饱和钢纤维再生混凝土氯离子扩散特性研究*

金 浩，屈 锋，2，孙浩然，石卫华，2，蒋凌云

(1.湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大学 结构抗风与震动控制湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201；3.吉首大学 张家界学院，湖南 张家界 427000)

0 引 言

随城市化进程加快，混凝土需求量急剧增加，而自然环保要求不能过度开采，粗细骨料的生产使用在未来将面临较大难题，对废旧混凝土等建筑垃圾的回收利用成为合适的途径，但其中的较多技术问题亟需解决。再生混凝土是用再生骨料部分或全部替代天然骨料拌制的一种新型生态混凝土[1-2]，它是目前建筑垃圾资源化利用技术研究和推广的主要方向[3]，其有效地解决了天然砂石骨料日渐枯竭的难题，又充分合理地消耗现有的建筑垃圾，减轻建筑垃圾对自然环境造成的污染，实现混凝土产业、环境及自然资源的和谐发展[4-6]。

研究表明，再生混凝土存在很多缺陷，再生骨料质量是影响其性能的关键。为增加再生混凝土骨料的利用率，弥补再生骨料混凝土强度低、耐久性差等缺点，可将钢纤维引入再生混凝土中，形成一种新型复合材料—钢纤维再生混凝土[7]。钢纤维材料于混凝土中可以同时提高再生混凝土的抗剪、抗拉和抗弯性能，阻止其裂纹的扩展并减小裂缝宽度[8]，提高材料的韧性，延长构件的寿命[9-10]，故将两者有机结合，起到互补作用。目前，有关钢纤维再生混凝土的力学性能研究已较为成熟[11-12]，但在耐久性这一方面的研究尚处于起步阶段。本试验对1%固定掺量的钢纤维再生混凝土抗氯离子渗透性能进行研究，试验混凝土中自由氯离子含量并拟合氯离子扩散系数，探究水灰比、钢纤维、浸泡溶液浓度等因素对其氯离子扩散和氯离子扩散系数的影响规律，为工程实际应用提供参考。

1 实 验

1.1 试验原材料

(1)水泥：韶峰水泥P.O42.5，其性能指标见表1所示。

(2)天然砂：湘江中砂，表观密度为2 670 kg/m3，堆积密度为1 420 kg/m3，含泥量0.9%，细度模数3.0，颗粒级配良好。

(3)再生粗骨料：来自湘潭本地城市建设中废弃混凝土材料，基体混凝土强度为C30～C40，经人工破碎、清洗、筛分的合适粒径，其粒形形貌图如图1所示，各项基本性能指标见表2。

(4)钢纤维：江苏“纵横”牌钢纤维，其性能见表3所示。

表1 水泥性能指标

表2 再生粗骨料基本性能指标

表3 钢纤维的性能

1.2 钢纤维再生混凝土配合比与试验方法

本实验根据GB/T 25177-2010《混凝土用再生粗骨料》、JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》、JG/T 472-2015《钢纤维混凝土标准规范》确定钢纤维混凝土原材料及配合比，设计不同水灰比、钢纤维掺量相同(体积分数为1%)的3种混凝土，如表4所示。

表4 混凝土配合比

试验采用自然浸泡法测试钢纤维再生混凝土中氯离子的渗透性。按照设计配合比制作混凝土试件，试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm。标养28d后，从试块浇注的4个侧面选取一个光整面作浸透面，其余面用石蜡密封，然后分别放入质量分数为2.0%、3.5%、5.0%的氯化钠溶液中浸泡至180d(每隔30d更换一次溶液)。到达规定浸泡时间后，用电钻在试件上钻孔0～5、5～10、10～15、15～20、20～25 mm深度，取得的混凝土粉末研磨至全部通过0.63 mm筛，然后置于105 ℃烘箱中烘2 h，取出后冷却至室温，按照《混凝土中氯离子含量检测技术规程》(JGJ/T 322-2013)测试混凝土中水溶性氯离子(自由氯离子)含量。

2 结果与分析

2.1 自由氯离子含量

各试件在不同浸泡浓度下自由氯离子含量随侵蚀深度的变化如图1表示。

图1 原材料及混凝土试件

图2 不同浓度浸泡溶液再生混凝土中自由氯离子含量

由图2可知，进入混凝土内部的自由氯离子含量随浸泡液浓度的增加而增大，随深度的增加而减小，当混凝土试件的深度达到20mm后自由氯离子含量逐渐趋于稳定，接近初始氯离子含量。相比较图2(c)图，图2(a)、(b)所呈现的变化规律更加明显：表层浓度差异较大，随深度的增加浓度差逐渐减小。试件表面与溶液直接接触，受侵蚀时间长，在浓度差的作用下氯离子迁移速度加快，特别在高水灰比的情况下，结构密实程度降低，增加了氯离子渗入的可能性，因此在浅层处浓度差异较大；而在试件的内部，由于受氯盐影响的时间较短，同时杂布的钢纤维减少了传输通道，浓度差随深度的增加而逐渐减小。由此可见外界环境及水灰比的变化，对氯离子渗透性能有重要影响，尤其在离表层越近处，这与Mangat[13]的研究结论一致。

2.2 氯离子扩散系数

当混凝土处于水饱和状态时，氯离子主要通过扩散方式进入混凝土，基于Fick 第二扩散定律的误差函数解法模型形式简洁、参数少而便于运用，能较好地反映氯离子在混凝土中的扩散规律。该模型适用于长期处在水饱和状态中的混凝土结构，例如海洋水下区。Fick第二定律解析解可表示为：

