火成岩纤维混凝土的抗氯离子渗透性能试验研究

火成岩纤维混凝土的抗氯离子渗透性能试验研究

徐东海

(温州市瓯飞开发建设管理委员会，温州 325000)

摘要：通过改进的自然扩散法，对火成岩纤维混凝土进行抗氯离子渗透试验。得出了自由氯离子浓度在混凝土内不同深度的分布情况，基于Fick第二定律对其进行拟合得到该混凝土的氯离子扩散系数。结果显示掺入短切火成岩纤维后，混凝土的抗氯离子渗透性能得到提高。

关键词：火成岩纤维；混凝土；氯离子渗透；扩散系数

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.03.012

Abstract:The experiments on chloride permeability of igneous fiber concrete are carried out with a new method based on the NT Build 443, the diffusion coefficient and the distribution of free chloride ion concentration at different depths can be summarized from the experiment.The results show that adding igneous fiber can improve the chloride-resisting characteristics of concrete.

收稿日期：2015-04-07.

基金项目：水利部公益性行业科研专项项目(200901065).

作者简介：徐东海(1978-)，工程师.E-mail:waterworkers@126.com

Research on the Chloride Permeability of Igneous Fiber Concrete

XUDong-hai

(Development & Construction Management Committee of OUFEI-Reclamation, Wenzhou 325000, China)

Key words:igneous fiber;concrete;chloride penetration;diffusion coefficient

钢筋混凝土结构结合了钢筋与混凝土的优点，是当代社会应用最为广泛的建筑形式[1]。然而，其耐久性问题也给国民经济和人民生命安全带来了巨大损失[2]。其中氯离子对钢筋的侵蚀是水工混凝土耐久性问题中最为常见和普遍的。

连续火成岩纤维(CIF，Continue Igneous Fiber)是以天然的火山岩矿石作为原料，经高温熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板制成的连续纤维[3]。该纤维主要成分为火山岩浆岩中SiO2，因此称之为“火成岩纤维”。火成岩纤维有着优异的物理化学性能，而且相比碳纤维也有明显的价格优势，因此在工程领域有着广泛的应用前景[4-6]。

现阶段，国内外对于掺入火成岩纤维的混凝土的研究还比较少见，而对其抗氯离子渗透性能的研究更为罕见。该文通过改进后的自然扩散法，研究分析了火成岩纤维混凝土的抗氯离子渗透性能。

1原材料与配合比设计

1.1　原材料

水泥为钱潮P.C 32.5R复合硅酸盐水泥；粗骨料为最大粒径40 mm的砾石；细骨料为细度模数2.5的中细河沙；拌合水和养护水采用杭州当地自来水，不掺任何外加剂；硅粉由河南嘉恒耐火材料有限公司生产；粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰。

所用的短切火成岩纤维由浙江石金火成岩纤维有限公司生产，纤维单丝直径为17～20 μm，长度17～20 mm。

1.2　试验混凝土配合比

为了更直观地体现火成岩纤维对混凝土的抗氯离子渗透性能的影响，设计了掺入粉煤灰和硅粉的配合比方案进行对比。试验所用基准混凝土配合比见表1，掺合料掺量见表2。

表1　混凝土配合比　　/(kg·m -3)

表2　掺合料

2试验

2.1　方法

1)自然扩散法自然扩散法即浸泡法[7]具体为：将尺寸为Φ100 mm×100 mm的圆柱试件，在20 ℃静水中养护28 d后，平行于底面将其切为相同两半，尺寸为Φ100 mm×50 mm，一半为试样A，另一半为试样B(用于测试混凝土中初始氯离子浓度)；然后：①将试样A浸泡于饱和Ca(OH)2溶液中，每隔24 h称其表干状态质量，直至相邻两次称量差值不超过质量的0.11%[7]；②将A在室温下干燥至表干状态，并在其侧面和非暴露面用硅胶或者环氧树脂进行密封，再将其浸泡于饱和Ca(OH)2溶液中，重复前一步骤；③将A在表干状态下浸泡于质量分数为16.5%的氯化钠(NaCl)溶液中，浸泡35 d；④随后在暴露面磨粉取样，用电极法测定不同深度的氯离子浓度。

2)改进的自然扩散法为了模拟近岸工程受潮影响产生的干湿循环，将自然扩散法进行适当修改：(1)所用NaCl溶液的质量分数改为5%；(2)将试件浸泡2 h，随后在空气中干燥46 h，并将此作为一个循环周期，该次试验共需进行6个循环，即12 d。

