孫 凱

(綏中縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 綏中 125200)

受氯離子侵蝕、碳化等不利因素作用，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)普遍面臨著一定的耐久性問題，其中氯離子滲透破壞鋼筋鈍化膜形成銹蝕，會(huì)改變結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，并且鋼筋銹蝕產(chǎn)生體積膨脹進(jìn)一步破壞了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，特別是北方沿海地區(qū)更加嚴(yán)重[1-4]。氯離子侵蝕造成的鋼筋銹蝕，對(duì)石油平臺(tái)、海港碼頭、海底或沿岸管道、石油平臺(tái)等鋼筋混凝土構(gòu)筑物造成極大的破壞和經(jīng)濟(jì)損失[5]。因此，有必要研究氯離子的侵蝕破壞機(jī)理以及增強(qiáng)水工混凝土抗氯離子滲透性能。本文通過干濕循環(huán)試驗(yàn)，探討分析了聚丙烯纖維、輕燒氧化鎂、聚丙烯纖維—輕燒氧化鎂等摻和料對(duì)混凝土抗氯離子滲透性影響，揭示了孔隙率與氯離子滲透之間的關(guān)系，以期為延長(zhǎng)水利工程使用年限以及改善水工混凝土耐久性提供一定參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料性能

本試驗(yàn)選用渾河P·HM42.5 中熱硅酸鹽水泥，密度3.25g/cm3，比表面積290m2/kg，初、終凝時(shí)間190min 和245min，燒失量1.85%，3d、7d 水化熱240kJ/kg 和295kJ/kg，28d 抗折抗壓強(qiáng)度7.8MPa、46.1MPa。采用火電廠生產(chǎn)的F 類Ⅱ級(jí)粉煤灰，細(xì)度20.6%，平均密度2.5g/cm3，需水量比103%。粗骨料選用粒徑5～20mm 和20～40mm 兩種級(jí)配花崗巖碎石，壓碎指標(biāo)6.1%，堅(jiān)固性1.0%，表觀密度2760kg/m3。細(xì)骨料用機(jī)械破碎而成的石灰?guī)r人工砂，細(xì)度模數(shù)2.6，微粒含量8.5%，表觀密度2740kg/m3，石粉含量不略不計(jì)。外加劑用高效引起減水劑，以自來水作為拌合水和養(yǎng)護(hù)水。經(jīng)檢測(cè)，各原材料性能指標(biāo)均符合現(xiàn)行規(guī)范要求。

定義未摻聚丙烯纖維、輕燒氧化鎂混凝土為基準(zhǔn)組，標(biāo)號(hào)等級(jí)C30W3F200，新拌混凝土含氣量4.8%，坍落度60mm，砂率31%，水膠比0.42，基準(zhǔn)配合比如表1 所示。通過外摻方式將MAG-Ⅰ型輕燒氧化鎂(摻量3.0%)或束狀單絲聚丙烯纖維(摻量1kg/m3)分別摻入混凝土中，并定義成單摻組，其中纖維長(zhǎng)度10～20mm。采用外摻的方式將MAG-Ⅰ型輕燒氧化鎂(摻量3.0%)和束狀單絲聚丙烯纖維(摻量1kg/m3)同時(shí)摻入混凝土中，并定義成雙摻組。

表1 基準(zhǔn)混凝土配合比

1.2 干濕循環(huán)設(shè)計(jì)

考慮到現(xiàn)階段尚未形成統(tǒng)一的氯鹽條件下水工混凝土干濕循環(huán)試驗(yàn)方法，只有GB/T 50082-2009標(biāo)準(zhǔn)中“混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能”涉及到干濕循環(huán)的試驗(yàn)方法。然而，氯鹽侵蝕與硫酸鹽侵蝕有所不同，若氯鹽環(huán)境下的干濕循環(huán)試驗(yàn)完全按照硫酸鹽侵蝕方法進(jìn)行，不可避免地會(huì)造成一定偏差。

