混凝土耐久性大挑战！玄武岩纤维，助力寒旱区建筑长寿秘诀！

针对西北寒旱区早期受冻混凝土在盐-冻耦合作用下耐久性快速降低等问题 ,本文基于室内快速冻融试验 , 以3.5% (质量分数 ,下同) NaCl + 5.0%Na2 SO4复合盐溶液为冻融介质 ,研究了不同玄武岩纤维体积掺量下混凝土的耐久性劣化规律 , 同时采用扫描电子显微镜、超声法缺陷检测和核磁共振孔径检测三种分析手段探究了玄武岩纤维在微观层面上对早期受盐-冻耦合作用下混凝土宏观性能的改善作用。研究结果表明:在早期受冻混凝土中掺加玄武岩纤维能够有效提高抗压强度 ,减小质量损失; 随着纤维掺量的增加,抗压强度、相对动弹性模量呈先增加后降低的趋势 ;随着冻融循环次数的增加 ,不同体积掺量玄武岩纤维早期受冻混凝土试块的超声脉冲传播速度逐渐增大,各组试块的总孔隙率与冻融次数呈正相关 ,且掺加玄武岩纤维能增加无害孔,减少多害孔,从而提高混凝土抗冻耐久性;试验中纤维掺量为0.15% ( 体积分数)的试块表现最优越。该研究可为寒旱灌区早期受冻混凝土耐久性研究及后期维护提供参考。

引 言

我国西北寒旱地区冬季持续时间较长,昼夜温差大 ,混凝土早期受冻问题不容忽视 ,且该地区盐渍土分布广泛 ,地下水和土壤中含有丰富的盐离子,如SO₄^2-   , 和   Cl   ^-    ,此地区服役的水工混凝土建筑结构将受到盐- 冻耦合侵蚀破坏,导致混凝土建筑物的耐久性降低。

为探究混凝土在早期受冻及盐溶液侵蚀下的耐久性 , 国内外学者对混凝土在不同受冻时间及温度下的耐久性进行了大量的研究。Omoding等研究发现 , 当玄武岩纤维掺量达到 3 kg /m ³ 时 ,混凝土的抗压强度、劈拉强度、弹性模量以及耐磨性能都受到明显影响 。胡玉兵等研究发现混凝土在-10℃早期受冻后进行标准养护,后期抗压强度仍减小了10% ~ 15% ,这对混凝土后期性能造成不可逆的影响。徐存东等通过实验室的加速试验 ,对不同时间(1.0、3.5、8.0、24.0 h) 和不同受冻温度( - 5、- 10 ℃ ) 的混凝土 在复合盐(3 . 5%  NaCl + 5 . 0% Na 2  SO 4 ,质量分数) 侵蚀和冻融循环耦合作用下的力学损伤展开了研究 ,结果 表明 ,早期受冻对养护龄期在初凝与终凝之间(3 . 5 h) 的混凝土力学性能影响最为严重 ,并且受冻时间对其影响要大于受冻温度 。 Jin等 以不同玄武岩纤维体积含量混凝土为研究对象,研究玄武岩纤维混凝土动弹性模量变化与质量损失变化 ,研究结果表明 ,玄武岩纤维混凝土在冻融过程中的动弹性模量和质量损失性能明显优于普通混凝土。 王利强 和徐存东 对玄 武岩纤维混凝土在三种不同溶液条件下的抗冻性和耐蚀性进行研究 ,结果表明在3 . 5% ( 质量分数) NaCl溶液条件下,混凝土的损伤最大,而添加玄武岩纤维后其抗冻性和耐蚀性都有了明显的提高。 刘军等 总结了孔隙率、平均孔径和临界孔径等孔结构参数对混凝土渗透性的相关性影响。 综上研究表明 , 目前研究主要集中在早期盐冻或受冻侵蚀作用对混凝土力学性能的影响,以及不同纤维体积掺量对玄武岩纤维混凝土力学性能和耐久性的影响等方面 ,而鲜有研究盐-冻耦合作用下玄武岩纤维混凝土性能劣化规律的文献。

