玄武岩纤维聚合物混凝土抗氯离子渗透性能试验研究

刘全庆，李光辉，宋云祥，杨 静

（1.河南豫淮高速公路有限公司，信阳 464400；2.河南省交通科学技术研究院有限公司，郑州 450006）

玄武岩纤维和聚合物作为水泥混凝土的新型改性材料，可以明显提高混凝土的抗折强度、抗冲击韧性和疲劳性能等，显著改善水泥混凝土的性能。玄武岩纤维混凝土和聚合物混凝土已成为国内外研究较多、应用较广的新型水泥基复合材料［1－4］。近年来，钢筋混凝土的耐久性问题给世界各国带来了巨大的经济损失和安全危害［5，6］，其中因混凝土抗氯离子渗透性能不足而引起的钢筋锈蚀问题比较严重。氯离子渗透性反映了混凝土的密实程度以及抵抗外部介质向混凝土内部侵入的能力，是评价混凝土耐久性的重要指标之一［7］。该文对玄武岩纤维聚合物混凝土抗氯离子渗透性能进行了试验研究，以探讨玄武岩纤维和聚合物共同作用对混凝土抗氯离子渗透性能的改善作用，为玄武岩纤维和聚合物在混凝土工程中的应用提供技术指导。

1 试验概况

1.1 原材料

水泥采用P·O 42.5级普通硅酸盐水泥；粉煤灰采用I级粉煤灰；砂为Ⅱ区中砂，级配良好，细度模数2.8；碎石采用两种粒径规格，其中4.75～9.5mm占30%，9.5～19mm占70%，符合5～20mm连续级配；外加剂选用缓凝型聚羧酸高性能减水剂，掺量为胶凝材料用量的1.3%；玄武岩纤维采用短切玄武岩纤维，其外观为金褐色；聚合物乳液选用羧基丁苯乳液（SD622S）。

1.2 试验方案

试验选择基准混凝土强度等级为C50，以玄武岩纤维和丁苯乳液掺量为变化参数，其中玄武岩纤维掺量为1.5kg/m3、2.5kg/m3和3.5kg/m3，分别记作F15、F25和F35；丁苯乳液掺量为胶凝材料用量的5%、10%和15%，分别记作R5，R10，R15，基准混凝土配合比如表1所示。

表1 C50混凝土基准配合比

2 试验方法

混凝土抗氯离子渗透性能试验参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082—2009）［8］中电通量试验方法进行，该方法通过测定一定时间内流过混凝土的电量，快速评价混凝土的渗透性能高低。制作150mm×150mm×150mm的混凝土立方体试件，标准养护到测试龄期后，钻取ø100mm×50mm的圆柱体芯样，将标准芯样进行真空饱水，然后置于标准夹具中，通过0.3mol/L NaOH溶液和3%NaCl溶液给试件施加60V直流电，通电6h，记录流过的电量，并据此评价混凝土渗透性能的高低。

3 试验结果及分析

3.1 玄武岩纤维对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

通过混凝土电通量试验，测试了玄武岩纤维掺量分别为0、1.5kg/m3、2.5kg/m3和3.5kg/m3的玄武岩纤维混凝土28d龄期的电通量。图1为混凝土电通量随玄武岩纤维掺量的变化情况图。

从图1中可以明显地看出，随着玄武岩纤维掺量的增加，混凝土的电通量呈现先减小后增大的趋势，当纤维掺量为2.5kg/m3时比基准混凝土电通量降低了26%，由此可见玄武岩纤维的掺入可以明显提高混凝土的抗氯离子渗透性能。分析其原因主要是：当混凝土中掺入玄武岩纤维时，在微裂缝发展过程中，由于纤维的阻裂作用有效地抑制微裂缝的产生和发展，尤其是抑制了连通裂缝的产生，避免了连通毛细孔的形成，从而提高了混凝土的抗渗能力，有效地提高了混凝土的抗氯离子渗透能力。

3.2 丁苯乳液对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

本试验以普通混凝土试件为基准，测定了丁苯乳液掺量5%、10%和15%时28d龄期混凝土的电通量。图2为混凝土电通量随丁苯乳液掺量的变化情况图。

从图2中可以得到，丁苯乳液的掺入显著地降低了混凝土的电通量，改善了混凝土的抗渗性能。随着丁苯乳液掺量的增加，混凝土的电通量呈现先降低后增加的趋势，虽然丁苯乳液掺量为15%时，混凝土电通量较丁苯乳液掺量为10%时有所增加，但与基准混凝土相比仍有明显的降低。当丁苯乳液掺量为10%时，较基准混凝土电通量降低了31%，对混凝土的抗氯离子渗透性能的改善作用明显。分析原因：一方面是由于丁苯乳液具有减水作用，使用水量减小，当丁苯乳液和水泥浆体拌合后，随着水泥颗粒的不断水化，将在水泥水化产物表层形成聚合物膜，并形成包覆和交联网络，从而减少了硬化混凝土内部孔隙率，减弱氯离子在混凝土中穿透和扩散的能力；另一方面是由于掺入聚合物能有效填充试样内部孔隙，改善内部过渡区，且聚合物脱水形成的聚合物膜也能有效封闭试样内部连通孔，提高混凝土密实度，进而有效提高其抗氯离子渗透性能。

