复合盐溶液浸泡下玄武岩纤维混凝土耐腐蚀性能的试验研究*

操 镜 王 成 葛广华 董茹艳 王洪宇 亓泽霖

(1.塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆阿拉尔 843300；2.塔里木大学南疆岩土工程研究中心，新疆阿拉尔 843300；3.金环建设集团有限公司，石家庄 050000)

新疆南疆地处极端干旱沙漠性气候区，全年降水量少，昼夜温差大(昼夜温差通常在12 ℃以上，最大温差可达35.8 ℃)[1]。该地区的土壤以及地下水(地表水)中富含硫酸盐、镁盐和氯盐，导致区域内许多既有混凝土建、构筑物因遭受严重的盐渍土壤腐蚀和含盐环境水侵蚀，产生了不同程度的混凝土腐蚀、开裂、剥落和钢筋锈蚀等耐久性病害，使其实际寿命远低于设计使用年限，由此造成的修缮、加固甚至拆除和重建浪费了大量的人力、物力和财力，严重制约了当地的工、农业生产以及经济社会的快速健康发展[2]。

玄武岩纤维混凝土(BFRC)是以水泥混凝土作为基准，通过掺入玄武岩纤维而形成的一种新型复合型绿色材料。针对BFRC在特定的盐类腐蚀环境下的腐蚀劣化性能，一些专家和学者进行了相关研究[3-4]，研究结果表明，玄武岩纤维的掺入，对于混凝土的耐腐蚀以及耐碱性能具有一定提高作用。张兰芳等对不同玄武岩纤维掺量的混凝土进行耐硫酸盐腐蚀性研究，结果表明：纤维的掺入，改善了混凝土抗硫酸盐腐蚀的能力，且当玄武岩纤维掺量为0.3%时，混凝土抗硫酸盐腐蚀性能的效果较好[5]。王振山等从宏观现象、微观离子分布及整体力学性能等方面对玄武岩纤维混凝土抗碱腐蚀性能进行研究，并在试验的基础上提出了碱侵蚀强度衰减模型[6]。刘瑶等在混凝土中掺入适量玄武岩纤维，对玄武岩纤维混凝土试件的干缩性和抗氯离子渗透性等耐久性能进行了试验研究[7]。

结合南疆地区的气候条件和盐渍土壤环境，参考已发表文献中相关试验所用的玄武岩纤维体积掺量[8-13]，以掺入体积掺量为0%、0.1%、0.2%、0.3%的玄武岩纤维，开展复合盐溶液长期浸泡下玄武岩纤维混凝土的腐蚀劣化性能试验研究，选取试件的相对质量及相对弹性模量作为主要评价指标，探究不同掺量玄武岩纤维混凝土在MgSO4+Na2SO4+NaCl复合盐溶液侵蚀作用下的抗腐蚀性能。

1 试 验

1.1 原材料

采用P·O 42.5水泥，其技术性能指标见表1;粗骨料选取5～40 mm的连续级配卵石，性能指标见表2；细骨料选取中砂，细度模数为2.7，性能指标见表3。玄武岩纤维物理力学性能见表4。采用TSX高性能减水剂，减水率为27%。