鉴于此 ,本文以接近研究区盐离子浓度的3.5% NaCl+5.0% Na 2  SO 4 溶液为冻融介质,五种玄武岩纤维掺量为变量,通过室内快速冻融试验 ,探究玄武岩纤维混凝土在复合盐-冻耦合作用下的耐久性指标变化规律,采用扫描电子显微镜、超声法缺陷检测和核磁共振孔径检测三种微观分析手段探究玄武岩纤维对早期受盐-冻耦合作用下混凝土宏观性能的改善作用。

1  实 验

1. 1  原材料和配合比

采用郑州天瑞水泥厂生产的标准 P · O42.5 水泥 ;细骨料选择细数模度为2.74的南阳市唐河的天然河沙 ,属于Ⅱ区中砂;粗骨料选郑州市砂石场产出的粒径大小在5~25mm 的连续级配碎石;清水选用郑州自来水,pH 值约为6.7;选用天津致远生产的无水硫酸钠和无水氯化钠作为复合溶液中介质 ;选用山西晋投玄武岩纤维开发有限公司生产18 mm短切型玄武岩纤维,纤维性能见表1。未掺加玄武岩纤维的早期受冻混凝土( early freezing plain concrete , EFPC) 和以 0. 05% 、0.10% 、0.15% 、0.20% ( 体积分数) 这4组纤 维掺量不同的早期受冻玄武岩纤维混凝土( early freezing basalt fiber concrete , EFBF) ,各组混凝土的配合比如表2所示。

1. 2  试验方案

根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》( GB/T 50081—2002 ) 进行试块的制作和养护 。尺寸为100mm×100mm×400mm的棱柱体试块用于静态耐久性标准测试 ,尺寸为100mm×100mm×100mm的棱方体试块用于抗压强度测试 。本文选取养护龄期在初凝与终凝之间的3.5 h作为受冻时刻 , - 10℃作为受冻温度 ,对玄武岩纤维混凝土进行早期受冻试验。将养护 28 d(24 d 时放入3.5%  NaCl+5.0% Na 2  SO 4 复合盐溶液中浸泡) 的试块按《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》( GB/T 50081—2002)  进行冻融循环试验 ,将完成一次冻融循环的时间控制在4h,且融化时间占比不低于1/4 , 以冻融循环25或50次为节点 ,测量混凝土相关性能指标。 冻融循环超过300次、质量损失率大于 5% 、相对动弹性模量低于 60% ,达到任何一个条件即停止试验。

1) 质量损失试验 。质量损耗是评估混凝土耐久性的指标之一 。混凝土试块质量损失率计算式如式(1) 所示。

2) 抗压强度试验 。混凝土抗压强度是衡量混凝土性能的一个重要指标 。混凝土的抗压强度计算式如 式(2) 所示。

3) 相对动弹性模量试验。动弹性模量是表征材料抵抗变形的指标,反映了物质内部的原子结合强度, 并以此衡量物质的刚度,混凝土的相对动弹性模量计算式如式(3) 、(4) 所示。