(1)

式中：x为氯离子渗透深度，Cx,t为t时刻时距离表面深度为x时的氯离子浓度，C0为初始氯离子浓度，Cs为表面氯离子浓度，D为氯离子扩散系数，t为渗透时间，erf为误差函数。

根据试验所测得钢纤维再生混凝土中自由氯离子含量，可拟合出氯离子含量与深度变化间的关系，如图3所示。其中，式(1)中C0取值0.05，Cs取各组0～5 mm氯离子含量实测值，t为180 d。

图3 不同浸泡浓度下自由氯离子含量拟合结果

基于Fick第二定律拟合所得到的各组混凝土中氯离子浓度分布情况与试验结果基本吻合。

2.2.1 水灰比对氯离子扩散系数的影响

图4表示钢纤维掺入量为1%，不同浸泡液浓度下钢纤维再生混凝土中氯离子扩散系数与水灰比间关系。由图知，氯离子扩散系数随水灰比的增加呈递增趋势，水灰比处于0.53至0.61阶段时扩散系数增幅最大，分别为65%、62%、52%。低水灰比时，混凝土中孔隙大都由未水化的水泥颗粒填充，对提高密实度作用显著，但对氯离子扩散系数的影响并不明显；随着水灰比的增大，一方面在水化过程中所形成的无规则的毛细孔增多，总孔隙率增加，其次生成的晶体导致界面过渡区结构疏松，为氯离子的渗入提供有利条件；另一方面包裹在水泥颗粒及钢纤维外的水层厚度增加，在硬化过程中被蒸发出来，形成互相连通且数量级较大的渗水通道，降低了混凝土的密实度，使扩散系数变大，氯离子在混凝土中的扩散速率加快，同时进入混凝土中的氯离子增多，抗氯离子渗透性能逐渐变差。

图4 水灰比对钢纤维再生混凝土氯离子扩散系数的影响

由图4知，相同溶液浓度下试件氯离子扩散系数的增长率随着水灰比的增大而逐渐降低。分析原因可知，再生骨料具有很高的吸水率，使得混凝土在凝结硬化中的有效用水量进一步减少，结构更为致密，一定程度上弥补骨料缺陷带来的不利影响，相应地减缓了氯离子的扩散趋势，但随着水灰比的增加，氯离子进入混凝土内部的速率持续增长，骨料缺陷开始逐渐占据主导地位。

2.2.2 钢纤维的掺入对氯离子扩散系数的影响

如图5，文献[14-15]分别测定了不同水灰比下再生混凝土的氯离子扩散系数。对比本文试验结果(3.5%氯盐浓度)，可知钢纤维再生混凝土的氯离子扩散系数远小于同等条件下再生混凝土的氯离子扩散系数。钢纤维的掺入一定程度上有利于增加再生混凝土基体密实度，减少了大孔径的毛细孔数量，改善了孔结构特征，其次钢纤维的乱向分布(如图6)阻止了混凝土内部微裂缝的产生与发展，减少裂缝源头和数量，使骨料与砂浆间的粘结更加紧密。同时，由于钢纤维的加入，部分已经渗透进去的氯离子会与其发生电化学反应，参与钢纤维的锈蚀过程，降低了氯离子的渗透速率。相比未掺加钢纤维的再生混凝土，氯离子扩散系数大幅下降，抗氯盐侵蚀性能有效提高。

图5 钢纤维对再生混凝土氯离子渗透系数的影响

图6 钢纤维乱向分布示意图

2.2.3 外界环境对氯离子扩散系数的影响

图7为不同浸泡液浓度下钢纤维再生混凝土中氯离子扩散系数。由图7可知，随NaCl浸泡液浓度增加，氯离子扩散系数增大，但增加幅度逐渐趋于平缓。混凝土中氯离子的存在形式大致分为两类：一是游离在孔隙溶液中的自由氯离子，二是被物理、化学吸附的结合态氯离子。已有文献[16]表明：在外界氯盐浓度较低时，氯离子在混凝土内以结合居多，自由渗透较少。本实验中，随浸泡溶液NaCl质量分数增加，浓度梯度等因素使得吸附化学势相应增大，吸附氯离子的能力增强，同时加快氯离子在内部扩散的速率，氯离子的吸附量还远未达到饱和状态，渗透仍在继续，扩散系数表现出增长的趋势。但这种趋势会随氯盐浓度的增加有所衰减，当吸附量不断增加达到一定程度时，参与渗透的自由氯离子数量相应减少，氯离子的传输速率变慢，甚至在混凝土中自由氯离子和结合氯离子数量达到平衡状态时，扩散系数将达到峰值，继而缓慢下降。

图7 浸泡液浓度与扩散系数间的关系

3 结 论

(1)侵入钢纤维再生混凝土内部的氯离子含量由表及里逐渐减少，在20 mm左右趋于稳定；当外部环境变化时，混凝土表层处受影响最大。实际工程中做好表层防护和保护层厚度的控制对构件寿命的影响至关重要。

(2)钢纤维再生混凝土中，减小水灰比可以减少渗水通道，降低氯离子在混凝土中的扩散速率，同时再生骨料的吸水特性在低水灰比时发挥作用，进一步降低水灰比，使结构更加致密。

(3)钢纤维的掺入对再生混凝土而言能有效改善其孔结构，增强密实度，从而提高抵御氯盐侵蚀的能力。

(4)氯离子扩散系数随着外界氯盐浓度的增加而增大，但受到混凝土内自由氯离子和结合氯离子间相互关系的影响而有所衰减。