許多學(xué)者從不同輔助試驗(yàn)方法、干濕循環(huán)階段、氯鹽溶液濃度等角度，試驗(yàn)研究了氯鹽條件下的干濕循環(huán)試驗(yàn)。為更好地揭示氯離子擴(kuò)散受干濕循環(huán)的影響特征，應(yīng)遵循以下原則合理確定干濕循環(huán)方法[6-7]：①完全轉(zhuǎn)化混凝土的干濕狀態(tài)；②加速干燥升溫過程中，設(shè)定烘箱溫度≤80℃；③試樣必須冷卻至室溫條件下才能進(jìn)入下一步循環(huán)，以防因溫度作用而加速氯鹽的擴(kuò)散；④充分考慮試樣尺寸，合理確定干燥和浸泡時(shí)長(zhǎng)。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范和前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)，合理設(shè)定干濕循環(huán)程序，具體如下：濕潤(rùn)過程中將標(biāo)養(yǎng)28d 的混凝土試件置于3.5%氯化鈉溶液中，浸泡24h 后放入烘箱進(jìn)行干燥；干燥過程中先將試樣表面水分擦拭干凈，然后置于溫度(80±2)℃的烘箱內(nèi)，烘干20h 后自然冷卻4h。為防止水分蒸發(fā)可能引起的溶液濃度改變，將試驗(yàn)箱用塑料薄膜密封，對(duì)氯鹽溶液按每干濕循環(huán)15 次更換一次，以保證氯鹽濃度穩(wěn)定。

1.3 氯離子測(cè)試方法

試驗(yàn)完成后，將混凝土試樣沿非澆筑面用切割機(jī)各切除5mm，然后對(duì)混凝土用打磨機(jī)逐層打磨研粉，與氯離子滲透面方向相垂直。在深度不超過10mm 內(nèi)每隔2mm 取樣一次，深度超過10mm時(shí)每隔5mm 取樣一次。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，確定試樣代表深度為所取范圍內(nèi)的中值，如代表深度6mm 為5～7mm 范圍內(nèi)的中值。將所有混凝土試樣過0.63mm 篩，最后對(duì)每個(gè)試樣中的自由氯離子含量利用規(guī)范推薦的化學(xué)滴定法進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果用氯離子占總質(zhì)量的百分比來表征。

1.4 孔隙率測(cè)試方法

目前，測(cè)定混凝土孔隙率的方法主要是浸泡法，混凝土吸水后的水分存留于內(nèi)部孔隙內(nèi)，故測(cè)定吸水后的密度和質(zhì)量即可求解出相應(yīng)的孔隙率，計(jì)算公式為[8]：

式中：ρc、ρw——試件飽水后的密度和常溫下水的密度，g/cm3；mc、m0——試件的飽水質(zhì)量和干燥質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 混凝土電通量

將混凝土拌合物制成高50mm、直徑100mm的圓柱形芯樣，每組3 個(gè)，利用HLD-8A 電通量?jī)x測(cè)定28d、90d 電通量，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 混凝土電通量測(cè)定值

結(jié)果表明，從低到高4 種混凝土28d、90d 電通量值排序?yàn)閱螕捷p燒氧化鎂組＜雙摻組＜基準(zhǔn)組＜單摻聚丙烯纖維組，電通量值越小則抗氯離子侵蝕性越好，單摻輕燒氧化鎂組、單摻聚丙烯纖維組的抗氯離子滲透性達(dá)到最優(yōu)和最差。深入分析，輕燒氧化鎂會(huì)產(chǎn)生一定的微膨脹使得混凝土內(nèi)部更加密實(shí)，從而有效改善了抗氯離子滲透性。此外，雖然摻入的纖維具有一定的阻裂作用，但若混凝土與纖維無法很好地結(jié)合，纖維發(fā)揮著一定的滲透通道作用，為氯離子滲入創(chuàng)造了條件[9]。