4) 核磁共振技术试验。混凝土孔隙率的研究中相关式如式(5) 所示。

将混凝土内部孔隙假设为理想状态(球孔型) ,结合横向弛豫时间T2和孔径r的关系 ,表达式如式(6)所示。

用苏州纽迈MesoMR-150核磁共振分析系统 ,对不同冻融循环次数后的各组试件进行 NMR孔结构测量 ,测量试件的T2及孔结构特征参数。

2 结果与讨论

2. 1  质量损失分析

早期受冻混凝土质量损失率与冻融循环次数、玄武岩纤维掺量关系如图1所示 。 由图 1 可知,不同体积量玄武岩纤维下早期受冻混凝土累计质量损失率随冻融循环次数增加呈线性上升趋势。在前50次冻融循环时 ,各组试块质量损失率均不大于 2% , 变化趋势相同 ,并未有较大波动 ; 当冻融循环达到100次时 , EFPC组试块的质量损失率超过失效阈值的5% ;当冻融循环达到150次时,EFBF各组试块质量损失率均已超过5% ,其原因是在水压和渗透压作用下盐水渗透到混凝土表层,砂浆脱落,粗骨料外露,且混凝土内部裂缝增大, 内部冻胀破坏力逐渐增大,导致混凝土质量损失增加,加速了混凝土的解体。结果表明 ,相同冻融循环次数下各组试块的累计质量损失率曲线平缓度具有差异性,EFBF0.15 组试块的曲线具有较好的稳定性和较低的波动性。玄武岩纤维的加入只能在一定程度上减少盐冻过程中的质量损耗 ,但不能完全防止盐冻带来的损伤。

2. 2   抗压强度分析

早期受冻混凝土试块的抗压强度和抗压强度提升率与玄武岩纤维掺量的关系如图2所示。由图2可知 ,EFPC、EFBF0.05、EFBF0.10、EFBF0.15、EFBF0.20 组试块抗压强度分别为 36.83、37 . 57、38.90、40.07、 39.51MPa ,较 EFPC分别提高了2.00% 、5.86% 、8.79% 、7.27% 。当纤维掺量为 0.05% 时 ,抗压强度提升不明显。随着纤维掺量不断增加 ,试块抗压强度的提升程度不断增大 ,这主要是因为未掺入玄武岩纤维的早期受冻混凝土在持续荷载的作用下发生典型的脆性破坏,加入纤维后 ,纤维在混凝土内部相互交织形成一种类似网状的结构,与基体一起承担荷载,延缓裂隙的产生与发展.当纤维掺量增加到0.15% 时,抗压强度提升程度达到最高,超过0.15%后呈下降趋势。

图 3 为早期受冻混凝土试块的抗压强度与冻融循环次数、玄武岩纤维掺量关系。当玄武岩纤维掺量从0%增加到0.20%时 ,各组混凝土试块的抗压强度呈先增加后降低的趋势 ,纤维掺量为0.15%时其抗压强度值最大。3.5%NaCl+5.0% Na 2  SO 4 溶液盐-冻耦合作用下 ,各组试块抗压强度均随冻融循环次数增加呈下降趋势 ,主要原因是盐离子进入混凝土内部 ,孔隙率不断变大 ,并与外界溶液形成渗透压 ,导致混凝土内部结构损伤加剧 ,抗压强度下降。 冻融循环150次后 ,各组试块的抗压强度分别下降到各组初始抗压强度的48.73% 、52.75% 、55.83% 、61.21% 、57.47% 。 研究结果表明 ,不同体积掺量玄武岩纤维早期受冻混凝土抗盐冻性能规律为EFPC < EFBF0. 05  < EFBF0.10 < EFBF 0. 20 < EFBF0 . 15。

2. 3 相对动弹性模量分析

早期受冻混凝土试块的相对弹性模量变化如图 4 所示 。如图 4 所示 ,在盐冻作用下 ,五组试块相对动弹性模量均随冻融循环次数增加呈下降趋势 ,但下降变化程度有所区别 ,EFPC 组试块相对动弹性模量与其他 EFBF组试块相比下降幅度较大.各组试块在25次冻融循环结束之后相对动弹性模量数值变化不大 ,且变化幅度一致 , 曲线状态较为紧密 ;当冻融循环100次时 ,各组试块的相对动弹性模量曲线离散程度较大 ,但均未达到相对动弹性模量失效阈值的 60% ;当150次冻融循环试验结束后 ,EFBF0.15组试块相对动弹性模量为60.01% ,其余三组 EFBF 试块均已被严重破坏 。各组试块在受盐-冻耦合作用下内部孔隙和裂缝不断增多和变大 ,这是造成试块的相对动弹性模量下降的主要原因之一。氯盐、硫酸盐与水泥砂浆在相互反应生成结晶 ,结晶量的增多使得混凝土内部具有结晶压和膨胀压 ,这也是导致内部孔隙和裂缝增多变大的原因。从各组试块达到相对动弹性模量的失效阈值 60% 的冻融循环次数来看 , EFPC最先达到, 之后EFBF0.05、 EFBF0.10、EFBF0.20组相继达到 ,EFBF0.15接近但不低于失效阈值 60% ,说明玄武岩纤维对早期受冻混凝土的相对动弹性模量有一定提升作用。