表1 P·O 42.5水泥主要性能指标Table 1 Main performance indexes of cement P·O 42.5

表2 粗骨料主要性能指标Table 2 Main performance indexes of coarse aggregate

表3 细骨料主要性能指标Table 3 Main performance indexes of fine aggregate

表4 玄武岩纤维物理力学性能指标Table 4 Main performance indexes of BF

1.2 试件制备以及配合比设计

结合实际工程中配合比要求，试验中玄武岩纤维的体积掺量分别为0%、0.1%、0.2%、0.3%，使用阿拉尔地区既有混凝土结构中所用的常规原材料，按照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》[14]中规定的方法和步骤，确定的试验室配合比见表5,水胶比为0.32。根据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[15]的规定，试验所用混凝土试件的尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，采用亲水性脱模剂，为使试验数据准确、有效并便于试验结果对比，每种试验工况做1组试件，每组3个。为了确保玄武岩纤维能在混凝土拌和物中均匀地分散，参考文献[16-17]中BFRC的制作工艺流程，选用强制式搅拌机对BFRC进行搅拌，并严格控制投料顺序和搅拌时间。具体工艺流程如下：先将粗细骨料和水泥投入搅拌机干拌45 s，然后继续搅拌60 s，在该搅拌时间内人工均匀地撒入纤维，使得玄武岩纤维在砂、石子与水泥混合物中充分散开。最后，缓慢加入按配合比称量好的拌和水及减水剂，持续搅拌60 s，使纤维均匀地分散在混凝土中，被水泥浆包裹，达到和易性要求后注模成型。

表5 C35混凝土配合比设计Table 5 Proportion of C35 concrete mix kg/m3

在进行试验之前，分别对掺入玄武岩纤维(0%、0.1%、0.2%、0.3%)的经28 d标准养护的混凝土试块(150 mm×150 mm×150 mm)进行抗压强度检测，其抗压强度值分别为44.1,49.5,44.7,41.3 MPa。可知，不同掺量玄武岩纤维混凝土均达到C35混凝土强度等级要求。

1.3 试验方案

1.3.1试验制度设计

（四）产品销售阶段财税激励政策作用。产品销售阶段企业必然要进行广告宣传和推广，这一阶段会产生大量的广告宣传费用。政府通过税收优惠政策等，允许企业对这部分费用进行加计扣除，可减少企业在这一阶段的成本消耗，让企业投入更多的财力到产品的研发阶段。同时，产品销售阶段，政府也可通过一定的举措帮企业开拓销售渠道，为企业扩展销路，如通过政策采购的方式，刺激产品的市场需求，带动购买。

在南疆地区土壤积盐最严重的春季，依据阿拉尔市8团的盐渍土壤表层0～5 cm处的SO42-、Mg2+、Cl-等离子含量(采用滴定法测定离子，各离子含量见表6)，由所测土壤中的主要离子SO42-、Mg2+、Cl-含量确定MgSO4、Na2SO4、NaCl的基准盐用量，配制浓度为1.99%的复合盐溶液，以此作为复合盐侵蚀溶液的基准浓度，编号为B；考虑到进行试验的速度和试验的对比，按照复合盐基准浓度的5倍、10倍与清水进行配制，编号分别为C、D、A，见表7。采用自然浸泡来模拟位于该地区的实际混凝土结构在役状况。在侵蚀龄期0，30，60，90，120 d时进行试件的表观现象、相对质量、相对弹性模量测定。试验过程中每个月对容器内的复合盐溶液进行更换。

表6 阿拉尔市8团土壤离子含量Table 6 The Ion content of soil from the encampment of the 8th regiment in Alar g/kg

表7 复合盐溶液浓度Table 7 Concentrations of compound salt solutions

1.3.2评价参数的选取

GB/T 50082—2009规定抗压强度耐蚀系数为混凝土在抗硫酸盐腐蚀劣化试验中的评价指标，文献[18-19]针对混凝土抗硫酸盐侵蚀的评价指标选取有4种常用的评价指标，分别为：1)相对弹性模量下降到60%，为试块的弹性模量破坏标准；2)相对质量下降到95%，为试块的质量破坏标准；3)相对抗压强度下降到75%，为试块的抗压强度破坏标准；4)相对抗折强度下降到75%，为试块的抗折强度破坏标准。结合试验的具体情况，选取相对弹性模量和相对质量损失两个指标，两个指标评价参数的计算式[20]为：

ω1=(Mr-0.95)/0.05

(1a)

ω2=(Er-0.6)/0.4

(1b)

式中：ω1为相对质量评价参数，当ω1≥1时，表示相对质量相比于基准值增加，混凝土的性能在提高，当0<ω1<1时，表示相对质量相比于基准值减少，但试件还未处于破坏状态，当ω1<0时，表示混凝土发生破坏；Mr为N次干湿循环后的相对质量；ω2为相对弹性模量评价参数，当ω2≥1时，表示相对弹性模量基准值增加，混凝土的性能在提高；当0<ω2<1时，表示相对弹性模量比基准的减少，但试件还未处于破坏状态，当ω2<0时，表示混凝土发生破坏；Er为N次干湿循环后的相对弹性模量。

