝕制度，侵蝕前期在干燥過(guò)程中水分的蒸發(fā)，增加了試件表層孔隙的鹽分濃度，表層和內(nèi)部孔隙存在的高濃度差驅(qū)使氯離子快速向內(nèi)部擴(kuò)散，氯離子與混凝土組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的膨脹物填充試件內(nèi)部原有的孔隙，利于試件致密性的提高，相對(duì)動(dòng)彈性模量提高。干濕循環(huán)干燥過(guò)程中水分的蒸發(fā)，會(huì)給試件帶來(lái)更多的毛細(xì)孔和微裂縫，相對(duì)動(dòng)彈性模量降低。兩者共同作用下，侵蝕前期，前者占據(jù)主要作用，但相對(duì)動(dòng)彈性模量低于侵蝕制度①的。

侵蝕后期，膨脹物逐漸增加，由于干濕循環(huán)后滲透入試件內(nèi)部的氯離子含量相對(duì)較高，產(chǎn)生膨脹應(yīng)力較大，引發(fā)的裂縫較多，同時(shí)多余的鹽分在干燥過(guò)程中以晶體的形式存在于試件孔隙，產(chǎn)生的鹽結(jié)晶壓力較大，加速試件的膨脹，促進(jìn)裂縫的形成與擴(kuò)展，相對(duì)動(dòng)彈性模量低于侵蝕制度①的。

2.3.3侵蝕制度對(duì)氯離子含量的影響

圖11是氯鹽濃度為7%下，SFRLC氯離子含量隨侵蝕制度的變化規(guī)律。可以看出，混凝土強(qiáng)度等級(jí)相同的SFRLC，采用方法①的SFRLC氯離子含量較采用方法②的偏低。

圖11 不同侵蝕制度對(duì)SFRLC氯離子含量的影響Fig.11 Effect of erosion system on chlorine ion content of SFRLC

這是由于干濕循環(huán)下的SFRLC試件，浸泡過(guò)程中，主要依靠直接接觸外界溶液的混凝土毛細(xì)管張力，將氯離子吸收至SFRLC試件表層。在干燥過(guò)程中，水分蒸發(fā)，試件表層孔隙的鹽分濃度增加，其表層與內(nèi)部孔隙溶液間濃度差加大，該濃度差加大了氯離子向試件內(nèi)部的擴(kuò)散速度，促使氯離子含量的增加。

2.4 侵蝕溶液濃度對(duì)氯離子侵蝕的影響

2.4.1侵蝕溶液濃度對(duì)質(zhì)量損失率的影響

表1是在不同濃度NaCl溶液侵蝕時(shí)，SFRLC質(zhì)量損失率的變化規(guī)律。由表可以看出，侵蝕前期質(zhì)量增加，侵蝕溶液濃度為7%對(duì)應(yīng)的SFRLC質(zhì)量增幅顯著高于侵蝕溶液濃度為3%的，侵蝕后期質(zhì)量降低，高濃度下的SFRLC質(zhì)量損失率高于低濃度的。隨著強(qiáng)度等級(jí)的提高，兩種不同侵蝕溶液濃度下，SFRLC的質(zhì)量損失率均呈降低趨勢(shì)。

表1 不同NaCl溶液濃度下SFRLC的質(zhì)量損失率Table 1 The mass loss rate of SFRLC mass with different NaCl concentration

其原因在于侵蝕初期濃度的差異不會(huì)引起較大的混凝土侵蝕量變化，初期質(zhì)量增加緩慢，侵蝕后期，氯離子濃度越大，通過(guò)裂縫滲透到試件的速度越快，產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力也越來(lái)越大，表面水泥漿剝落越顯著，質(zhì)量損失率越多。

2.4.2侵蝕溶液濃度對(duì)相對(duì)動(dòng)彈性模量的影響

表2是在不同濃度氯鹽溶液侵蝕時(shí)，鋼纖維體積率為1%的SFRLC相對(duì)動(dòng)彈性模量的變化規(guī)律。由表可以看出，侵蝕前期氯鹽濃度為3%對(duì)應(yīng)的SFRLC相對(duì)動(dòng)彈性模量略低于7%的；侵蝕后期氯鹽濃度為3%對(duì)應(yīng)的SFRLC相對(duì)動(dòng)彈性模量高于7%的。

分析原因?yàn)榍治g前期，高氯離子濃度的滲透量高于低濃度的，以致生成膨脹物的量較多，相對(duì)動(dòng)彈性模量也隨著密實(shí)作用的提高而增大。侵蝕后期，高濃度氯離子侵蝕的SFRLC試件，其膨脹作用較明顯，在試件內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫較多，為氯離子的滲入提供更多的通道，相對(duì)動(dòng)彈性模量降低顯著。

2.4.3侵蝕溶液濃度對(duì)氯離子含量的影響

表3是在不同濃度氯鹽侵蝕時(shí)，鋼纖維體積率為1%的SFRLC氯離子含量的變化規(guī)律。由圖可得，氯鹽濃度為7%對(duì)應(yīng)的SFRLC氯離子含量顯著高于氯鹽濃度為3%的。這是由于在低濃度下，氯離子滲透進(jìn)入試件內(nèi)部的速度較慢的緣故。

表2 不同NaCl溶液濃度下SFRLC的相對(duì)動(dòng)彈性模量Table 2 Relative dynamic modulus of SFRLC with different NaCl concentration

表3 不同NaCl溶液濃度下SFRLC的氯離子含量Table 3 Chlorine ion content of SFRLC with different NaCl concentration

3 結(jié)論

(1)鋼纖維對(duì)SFRLC的質(zhì)量損失有抑制作用，其作用隨著鋼纖維體積率的增大而增大；鋼纖維體積率對(duì)SFRLC相對(duì)動(dòng)彈性模量基本無(wú)影響；鋼纖維對(duì)SFRLC氯離子滲入有抑制作用。

(2)混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)SFRLC的質(zhì)量損失有抑制作用，抑制損傷的作用隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高愈加明顯；混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)SFRLC相對(duì)動(dòng)彈性模量降低和氯離子滲入略有抑制作用。

(3)SFRLC的質(zhì)量損失和相對(duì)動(dòng)彈性模量基本不受干濕循環(huán)作用影響，但在一定程度上促進(jìn)了氯離子滲入。

(4)在損傷環(huán)境下，侵蝕溶液濃度對(duì)相對(duì)動(dòng)彈性模量無(wú)顯著影響，但對(duì)SFRLC的質(zhì)量損失和氯離子侵入影響顯著。

(5)SFRLC以其優(yōu)異的抗裂性能，極大地提高了在近海腐蝕水文地質(zhì)環(huán)境下的結(jié)構(gòu)耐久性，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

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