3  早期受冻玄武岩纤维混凝土微观劣化规律

3. 1 SEM 分析

冻融前后EFPC组和 EFBF0.15组的SEM照片如图 5 所示 。由图 5 可知 ,不同试块在断面周围存在着不等量的针状及短柱状形态 ,此物质可能为三硫型水化硫铝酸钙以及石膏 ,该物质产生的原因是在进行复合盐冻试验时 ,混凝土内部渗入大量腐蚀其内部的产物 ,如  SO 42   -   和 Cl   - 随着盐冻试验的继续进行 ,腐蚀产物  不断增多 ,混凝土内部产生新的裂缝以及原裂缝程度加深 ,最终更易导致混凝土破坏 。对比图 5( a) 、( c) 和  ( b) 、( d) 发现 ,EFPC 试块冻融后的腐蚀产物较 EFBF0 . 15 组试块多且有成团、成簇的现象 。 由此推断出 ,玄武岩纤维的加入能够抑制混凝土在盐冻试验中的腐蚀劣化 ,从而提高混凝土抗冻耐久性 。此外 ,从图 5( c) 、 ( d) 可以看出 ,玄武岩纤维以单丝的形式呈现在混凝土中 ,说明纤维在混凝土内部呈均匀分布状态 ,而且玄武岩纤维表面附着水泥水化产物 ,也可进一步证明玄武岩纤维与水泥基体的结合性较好。

3. 2  内部缺陷变化规律

图6为不同玄武岩纤维掺量下早期受冻混凝土试块内部缺陷损伤云图.冻融试验开始前 ,EFBF各组所有测点的波速没有太大差别 , 同时从缺陷云图上可以发现 ,波速分布在试块上呈上侧大、两侧小的现象 ,这是混凝土制作振捣过程中产生差异。冻融试验开始后 ,EFBF 各组内部损伤随着冻融循环次数的增加越来 越严重 ,表现为超声波波速逐渐变小。经冻融循环50次后 ,各组试块超声波的波速均呈现下降趋势,但波速依旧高 ,表明试块尚未被破坏严重 ,但EFPC组损伤变化明显与其他四组掺玄武岩纤维(0. 05% 、0.10% 、 0.15% 、0.20% ) 的混凝土试块变化不同 ,波速下降迅速 , 内部出现部分缺陷区 。经冻融循环 100 次之后 ,各组试块超声波波速出现明显下降 ,说明此时试块内部的缺陷较大 , 通过波速分布表现的内部缺陷来看, EFBF0.15组试块损伤最小 ,EFPC组试块损伤最大。经过 150 次的冻融循环后 ,除 EFBF0.15组试块仍能以  低速状态均匀地内部传播外 ,其他四组试块内部损伤严重 ,波速降低严重 ,从上述试验结果来看 ,不同体积掺量玄武岩纤维早期受冻混凝土内部损伤程度从大到小EFPC> EFBF0.05> EFBF0.10>EFBF0 . 20>EFBF0.15。

