硫酸钙晶须-玄武岩纤维混凝土抗氯离子渗透性能试验*

李趁趁 张文彬 张 普 李春跃

(郑州大学土木工程学院, 郑州 450001)

抗氯离子渗透性能是影响混凝土结构耐久性的关键因素之一。在沿海地区，氯离子侵蚀以海水浸泡、海风海雾侵蚀等形式为主；在一些拥有盐湖和盐碱地的城市，氯离子侵蚀主要以湖泊中的氯盐侵蚀为主；在北方地区的一些城市则以工业废水中富含的氯离子侵蚀和除冰盐中的氯离子侵蚀为主。由于氯离子侵蚀导致的钢筋锈蚀不仅引发结构本身的一系列安全性和耐久性问题，也给国家每年造成了不可估量的经济损失[1-2]。因此，提高混凝土抗氯离子渗透性能，对于预防或减缓建筑结构过早破坏，提高其寿命和耐久性具有积极的现实意义。

随着新型建筑材料的研究和不断发展，各种纤维、纳米与亚纳米材料以及混凝土外加剂的出现逐步改变原有混凝土的特性，使易开裂的混凝土朝着高强度、高性能和高耐久性方向发展，为解决传统混凝土存在的问题提供了重要的途径[3-5]。

本文所研究的玄武岩纤维和亚纳米粒径的硫酸钙晶须均为绿色天然的环保材料，其中玄武岩纤维以天然的玄武岩矿石为原料经破碎后在高温后拉伸成连续纤维，熔化过程不产生有害气体和工业垃圾。已有研究[6-14]显示，在混凝土中掺入玄武岩纤维可以改善混凝土的力学性能，提高混凝土的抗裂性能、抗冻性能等，但关于玄武岩纤维的掺入能否改善混凝土抗氯离子渗透性的相关研究结论存在较大差异[9-14]，限制了玄武岩纤维在混凝土结构中的广泛应用。硫酸钙晶须是由工业副产品石膏经过特殊工艺形成，属于无机盐晶须的一种，具有粒径微细、强度高、韧性强、耐高温、耐腐蚀、易进行表面处理等优点[15-16]。硫酸钙晶须可作为水泥基复合材料的增强材料、摩擦材料的填充料、造纸工程填充料、沥青改性材料以及石膏板增强材料，在多个领域具有广阔的研究价值和应用前景[17-23]。已有研究表明，在适量的范围内，硫酸钙晶须可以改善水泥基复合材料的力学性能[23-24]；掺加硫酸钙晶须的混凝土氯离子扩散系数均小于普通混凝土，但随着碳化时间的增加，两者之间的差值减小[25]。利用工业废料石膏生产高附加值的硫酸钙晶须，既做到了变废为宝，又提高了新型建筑材料多元复合化的选择。目前关于硫酸钙晶须单掺及其与玄武岩纤维混掺混凝土在抗氯离子渗透性能方面的研究分析还很少。因此，研究它们对普通混凝土抗氯离子渗透性能的影响对保护环境和提高混凝土结构耐久性具有重要意义，对推广玄武岩纤维和硫酸钙晶须在建筑工程领域的应用也起着积极作用。

1 试验概况

1.1 试验原材料及配合比

试验胶凝材料采用普通硅酸盐水泥(P·O 42.5)；细骨料为细度模数2.92的中河沙；粗骨料为5～20 mm连续级配的碎石；短切玄武岩纤维的主要物理和力学性能指标如表1所示；硫酸钙晶须为无水硫酸钙晶须，性能指标如表2所示；减水剂为PC1022型粉末状聚羧酸减水剂。

表1 玄武岩纤维物理、力学性能指标Table 1 Physical and mechanical properties of basalt fiber

表2 硫酸钙晶须性能指标Table 2 Performance indexes of calcium sulfate whisker

试验依据JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》[26]、JTG/J 221—2010《纤维混凝土技术应用规程》[27]进行纤维混凝土的配制。试验中玄武岩纤维包括0%、0.1%、0.2%和0.3%四种体积率，硫酸钙晶须选用0%、1%、2%、3%和4%五种质量掺量(为水泥质量占比)，共浇筑20组试件，每组包含3个相同试件。抗压强度试验选用150 mm×150 mm×150 mm的标准立方体试件，试验方法参照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[28]。混凝土配合比及28 d混凝土抗压强度如表3所示。

表3 混凝土配合比及28 d立方体抗压强度Table 3 Mix proportion of concrete and 28 d cube compressive strength