針對(duì)同一組試樣28d 電通量整體高于90d 電通量，這是因?yàn)闀r(shí)間越長(zhǎng)則水化程度越高，有利于提高混凝土致密度，即混凝土抗氯離子侵蝕能力隨著混凝土齡期的增加而增強(qiáng)。相較于28d 電通量，單摻輕燒氧化鎂組、雙摻組、基準(zhǔn)組、單摻聚丙烯纖維組的90d 電通量減少52.92%、36.16%、27.04%、27.83%。單摻聚丙烯纖維組合基準(zhǔn)組電通量值減小，這是由于粉煤灰、水泥等膠凝材料隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)水化更加充分。雙摻組和單摻輕燒氧化鎂組電通量值減小，主要由于混凝土內(nèi)部水化更加充分，并且在反應(yīng)后期摻入的輕燒氧化鎂轉(zhuǎn)變成體積微膨脹的氫氧化鎂，使得內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密。

2.2 混凝土孔隙率

試驗(yàn)達(dá)到干濕循環(huán)設(shè)定次數(shù)后，采用鋼鋸將混凝土試樣切割成兩個(gè)部分，用于測(cè)定各組試樣的孔隙率和不同深度氯離子含量，不同干濕循環(huán)次數(shù)的混凝土孔隙率見表2。為了排除不同齡期水化程度的影響，同步測(cè)定自然養(yǎng)護(hù)條件下的孔隙率數(shù)據(jù)，見表3。

表2 不同循環(huán)次數(shù)的混凝土孔隙率

表3 自然養(yǎng)護(hù)條件下的混凝土孔隙率

經(jīng)對(duì)比分析可知，從小到大4 組混凝土初始孔隙率排序依次為單摻輕燒氧化鎂組＜雙摻組＜基準(zhǔn)組＜單摻聚丙烯纖維組。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)單摻輕燒氧化鎂組的孔隙率變化最大，其次是雙摻組，基準(zhǔn)組和單摻聚丙烯纖維組，該變化規(guī)律與單摻輕燒氧化鎂有關(guān)，輕燒氧化鎂的摻入有利于改善內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)。

自然養(yǎng)護(hù)情況下，隨著齡期的延長(zhǎng)各組試樣的孔隙率均逐漸減小，并且隨著齡期的延長(zhǎng)混凝土孔隙率減小速度放緩，齡期達(dá)到140d 后略微減小或基本無變化。因此，混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)隨著水化的不斷發(fā)展逐漸趨于穩(wěn)定。干濕循環(huán)時(shí)，氯鹽環(huán)境的干濕循環(huán)和水化程度是導(dǎo)致孔隙率減小的重要因素，干濕循環(huán)狀況與自然養(yǎng)護(hù)條件下的孔隙率變化趨勢(shì)相同，但自然養(yǎng)護(hù)條件下的變化速率高于干濕循環(huán)。以輕燒氧化鎂組為例，干濕循環(huán)達(dá)到15 次、30次、45次時(shí)的孔隙率變化率依次為0.88%、0.36%、0.36，而相同齡期自然養(yǎng)護(hù)條件下的孔隙率變化率依次為0.87%、0.62%、0.35%。因此，在混凝土養(yǎng)護(hù)前期(干濕循環(huán)次數(shù)較少)，若僅僅考慮氯鹽環(huán)境下的干濕循環(huán)則孔隙率相對(duì)增大，但其增加幅度低于水化加深而引起的孔隙率減小幅度。

2.3 自由氯離子含量

不同深度處不同干濕循環(huán)次數(shù)下4 組水工混凝土試樣的自由氯離子含量測(cè)試結(jié)果，如圖2 所示。結(jié)果表明，隨著深度的逐漸增加各組試樣的氯離子含量均呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢(shì)，并且隨著循環(huán)次數(shù)的增大同一深度處自由氯離子含量逐漸增加。

