钢纤维掺量对混凝土氯离子渗透性能的影响研究.pdf

2 0 1 5年第 1 1 期 1 1月 ? 昆 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PR0DUCTS 201 5 No 1 1 No v e mbe r 钢纤维掺量对混凝土氯离子渗透性能的影响研究 白 敏 一 ， 牛荻涛 ， 姜桂秀 。 ， 武 雄 。 ( 1 长安大学材料科学与工程学院 ， 西安 7 1 0 0 6 1 ； 2 西安建筑科技大学土木工程学院， 7 1 0 0 5 5 ； 3 中交第一公路勘察设计研究 院有限公 司， 西安 7 1 0 0 6 5 ) 摘 要 ： 采 用 自然 浸 泡 法 模 拟 海 洋环 境 开展 钢 纤 维 混 凝 土 氯 离子 侵 蚀 试 验 ， 研 究 了钢 纤 维掺 量 对 混凝 土 自 由氯 离子含量、 氯 离子扩散 系数的影响 ， 得到混凝土 中 自由氯 离子含量与氯 离子扩散 系数都随着钢纤维掺量的增加有先 减 J 、 后 增大的变化趋 势： 分析钢纤维混凝土氯 离子扩散 系数 的时间依赖性 ， 认为铜纤维混凝土氯 离子扩散 系数是 随 着时间的推 移而逐渐衰减 的； 回归计算得 出氯 离子扩散 系数 的时间衰减 系数 ， 并给 出钢纤维混凝 土氯离子扩散 系数 的 时间衰减 系数 的建议值 ； 最终建立 了钢纤维混凝土氯 离子扩散 系数 随钢 纤维掺量 变化的 时间衰减模型。 关键词 ： 钢 纤维 ； 混凝 土； 氯 离子含量 ； 氯 离子扩散 系数 ； 时间依赖性 Ab s t r a c t ：T h e e x p e ri me n t s o f c h l o rid e i o n c o o s i o n f o r s t e e l f i b e r c o n c r e t e i s c a r r i e d O u t b y s i mu l a t i n g ma r i n e e n v i r o n me n t w h i c h i s c o n d u c t e d b y u s i n g n a t u r a l i mme r s i o n me t h o d T h e i n fl u e n c e o f s t e e l fi b e r c o n t e n t o n c h l o rid e i o n c o n t e n t o f c o n c r e t e c h l o rid e i o n d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t i s s t u d i e d t h e c h l o ri d e i o n c o n t e n t o f c o n c r e t e a n d c h l o ri d e i o n d i f lf u s i o n c o e m c i e n t d e c r e a s e fi r s t l y t h e n i n c r e a s e w i t h t h e i n c r e a s i n g o f s t e e l fi b e r c o n t e n t ； a n d t h e t i me d e p e n d e n t o f c h l o ri d e i o n d i m l s i o n c o e f f i c i e n t for s t e e l fi b e r c o c n r e t e wh i c h d e c a y s g r a u d a l l y t h r o u g h t i me i s a n a l y z e d Th e t i me a t t e n u a t i o n c o e m c i e n t of c h l o ri d e i o n d i flu s i o n c o e f f i c i e n t i s c a l c u l a t e d t h r o u g h r e g r e s s i o n a n a l y s i s T h e t i me a t t e n u a t i o n c o e 伍c i e n t o f c h l o ri d e i o n d i ff u s i o n c o e f f i c i e n t o f s t e e l fi b e r c o n c r e t e i s p r o p o s e d A t l a s t ， t h e t i me a t t e n u a t i o n mo d e l o f c h l o rid e i o n d i ffu s i o n c o e f fic i e n t for s t e e l fi b e r c o n c r e t e w i t h s t e e l fib e