2 结果分析与讨论

长期浸泡试验制度下，将不同掺量的玄武岩纤维混凝土试件(B端)半立式放入不同浓度的复合盐溶液桶中，在设定的龄期(0，30，60，90，120 d)观测试件的表观损伤情况，进行试件的相对质量和相对弹性模量测定。

2.1 复合盐浸泡下试件的表观损伤

清水、1倍、5倍复合盐溶液60 d浸泡下玄武岩纤维掺量为0.1%、0.2%、0.3%试件的外观特征见图1a～1c；10倍复合盐溶液60 d浸泡下玄武岩纤维掺量为0%试件的外观特征见图1d；10倍复合盐溶液120 d浸泡下玄武岩纤维掺量为0.3%试件的外观特征见图1e。

长期浸泡试验制度下，将不同掺量的玄武岩纤维混凝土试件(B端)半立式放入盐溶液桶中，每隔30 d进行质量和弹性模量测定，在进行检测之前，将试件的表面擦拭干净。观察长期浸泡下的玄武岩纤维混凝土试块，在浸泡龄期为30 d时，各混凝土试件的表观特征变化均不明显。在浸泡龄期60 d后，掺入了玄武岩纤维的混凝土的外观特征仍较为不明显，而没有掺入玄武岩纤维的普通混凝土则出现泛白现象和细微裂孔，主要集中在试块的边角处以及混凝土试件收面一侧(即混凝土脱模之前，不接触试模的一面)(图1d)。此时，掺入玄武岩纤维的混凝土掺量在0.1%、0.2%时开始泛白，形成一种白霜覆盖在混凝土试块的表面。当玄武岩纤维掺量为0.3%的混凝土试块仅在浓度为10倍的复合盐时且浸泡龄期在120 d时才开始出现外观特征的变化(图1e)。

a—清水60 d浸泡下纤维掺量为0.1%的试件；b—1倍复合盐溶液浸泡下纤维掺量为0.2%的试件；c—5倍复合盐溶液浸泡下纤维掺量为0.3%的试件；d—10倍复合盐溶液60 d浸泡下纤维掺量为0%的试件；e—10倍复合盐溶液120 d浸泡下纤维掺量为0.3%的试件。图1 试件外观特征Fig.1 Appearance characteristics of specimens

由图1不同浓度的复合盐溶液在设定龄期浸泡下不同掺量(0%、0.1%、0.2%、0.3%)的玄武岩纤维混凝土试件的外观特征可知：未掺入纤维的试件比掺入纤维的试件发生劣化的速度要快，掺入玄武岩纤维的试件相比未掺入的玄武岩纤维的试件，其劣化时间延迟近60 d。玄武岩纤维掺量越多，混凝土腐蚀劣化的速度越缓慢。可见玄武岩纤维的掺入能够减缓混凝土试件的腐蚀劣化速度。

2.2 复合盐溶液浸泡下试件的相对质量及相对弹性模量变化规律

在不同浓度的复合盐溶液设定龄期浸泡下不同玄武岩纤维掺量试件相对质量的变化规律见图2。

由图2可以看出：1)在前期的30 d内，纤维掺量为0.1%和0.2%试件相对质量在30 d以前的波动幅度较为明显，而掺量为0%、0.3%试件相对质量的波动幅度较小，相对质量评价参数ω1整体维持在1左右。在30 d之后，掺量为0%试件的相对质量评价参数出现了明显下降趋势，且波动规律随着复合盐溶液浓度的提高，相对质量的下降就越明显。2)从图2d可以发现：玄武岩纤维掺量为0.3%的时候，试件的相对质量波动趋势较为平稳，玄武岩纤维掺量为0.3%试件相对质量的稳定性能比玄武岩纤维掺量为0%、0.1%、0.2%试件相对质量的稳定性能要好。随着复合盐溶液浓度的上升，不同玄武岩纤维掺量的试件均呈现相对质量下降的趋势。

a—0%掺量；b—0.1%掺量；c—0.2%掺量；d—0.3%掺量。 清水；1倍(NaCl+MgSO4+Na2SO4);5倍(NaCl+MgSO4+Na2SO4);10倍(NaCl+MgSO4+Na2SO4)。图2 不同浓度的复合盐溶液设定龄期浸泡下不同玄武岩纤维掺量试件的相对质量评价参数变化Fig.2 Changes in evaluation parameters of the relative mass for specimens with different proportion of basalt fibers in different concentrations of compound salt solutions at a designated immersion age