圖2 不同干濕循環(huán)次數(shù)下的自由氯離子含量

通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，干濕循環(huán)達(dá)到15 次和30次時(shí)距離試樣表面2～4mm 深度處出現(xiàn)氯離子含量峰值，干濕循環(huán)達(dá)到45 次單摻聚丙烯纖維組合基準(zhǔn)組的峰之巔延后1 個(gè)測(cè)量距離，即距離試樣表面4～6mm 處出現(xiàn)自由氯離子含量峰值，并且峰值高于雙摻組和單摻輕燒氧化鎂組。干濕循環(huán)達(dá)到60次時(shí)，距離試樣表面2～4mm 深度處雙摻組和輕燒氧化鎂組氯離子含量出現(xiàn)峰值，并且峰值點(diǎn)的氯離子含量呈進(jìn)一步上升趨勢(shì)。對(duì)于4 組混凝土試樣，深度相同時(shí)，單摻輕燒氧化鎂組均小于其它3 組試樣的自由氯離子含量，表明干濕循環(huán)條件下從低到高各組試樣抗氯離子侵蝕能力排序?yàn)閱螕骄郾├w維組＜基準(zhǔn)組＜雙摻組＜單摻輕燒氧化鎂組。

深入分析峰值點(diǎn)自由氯離子含量遷移的原因：在干濕循環(huán)的濕潤(rùn)狀態(tài)下，隨著水分?jǐn)U散氯離子滲入混凝土內(nèi)部；在干濕循環(huán)的干燥狀態(tài)下，表層水分逐漸蒸發(fā)，孔隙內(nèi)部的部分氯離子與水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或被物理吸附，并且水分蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)致含游離氯離子的溶液過度飽和，從而形成結(jié)晶體；之后，從干燥再次轉(zhuǎn)變成濕潤(rùn)狀態(tài)下，干燥階段所產(chǎn)生的鹽結(jié)晶因水分重新進(jìn)入混凝土中而溶解，從而形成明顯高于環(huán)境溶液的高濃度溶液，由此以來在濃度壓力差作用下氯離子進(jìn)一步向內(nèi)部滲透，反復(fù)循環(huán)[10-12]。因此，氯離子峰值隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增大逐漸向混凝土內(nèi)部延伸。

3 結(jié)論

本研究通過室內(nèi)試驗(yàn)，探討了干濕循環(huán)作用下氯鹽環(huán)境中單摻聚丙烯纖維、單摻輕燒氧化鎂、基準(zhǔn)組和雙摻組的抗氯離子滲透性，主要結(jié)論有：

1）從低到高各組試樣的28d 和90d 電通量排序均為雙摻組＜單摻氧化鎂組＜單摻聚丙烯纖維組＜基準(zhǔn)組；混凝土種類相同時(shí)，90d 電通量值均低于28d 測(cè)試結(jié)果，并且雙摻組和單摻輕燒氧化鎂組的減小幅度高于單摻聚丙烯纖維組、基準(zhǔn)組。

2）聚丙烯纖維和輕燒氧化鎂的摻入有利于改善混凝土孔隙結(jié)構(gòu)，相比于基準(zhǔn)混凝土減少其內(nèi)部孔隙，提高整體密實(shí)度；對(duì)于雙摻組，受限于聚丙烯纖維作用后期可以抑制輕燒氧化鎂的持續(xù)膨脹，從而使得雙摻組較單摻輕燒氧化鎂組、單摻聚丙烯纖維組的長(zhǎng)期孔隙率更小。

3）雖然短時(shí)間內(nèi)干濕循環(huán)難以明顯改善內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，但可以加速氯離子峰值向內(nèi)部的遷移和氯離子在淺層處的沉積。干濕循環(huán)下，抗氯離子侵蝕能力最高、最低的是單摻輕燒氧化鎂組和單摻聚丙烯纖維組。