3.3 玄武岩纤维与丁苯乳液复掺对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

考虑玄武岩纤维与丁苯乳液对混凝土抗氯离子渗透性能的耦合影响作用，结合单掺玄武岩纤维和丁苯乳液对混凝土抗氯离子渗透性能的试验结果，试验以普通混凝土为基准，分两个系列：系列一，固定玄武岩纤维掺量为2.5kg/m3，变化丁苯乳液聚合物掺量（5%、10%和15%）；系列二，固定丁苯乳液掺量为10%，变化玄武岩纤维掺量（1.5kg/m3、2.5kg/m3和3.5kg/m3）。图3为玄武岩纤维混凝土电通量随丁苯乳液掺量变化的情况，图4为丁苯乳液聚合物混凝土电通量随玄武岩纤维掺量变化的情况。

从图3中可以得到，当玄武岩纤维掺量为2.5kg/m3时，随着丁苯乳液掺量的增加，玄武岩纤维混凝土电通量呈现先降低后增大的趋势。丁苯乳液掺量为10%时，玄武岩纤维混凝土电通量值最小，较基准混凝土和未掺丁苯乳液的玄武岩纤维混凝土分别降低了71%和61%。由此可见，在玄武岩纤维混凝土中掺入丁苯乳液聚合物可以显著改善混凝土的抗氯离子渗透性能。

从图4中可以发现，当丁苯乳液掺量为10%时，随着玄武岩纤维掺量的增加，聚合物混凝土电通量呈现先降低后增加的趋势，比基准混凝土电通量降低了31%～71%。玄武岩纤维掺量为2.5kg/m3时，聚合物混凝土电通量值最小，较基准混凝土和为掺玄武岩纤维的聚合物混凝土分别降低71%和59%。由此可见，在聚合物混凝土中掺入玄武岩纤维可以显著改善混凝土的抗氯离子渗透性能。

综合图3和图4可以得到，玄武岩纤维和丁苯乳液复掺对混凝土抗氯离子渗透性能的改善作用要明显优于玄武岩纤维或丁苯乳液单掺的情况，试件编号为F25R10混凝土电通量较F25和R10混凝土电通量分别降低了61%和59%，较基准混凝土降低了71%。由此可见，玄武岩纤维和丁苯乳液聚合物复掺可以显著提高混凝土的抗氯离子渗透性能。

另外，试件编号为F35R10和F25R15的玄武岩纤维聚合物混凝土电通量值较F25R10有所提高，但仍比基准混凝土的电通量值小。由此可以得到，玄武岩纤维和丁苯乳液聚合物复掺对混凝土抗氯离子渗透性能的改善作用是有掺量限制的，并不是两者的掺量越高越好。这是由于当混凝土中复掺的玄武岩纤维和丁苯乳液掺量过大时，纤维与水泥胶浆的粘结力会有所降低，进而会影响玄武岩纤维聚合物混凝土的氯离子渗透性能。

4 结 论

a.单掺玄武岩纤维或丁苯乳液聚合物均可以显著降低混凝土的电通量值，提高了混凝土的抗氯离子渗透能力，但是单掺二者时对混凝土抗氯离子渗透性能的改善作用存在合理掺量，并不是单掺二者的掺量越大越好。

b.单掺丁苯乳液聚合物对混凝土抗氯离子渗透性能的改善作用要优于单掺玄武岩纤维的情况。

c.玄武岩纤维和丁苯乳液聚合物复掺对混凝土抗氯离子渗透性能的改善作用要优于二者单掺时的改善情况，但是二者复掺对混凝土抗氯离子渗透性能的改善作用仍存在一个合理的掺量范围。

［1］ Dylmar Penteado Dias，Clelio Thaumaturgo.Fracture Toughness of Geopolymeric Concrete Reinforced with Basalt Fibers［J］.Cement and Concrete Composites，2005，27（1）：49－54.

［2］ 李 韧，毕 重，王 玉，等.短切玄武岩纤维自密实混凝土力学性能的试验研究［J］.混凝土与水泥制品，2008（2）：48－50.

［3］ 钟世运，袁 华.聚合物在混凝土中的应用［M］.北京：化学工业出版社，2003.

［4］ 梁乃兴，曹源文，姚红云.聚合物改性水泥混凝土路用性能研究［J］.公路交通科技，2005（3）：21－23.

［5］ Suad AI－Bahar.Investigation of Corrosion Damage in a Reinforced Concrete Structure in Kuwait［J］.ACI Materials Journal，1998（3）：226－231.

［6］ 冯乃谦，蔡军旺.山东沿海钢筋混凝土公路桥的劣化破坏及其对策的研究［J］.混凝土，2003（1）：3－12.

［7］ 巴恒静，张武满，邓宏卫.评价高性能混凝土耐久性综合指标—抗氯离子渗透性及其研究现状［J］.混凝土，2006（3）：3－5.

［8］ GB/T 50082—2009，普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准［S］.