2.2.2试件相对弹性模量变化规律

在不同浓度的复合盐溶液设定龄期浸泡下不同玄武岩纤维掺量试件的相对弹性模量的变化规律见图3。

由图3可以看出：在前期的30 d内，玄武岩纤维不同掺量(0%、0.1%、0.2%、0.3%)试件B端的相对弹性模量评价参数ω2呈现增长趋势，30 d后，ω2的增长速度减缓，玄武岩纤维掺量0%、0.1%、0.2%的试件的ω2增长速度比玄武岩纤维掺量0.3%的试件的ω2增长速度快。掺量为0.3%的试件的ω2后期波动幅度整体较小。其原因是玄武岩纤维掺量为0.3%的试件，玄武岩纤维能够填充混凝土内部孔隙，以及玄武岩纤维的桥接作用使混凝土试件密实，因而能够有效地抑制复合盐溶液长期浸泡下盐分的渗入，故玄武岩纤维为0.3%的试件的B端相对弹性模量较其他3种纤维掺量试件的B端相对弹性模量相对稳定一些。玄武岩纤维掺量为0%、0.1%、0.2%的试件在后期出现B端相对弹性模量的增长趋势，是因为复合盐溶液中的盐分开始渗入试件，一方面对混凝土内部的孔隙进行了一定的填充，另一方面盐分与混凝土发生物理、化学反应生成新的物质，最终使试件在120 d龄期里的相对弹性模量呈现增长现象。

a—0%掺量；b—0.1%掺量；c—0.2%掺量；d—0.3%掺量。 清水；1倍(NaCl+MgSO4+Na2SO4);5倍(NaCl+MgSO4+Na2SO4);10倍(NaCl+MgSO4+Na2SO4)。图3 不同浓度的复合盐溶液设定龄期浸泡下不同玄武岩纤维掺量试件B端的相对弹性模量评价参数变化Fig.3 Changes in evaluation parameters of relative elastic moduli at the B-end of specimens with different proportion of basalt fibers in different concentrations of compound salt solutions at a designated immersion age

2.3 复合盐溶液浸泡下试件的微观结构特征分析

采用扫描电子显微镜、EDS能谱以及X射线衍射，对复合盐溶液下玄武岩纤维混凝土试件进行微观结构以及化学成分分析。考虑到试验的实际情况，选取试验在宏观上性能表现良好的玄武岩纤维掺量为0.3%的试件以及对照组玄武岩纤维掺量为0%的试件进行微观结构分析，探究复合盐溶液长期浸泡下混凝土的微观劣化特征规律(为使观察效果具有明显性，所进行扫描的是浸泡在复合盐溶液浓度为10倍的混凝土试件样品)。

2.3.1SEM扫描电镜及EDS能谱分析

图4、5分别为复合盐溶液长期浸泡下玄武岩纤维掺量为0%、0.3%的试件的微观特征；图6、图7分别为复合盐溶液长期浸泡下玄武岩纤维掺量为0%、0.3%的试件的能谱；表8、9分别为复合盐溶液长期浸泡下玄武岩纤维掺量为0%、0.3%的试件的化学成分元素占比情况。

图4 玄武岩纤维掺量为0%试件的微观特征Fig.4 Microscopic characteristics of specimens with the basalt fiber content of 0%

由图4～7和表8～9可以看出：

1)未掺入玄武岩纤维的试件，其微观特征中存在大量的针状以及短柱状的物质(图4)，此物质为三硫型水化硫铝酸钙以及石膏；玄武岩纤维掺量为0.3%的试件，在复合盐溶液长期浸泡下，断面处未出现针状和短柱状物质(图5)。