r c o n t e n t v a r y i n g i s b u i l t Ke Y wo r d s ： S t e e l fi b e r ； Co n c r e t e ； C h l o rid e i o n c o n t e n t ； C h l o rid e i o n d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t ； T i me d e p e n d e n t 中图分 类号 ： T U5 2 8 5 7 2 文献标识 码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 5 ) 1 1 4 9 0 4 0前 言 近 2 O年 来 ，钢 纤 维 混 凝 土 在 实 际工 程 中 的应 用越来越广泛 ，而细微的钢纤维掺人到混凝土 中， 是否会 因锈蚀而失效 、降低混凝土基体 的承载力 ， 是否会影响到混凝土 的正常使用和寿命 ， 都是人们 极其关注 的问题 。 目前 ， 钢纤维混凝土在 国内外 的 道路工程 、 建筑工程 和水 工工程 中已大量应用 1 - 3 ， 且 有 关 钢 纤 维混 凝 土 力 学 性 能 方 面 的研 究 成 果 也 已比较成熟 ， 但关 于钢纤维混凝土耐久性基础理 论方面的研究并不多见 。 尤其对于沿海地 区的钢纤 维混凝土结构工程 。我国海域辽阔 ， 海岸线长 ， 很多 大规模 的基础建设工程都集 中于沿海地区 ， 而沿海 地区的混凝土结构 由于长期受到氯离子侵蚀 ， 造成 混凝 土 中钢 筋 的钝 化 膜 破 坏 ， 钢 筋锈 蚀 现 象 非 常严 重 ， 使 得混凝土结构承载力 下降 ， 对整个结 构的安 全性造成威胁。因此 ， 从工程安全 的角度讲 ， 开展混 基金项 目： 中央 高校 基本科 研 资助项 目( 3 1 0 8 3 1 1 5 1 0 8 7 ) ； 国 家 自然科学基 金项 目( 5 1 2 7 8 4 0 3 ) ； 陕西省 自然科学基 金项 目 ( 2 0 1 4 J M 7 2 7 2 ) ； 中 央 高 校 基 本 科 研 资 助 项 目 ( 3 1 0 8 3 1 1 5 1 0 8 4) 。 凝 土抗氯离子渗 透性 能的研究具有非常重要 的意 义。本文拟对 目前实际工程中应用广泛的钢纤维混 凝土抗氯离子渗透性能进行研究 ， 通过测试混凝土 中自由氯离子含量 、 分析混凝土氯离子扩散系数随 钢纤 维 掺量 的变化 规 律 ， 建 立钢 纤 维 混凝 土 氯 离子 扩散系数随钢纤维掺量变化的衰减模型 。 1 试 验 1 1 原 材料 水泥 ： P 0 3 2 5 R水泥 ， 安定性合格 ， 其物理力 学 性 能见表 1 ； 细 骨料 ： 中砂 ， 细度 模数 2 6 9 ， 表 观 密 度 2 6 3 g c m ， 堆积密度 1 4 8 g c m ； 粗骨料 ： 石灰岩质 锤 破碎 石 ， 表 观密 度 2 8 2 g c m。 ， 堆 积 密度 1 4 3 g c m ， 压碎指标 6 ， 颗粒级配 5 1 6 m m； 钢纤维 ： 建筑用波 浪 形钢纤 维 ， 长 3 0 mm， 长 径 比 6 0 ， 截 面形 状 为矩 形 ， 其物理性能见表 2 ： 减水剂 ： 萘系高效减水剂 ， 黄褐 色 、 粉末状 ， 减水率 2 0 以上 。 1 2 配合 比和试 验 方法 1 2 1 配合比 试验设计 了水胶 比相同， 钢纤维掺量不 同的五 种混凝土， 配合 比见表 3 。 49 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 1 1 期 混 凝土 与水 泥制 品 总第 2 3 5期 表 1 水 泥的物理力学性能 水泥 细骨料 粗骨料 水 钢纤维 减水剂 骊 ：g m3 ) ( k g m 3 ) ) ( k g m 3 ) m 3 ( k g m ( k g m ( k g m ( k g m ( k g m) ) ) ) ) ) 注 ： 编号 P C表示 普通混凝土 ， S F C表示 钢纤维混凝土 “ 一 ” 后面 的数字 表 不 钢 纤 维 掺 量 。 1 2 2试 验 方法 采 用 自然 浸 泡 法 模 拟 海 洋 环 境 进 行 钢 纤 维 混 凝 土 氯离 子侵 蚀 试 验 试 验 用测 试 自由氯离 子 含 量 试件为 1 0 0 m mx 1 0 0 mm x 1 0 0 m m的立方体 。 具体试验 步骤为 ： 混凝土试件养护 2 8 d后 ， 从试件 的 四个 侧 酬 忸 褪 搋 ( a ) P C 蓬 钿 褪 撅 冰 蜘 抽 褪 面选取一个光整面作为浸透面 其余面 用石蜡密封 ： 将混凝土试件放人 3 5 氯 化 钠 溶 液 中浸 泡 3 0 d 、 6 0 d 、 9 0 d 、 1 2 0 d和 1 8 0 d ； 达 到浸 泡 龄 期 后 ， 取 出试 件 ， 按 照 J T J 2 7 0 9 8 水 运 工 程 混 凝 土试 验 规 程 测试其 自由氯离子含量。 