1.2 试验方法与试件制作

抗氯离子渗透性能试验参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[29]进行，采用快速氯离子迁移系数法(RCM法)。试验采用直径为(100±1)mm，厚度为(50±2)mm圆柱体试件，如图1所示。根据试验设计，本文测定了单掺玄武岩纤维、单掺硫酸钙晶须和复掺纤维和晶须混凝土的抗氯离子渗透性能。

a—圆柱体试件； b—厚度测量。图1 试件及尺寸测量Fig.1 Specimen and dimension measurement

试验采用北京耐得尔仪器设备公司生产的RCM-NTB型氯离子扩散系数测定仪，如图2所示。试验得到非稳态氯离子迁移系数(DRCM)，DRCM越高，代表混凝土抗氯离子渗透性能越差；DRCM越小，代表混凝土抗氯离子渗透性能越好。

a—试验装置示意； b—试验过程。图2 快速氯离子迁移系数测定Fig.2 The determination of rapid chloride ions migration coefficient

2 试验结果及分析

2.1 玄武岩纤维体积率对混凝土氯离子迁移系数影响

图3显示了在不同质量掺量硫酸钙晶须下的混凝土氯离子迁移系数随玄武岩纤维体积率变化规律。

图3 玄武岩纤维体积率对混凝土氯离子迁移系数影响Fig.3 Effect of basalt fiber volume ratio on chloride ion migration coefficient of concrete

当硫酸钙晶须(CSW)掺量为0%时为单掺玄武岩纤维混凝土。可以看出，单掺玄武岩纤维时，随着玄武岩纤维掺量的增加，混凝土氯离子迁移系数先降后增，表明混凝土抗氯离子渗透性能先提高后降低。当纤维掺量为0.1%和0.2%时，混凝土试件的抗氯离子渗透性较普通混凝土提高5.3%和8.4%，提高效果不明显；当纤维掺量为0.3%时，抗氯离子渗透性能有所下降，较普通混凝土降低8.4%。

分析原因，混凝土是由水泥水化后形成的硬化浆体和包裹在浆体中的骨料组成的多孔材料，其内部存在较多的孔隙，在玄武岩纤维搅拌后分散性良好的情况下，纤维的加入能够有效地填充混凝土内部的空隙，降低大孔径所占比例，细化孔隙结构分布，增加混凝土密实性，从而提高混凝土抗氯离子渗透性能[30]。但当玄武岩纤维掺量过多时，一方面，过多的玄武岩纤维需要更多的水泥浆体的包裹，减少了胶凝材料对骨料的包裹，降低了混凝土流动性与密实性，增加了混凝土的孔隙率。另一方面，玄武岩纤维表面覆盖的一层保护原丝的浸润剂降低了纤维本身的亲水性，使得纤维与水泥基体之间黏结性降低，二者之间的界面相对薄弱，为氯离子的迁移提供了通道，掺量越多，通道就越多[9]。这些因素都引起了混凝土抗氯离子渗透性能的下降。

当晶须掺量为1%时，与不掺玄武岩纤维相比，玄武岩纤维的加入降低了氯离子迁移系数，提高了混凝土抗氯离子渗透性能。当玄武岩纤维掺量为0.1%时，对混凝土抗氯离子渗透性能改善最好，比未掺玄武岩纤维混凝土(B0W1组)氯离子迁移系数降低20%，较普通混凝土(B0W0组)降低24.2%。结合后面的试验数据一起分析原因，这主要得益于晶须的填充作用，作为亚纳米级材料，晶须在混凝土中既优化了集料的粒径分布，又填充了基体内部的孔隙，改善了玄武岩纤维与混凝土基体的界面黏结效果。

当晶须掺量为2%、3%和4%时，与不掺玄武岩纤维相比，玄武岩纤维的加入均提高了混凝土的氯离子迁移系数，降低了混凝土的抗氯离子渗透性能。这主要是因为：当晶须掺量较多时，随着玄武岩纤维的增加，一方面二者需要更多的胶凝材料对自身裹覆，另一方面纤维和晶须的掺量较高时，两种复合材料在基体内部容易引起搅拌不均匀而结团，为氯离子在混凝土中的迁移提供了更多通道。

综合本文与相关文献[9-14]试验结果可知，玄武岩纤维对混凝土的抗氯离子渗透性能影响受混凝土基体组成成分影响很大，基体不一样，它的影响规律不一样，有时候是提高基体混凝土抗氯离子渗透性能，有时候是降低基体混凝土的抗氯离子渗透性能。总之，玄武岩纤维对混凝土的抗氯离子渗透性能影响规律不明显，它不是提高混凝土抗氯离子渗透性能的关键因素，影响或提高混凝土抗氯离子渗透性能的关键因素是其他矿物掺和料(如硅灰与粉煤灰、硫酸钙晶须等)或外加剂(如引气剂、膨胀剂)等的加入。