图5 玄武岩纤维掺量为0.3%试件的微观特征Fig.5 Microscopic characteristics of specimens with the basalt fiber content of 0.3%

2)复合盐溶液长期浸泡下，玄武岩纤维掺量为0%、0.3%的试件的内部均有C、O、Al、Ca以及Si等元素(图6、7)。

Kα、Kα1、Kβ1、Lα、Lα1和Lβ均表示射线。图6 复合盐溶液长期浸泡下玄武岩纤维掺量为0%试件能谱Fig.6 The energy spectrum of specimens with the basalt fiber content of 0% after long-term immersion in compound salt solutions

图7 复合盐溶液长期浸泡下玄武岩纤维掺量为0.3%试件能谱Fig.7 The energy spectrum of specimens with the basalt fiber content of 0.3% after long-term immersion in compound salt solutions

3)复合盐溶液长期浸泡下，玄武岩纤维为0%、0.3%的试件均开始发生盐类侵蚀，其盐类侵蚀的产物主要是钙矾石(表8、表9)。

表8 复合盐溶液长期浸泡下玄武岩纤维掺量0%的试件的化学成分元素占比情况Table 8 Chemistry proportions of specimens with the basalt fiber of 0% after long-term immersion in compound salt solutions

表9 复合盐溶液长期浸泡下玄武岩纤维掺量为0.3%试件的化学成分元素占比情况Table 9 Chemistry proportions of specimens with the basalt fiberof 0.3% after long-term immersion in compound salt solutions

2.3.2XRD衍射分析

图8、9分别为复合盐溶液长期浸泡下玄武岩纤维掺量为0%、0.3%的试件的XRD图。可见：复合盐溶液长期浸泡下，混凝土试件的主要化学成分有Ca(OH)2以及SiO2(石英的主要成分)，且大多数位于衍射角度，为17.957°、27.095°。

A为石英；B为方解石；C为钠长石；D为Ca(OH)2;E为脱水物。图8 玄武岩纤维掺量为0%试件的XRD图Fig.8 XRD patterns of specimens with the basalt fiber content of 0%

A为石英；B为方解石；C为钠长石；D为Ca(OH)2;E为钾长石；F为高岭石；G为伊利石。图9 玄武岩纤维掺量为0.3%试件的XRD图Fig.9 XRD patterns of specimens with the basalt fiber content of 0.3%

3 结束语

通过对复合盐溶液浸泡下玄武岩纤维混凝土试件的抗侵蚀性能试验研究，得到以下主要结论。

1)在浸泡龄期30 d内试件相对质量呈现一种增长趋势，其原因是前期混凝土与复合盐溶液进行了水化反应，其水化产物填充了混凝土内部孔隙，使得试件相对质量增长。随着侵蚀龄期的增加，玄武岩纤维掺量为0%、0.1%、0.2%的试件的相对质量增长比较缓慢，甚至出现下降趋势，表明混凝土开始出现不同程度的损伤劣化；玄武岩纤维掺量为0.3%时，试件的相对质量较为稳定，维持在1.0左右波动。

2)复合盐溶液长期浸泡下，试件的相对弹性模量变化趋势是先增长后下降的趋势，但掺入玄武岩纤维后，因玄武岩纤维的桥接作用能够使混凝土试件密实，因而能够有效地抑制复合盐溶液长期浸泡下的盐分渗入试件，使得试件的相对弹性模量增长较为稳定。当玄武岩纤维掺量为0.3%时，试件的相对弹性模量的稳定效果最为明显。

3)复合盐溶液长期浸泡下，试件内部生成的主要产物为钙矾石和石膏，玄武岩纤维的掺入减少了腐蚀产物的生成，与其宏观指标变化规律具有一致性。

4)复合盐溶液长期浸泡下，玄武岩纤维的掺入能够减缓混凝土腐蚀劣化的速度，随玄武岩纤维掺量的增加(0%、0.1%、0.2%、0.3%)，试件抗复合盐溶液长期浸泡腐蚀的性能逐渐增强。