该次试验将采用改进后的自然扩散法进行试验。且每个配比均成型三个相同的试件进行平行测定。

2.2　结果处理方法

1)氯离子浓度测试用研磨机将试件从暴露面开始向内部逐层取粉，每层厚度为2 mm。将粉样通过0.63 mm的筛后，烘干待用。

将一定量的粉末,通常2~6 g(精确到0.000 1 g)，溶于100 mL蒸馏水，剧烈振荡2 min后加入2 mL的离子稳定剂ISA，静置48 h。随后用Thermo 720A酸度计测试自由氯离子浓度(占粉末质量的百分比)[8]。

2)扩散系数水下结构或室内浸泡的试件，氯离子服从随深度增加而降低的规律。该试验将氯离子侵入形式简化为扩散，则遵从Fick第二定律[9]

(1)

式中,C(x,t)为距离表面x(mm)处t(s)时刻混凝土中的氯离子浓度，%；Cs为表面氯离子浓度，%；C0为初始氯离子浓度，%；erf(·)为误差函数。

将式(1)转化得

(2)

假设扩散系数D是一个常数，不随混凝土使用(暴露)时间而改变。另外，由于干湿循环以及雨水冲刷等原因，混凝土表面的氯离子浓度并不是最高，在距离表面一定深度才达到最大值，然后随深度的增加逐渐降低[10,11],可以将试件表面到最大氯离子浓度的区域定义为对流区；氯离子浓度随深度增加逐渐降低的区域定义为稳定扩散区。

如果考虑存在对流区，则基于Fick第二定律的误差函数拟合，就需将对流区数据排除。将对流区和稳定扩散区界面的氯离子浓度C1作为扩散表面的氯离子浓度，可得到下列公式[9,11]

(3)

式中,C1为对流区与扩散区界面处氯离子浓度，%；Xc为对流区厚度，mm。

利用式(3)进行拟合，就排除了对流区的影响。试验中，改进后的自然扩散法会导致混凝土表面产生对流区，因此数据分析时均采用式(3)进行拟合。

3结果与分析

3.1　不同深度的自由氯离子浓度

试验后试件暴露面一侧20 mm深范围内的自由氯离子浓度见表3。

表3　不同深度的氯离子浓度　/%

根据表3可得不同深度的自由氯离子浓度分布趋势图，见图1。

由图1可见，在外侧10 mm深度范围内，掺火成岩纤维的混凝土试件中的自由氯离子浓度要低于素混凝土试件和掺粉煤灰的混凝土试件，但比掺硅粉的试件要高。由此可见，掺入火成岩纤维可以改善混凝土的抗氯离子渗透性能，但其改善效果要弱于硅粉。

3.2　扩散系数

由表3的试验结果可见，该次试验没有出现预想的对流区，其原因可能是试验周期较短，形成的对流区厚度小于2 mm，不过这对拟合过程不会造成任何影响。对表3中的数据按前述方法进行拟合，可得基于Fick第二定律的氯离子扩散系数，见表4。

表4　扩散系数　(×10 -11(m 2/s))

上述结果表明，掺入火成岩纤维的混凝土(A1)的氯离子扩散系数比素混凝土(A0)和粉煤灰混凝土(A3)的扩散系数低，但比掺硅粉的混凝土(A2)大，这又从另一个方面印证了火成岩纤维可以提高混凝土的抗氯离子渗透性能。该次拟合的相关系数都比较接近1.0，可见拟合结果较可靠。

4结论

通过改进后的自然扩散法，研究了掺入短切火成岩纤维的混凝土的抗氯离子渗透性能，得到以下结论：

a.掺入短切火成岩纤维后，混凝土的抗氯离子渗透性能得到提高。

b.在相同试验环境及条件下，掺火成岩纤维的混凝土的抗氯离子渗透能力比掺粉煤灰的混凝土强，但比掺硅粉的低。

参考文献

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[3]齐风杰，李锦文. 连续玄武岩纤维研究综述[J]. 高科技纤维与应用，2006，31(2)：42-46.

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[5]李为民，许金余. 玄武岩纤维对混凝土的增强和增韧效应[J]. 硅酸盐学报，2008，36(4)：476-481.

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[9]范宏，赵铁军，Wittmann F H. 基于结构混凝土中氯离子分布的氯离子扩散模型[J].建筑结构学报(增刊)，2006(6)：199-202.

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[11]郑辉. 自然环境下混凝土氯离子侵蚀的随机性及寿命预测[D].杭州：浙江工业大学,2009.