2.2 硫酸钙晶须质量掺量对混凝土氯离子迁移系数影响

图4绘制出了不同玄武岩纤维掺量下硫酸钙晶须对混凝土氯离子迁移系数的影响。

图4 硫酸钙晶须质量掺量对混凝土氯离子迁移系数影响Fig.4 Influence of mass content of calcium sulfate whiskers on the chloride ion migration coefficient of concrete

当玄武岩纤维(BF)掺量为0%时为单掺硫酸钙晶须混凝土。可以看出，在试验范围内，单掺硫酸钙晶须时，硫酸钙晶须的加入降低了混凝土的氯离子迁移系数，改善了混凝土的抗氯离子渗透性能。随着硫酸钙晶须的增加，混凝土抗氯离子渗透性能达到最佳后有所降低，但较普通混凝土(B0W0组)均有所提升。在单掺硫酸钙晶须掺量为2%和3%时，混凝土抗氯离子渗透性能提升效果较为明显，分别提高了36.8%和24.2%。以合适掺量单掺硫酸钙晶须对混凝土抗氯离子渗透性能改善效果明显优于单掺玄武岩纤维。

当玄武岩纤维掺量为0.1%和0.2%时，硫酸钙晶须掺量均为2%时效果最好，分别较未掺晶须的混凝土(B0.1W0)和(B0.2W0)提高30.0%和25.3%，较普通混凝土(B0W0组)分别提高33.7%和31.6%。当玄武岩纤维掺量为0.3%时，晶须掺量为1%时改善效果最佳，较未掺晶须的混凝土(B0.3W0)提高24.3%，较普通混凝土(B0W0组)提高17.9%。从图4还可以看出，在硫酸钙晶须质量掺量为4%时，所有试件的抗氯离子渗透性能都低于普通混凝土(B0W0组)。这也说明硫酸钙晶须掺量并不是越多越好，只有适量的硫酸钙晶须和玄武岩纤维复掺才能有效改善混凝土抗氯离子渗透性能。

2.3 微观形貌试验结果

图5显示了单掺硫酸钙晶须为2%时混凝土的微观形貌，由图可以看出，混凝土微观结构主要有絮状的水化硅酸钙、六角薄板层状的Ca(OH)2、针状的钙矾石以及硫酸钙晶须等构成。硫酸钙晶须首先作为一种微集料，适量掺量的晶须能够很好地填充混凝土内部微小的孔隙，改变了混凝土本身的孔结构，优化了孔径分布，减少了大孔的出现，提高了混凝土的密实程度，这是其有效改善混凝土抗氯离子渗透能的重要原因。其次，硫酸钙晶须作为一种“微纤维”，桥接在水化产物之间，起到桥梁的作用，同时晶须表面较为粗糙且有条状凸起，提供了能够与水化产物组成较为密实整体的基础，强化了骨料与硬化浆体的联系，使混凝土成为致密的连续体。

图5 硫酸钙晶须质量掺量为2%时混凝土的微观形貌Fig.5 Microstructure of concrete with 2% calcium sulfate whisker

由图6可知，当硫酸钙晶须掺量较多(本文为4%)时，硫酸钙晶须在混凝土内部出现不同区域的结团现象，这种晶须的松散堆积会导致密实性的下降，为氯离子的迁移提供了大量的通道，降低了混凝土抗氯离子渗透性能。

图6 混凝土内硫酸钙晶须结团现象(掺量4%)Fig.6 CaSO4 whisker agglomeration in concrete (4% dosage)

3 结束语

1)玄武岩纤维对混凝土的抗氯离子渗透性能影响规律不明显，这与混凝土基体组成成分有关。玄武岩纤维不是提高混凝土抗氯离子渗透性能的关键因素，影响或提高混凝土抗氯离子渗透性能的关键因素是其他矿物掺和料(如硅灰与粉煤灰、硫酸钙晶须等)或外加剂(如引气剂、膨胀剂)等的加入。

2)以合适的掺量单掺硫酸钙晶须可以提高普通混凝土抗氯离子渗透性能，效果明显优于单掺玄武岩纤维。单掺硫酸钙晶须最佳掺量为2%，此时抗氯离子渗透性能较普通混凝土提高36.8%。

3)适量复掺合玄武岩纤维和硫酸钙晶须能够提高混凝土的抗氯离子渗透性能，最大提高率为33.7%，此时玄武岩纤维体积掺量为0.1%，硫酸钙晶须掺量为2%；复掺两种纤维时混凝土抗氯离子渗透性能提高的贡献主要来自硫酸钙晶须。

4)硫酸钙晶须的填充和桥接作用提高了混凝土的抗氯离子渗透性能。