3. 3  NMR 数据分析

3.3.1 孔隙度变化规律

早期受冻混凝土总孔隙度与冻融循环次数、玄武岩纤维掺量关系如图7所示 。从图 7中可以看出 ,不同玄武岩纤维体积掺量下早期受冻混凝土总孔隙度随冻融循环次数呈逐渐上升的趋势 , 随纤维掺量的增加呈先增大后减小的趋势 。冻融试验开始前 ,不掺玄武岩纤维的早期受冻混凝土孔隙率为1.84% , 以此为基准 ,不同玄武岩纤维体积掺量下早期受冻混凝土总孔隙率从大到小依次为 EFPCE>FBF0. 05>EFBF0.10>EFBF0. 20>EFBF0.15 ,表明抗压强度越大,孔隙率越小。在50次冻融循环后 ,孔隙度变化不明显 ,说明掺加纤维对冻融前期混凝土的总孔隙率影响不大。当冻融循环至100次时 ,不同体积掺量玄武岩纤维早期受冻混凝土均呈快速增长的趋势 , 增长率分别为 69.33% 、72.92% 、72.42% 、68.58% 、70.00% ,虽然掺玄武岩纤维组试块的孔隙率增长幅度较未掺加组略有增加 ,但纤维的加入使得混凝土孔结构得到细化,降低了来自混凝土内部的渗透压力和静水压力 ,提高了其抗冻性.当冻融循环 150 次时 ,EFPC组的总孔隙率最高 , 为 4.88% ,EFBF0.15组的总孔隙率最小 , 为 3.71% 。

3.3.2   孔结构变化规律

利用 NMR 孔结构检测技术得到孔隙分布情况 ,在吴中伟院士的孔结构理论基础中 ,混凝土内部孔径分为无害的微小孔隙(0 ,0 .1) μm、少害的小孔隙[0.1 ,1.0)  μm、有害的中小孔隙[1.0 ,.0) μm、多害的大 中孔隙[5.0 ,100.0) μm ,对划分的孔隙类别在带伤耦合盐冻中的变化进行相应分析 ,各类孔孔隙占比结果 如表3所示 。从表3可以看出 ,在冻融循环中孔结构的劣化主要是微小孔隙新发育 ,小孔隙变大 , 中小孔隙劣化和大中孔隙发展成裂隙 ,致使混凝土内部损伤劣化。在盐-冻耦合作用下 ,不同玄武岩纤维体积掺量下 早期受冻混凝土孔结构损伤规律大致相同 ,但在孔隙占比变化上具有差异性。在冻融循环试验下 ,EFBF 各组试块随冻融循环次数的增加无害孔所占比例均有一定程度的降低 ,其少害孔、有害孔及多害孔的比例呈增长趋势。掺加玄武岩纤维能够增加无害孔比例 ,减少多害孔含量 ,优化混凝土孔隙结构 ,从而提高混凝土抗冻性和耐久性 ,其中当玄武岩纤维掺量为 0.15%时对优化孔结构更有优势。

4   结 论

1) 随着冻融循环次数的增加 ,各组试块相对动弹性模量及抗压强度均逐渐下降 ,质量损失率则不断上升.在相同早期受冻-盐冻耦合作用损伤机制下 ,玄武岩纤维的掺入能够有效地 延缓盐 - 冻耦合作用下 混凝土的宏观性能退化速度 , 该效果随玄武岩纤维掺量的增大呈先增强后降低的趋势 , 纤维掺量为  0.15% 时效果最好 。

2) 未掺玄武岩纤维的早期受冻混凝土试块腐蚀产物较多 , 内部破坏程度严重 ,纤维的掺入能够有效抑制混凝土在盐-冻耦合作用下的微观劣化 ;混凝土超声无损检测缺陷云图损伤规律与混凝土耐久性指标变化表现一致 ,掺玄武岩纤维掺量为 0.15%时试块的表现最好 ,超声脉冲传播速度缓慢而均匀下降 , 内部缺陷程度最轻 ,不掺纤维组则最差;掺加玄武岩纤维能够增加无害孔比例 ,减少多害孔含量 ,纤维掺量为 0.15% 时试块的表现最优越。

3) 早期受盐-冻耦合作用下掺入玄武岩纤维的混凝土试块的综合性能始终优于不掺纤维的早期受冻混凝土试块。玄武岩纤维作为具有绿色、高效、低能耗等特点的新型纤维材料 ,值得在寒旱且复合盐冻的环境 下掺入到混凝土中推广运用。