2试验 结果 2 1 自由氯 离子 含量 氯离子侵蚀后五种钢纤维不 同掺量 混凝 土 中 自由氯离 子含 量 随试件 深 度 变 化 的测试 结果 如 图 1 所示 由图 1 可 知 ，混 凝 土 中 自由氯 离 子 含 量 随浸 泡时 间 的增 加 而增 大 随试件 深度 的增加 而 减小 ，在 混凝 土试 件 的 深 度达到 1 4 mm后 自由氯离子含量逐渐趋 于稳定 。 对 比图 1中 ( b ) 、 ( e ) 、 ( d ) 、 ( e ) 与 ( a ) 中 自由氯 离 子含量 的差别 可 以看 出 ， 由于钢纤维的存在 ， 氯离子在混凝土中的渗透速率 有所降低 。例如， S F C 一 1 5试件在 l O mm深度处 的自 由氯离 子 含量 平 均 为 2 m m 深度 处 的 4 5 ， 而 P C试 件 在 l O m m 深 度 处 的 自由氯 离 子 含 量 平 均 为 2 m m 深度处 的 5 O 。可见 ， 掺入适量 的钢纤维对氯离子 在混凝土中的渗透性有抑制作用 。 扣 褪 撅 皿 删 扣 褪 ( d) S F C 一 1 5 图 1 氯离子含量测试结果 2 2 氯离子扩散系数 作为计算氯离子在混凝 土中扩散过程 的经典 理论 ， 菲克第二定律的扩散方程表示为6 1 ： 一 5 0一 等 当初 始 条件 为 t = O， 0时 ， C = C 。 ；边 界 条 件 为 ：g：f ； 牾们 勰 =2阳 ：3 ：； ； 为 如侣 ； 2阳皓 弱 ： 8 竹 加 弱 !宇 侣 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 白 敏 ， 牛荻涛 ， 姜桂秀 ， 等钢纤维掺量对混凝土氯离子渗透性能的影响研究 x = 0 ， t 0时 ， C = C s ， 菲克第二定律的解析解为 ： r I 1 ， = C o ( c s C 。 ) l 1 - e J J ( 2 ) 基于菲克第二定律 ， 根据试验测得的钢纤维混 凝土 中自由氯离子含量 ， 使用 Ma t l a b软件求解得 出 氯离子扩散系数。图 2为钢纤维混凝土氯离子扩散 系数 变化 趋 势 图 ， 其 中 图 2 ( a ) 为 氯 离子 扩 散 系数 随 钢纤维掺量变化的趋势 图， 图 2 ( b ) 为氯离子扩散系 数随时间变化 的趋势图。 由图 2 ( a ) 可见 ， 钢纤维掺量从 0增加到 1 5 ， 氯离子扩散系数呈逐渐减小 的趋势 ，浸 泡 3 0 d时 ， 氯离子扩散 系数减幅最大 ： 与其它几个 钢纤维掺量 下 混凝 土 氯离 子 扩散 系 数相 比 钢 纤维 掺 量为 1 5 时 的氯 离 子扩 散 系 数最 小 。氯 离子 扩 散 系 数越 小 ， 说 明氯离子在混凝土中的扩散速度越慢 ， 混凝土的 孔隙结构越好 ， 其抵抗氯离子侵蚀的性 能越好 。可 见 ， 钢纤维掺量为 0 1 5 时 ， 随着钢纤维掺量 的增 加 ， 氯离子扩散 系数减小 ， 氯离 子在 混凝土 中扩散 速度减慢 混凝 土抵抗氯离子侵蚀的性 能有一定的 提高。当钢纤维掺量为 2 0 时 。 氯离子扩散系数反 而呈现增大 的趋势 ， 可见过大 的钢纤维掺量不利于 混凝土抵抗氯离子侵蚀 的性能。在 图 2 ( b ) 中， 9 0 d 之前 ， 随着试件浸泡龄期的延长 ， 氯离子扩散 系数 呈 减 小 的趋 势 ： 浸 泡 时 间 超 过 9 0 d后 氯 离 子 扩 散 系数的变化逐渐趋于稳定。这是 由于当混凝土处于 氯盐溶液浸泡 的初期 ， 其 表面不饱 和 毛细管张力 会将氯盐溶液吸收至混凝土内 5 1 5 m m 的深度 直 到混凝土表 面达到饱和 。 此时 ， 氯离子在混凝土 内 扩散速度较快 ； 当混凝土表面饱 和后 ， 其表面与 内 部孔隙溶液间存在一个浓度梯度 ， 这个浓度梯度继 续驱使氯离子向混凝土内部扩散 ， 直到混凝 土的表 面溶液与孔隙溶液间浓度差达到平衡 ， 此时氯离子 的扩散 速 度 逐渐 减 慢并 趋 于稳 定 。 同时 ， 由于 混 凝 土是一种水硬性材料 ， 其水化过程需要经过较长时 间才能完成 ， 在混凝 土水化进程 中 其 内部结构越 来越密实 ， 氯离子扩散系数也越来越小。因此 ， 混凝 土的氯离子扩散系数会随浸泡龄期 的增加而减小 一 定时间后氯离子扩散系数基本趋 于一个常量。 钢纤 维掺 量 ( a ) 钢纤维掺量 的影 响 图 2混凝土氯离子扩散系数 钢 纤 维 的存 在 改 变 了 混凝 土 的 内部 结构 对 氯 离 子扩 散性 能有 很 大影 响 。为准 确描 述氯 离子 扩散 系 数 与钢 纤 维 掺量 之 间 的 关 系 引入 以钢 纤 维 掺量 为变量 的材料特征参数 k ， 令 ( p ) ， 其 中P为钢 纤维掺量。 考 虑 钢 纤 维 混 凝 土 氯 离 子 扩 散 系 数 随 时 间 的 增加而衰减 ， 选择钢纤维掺量为 0且浸泡 3 0 d时的 氯离子扩散系数值为基准 ， 用 O r i g i n软件拟合钢纤 维混凝土相对氯离 子扩散系数与钢纤维掺量 间的 关 系 见 图 3 由图 3拟合得到 ： D( JD ) = ( 0 9 8 0 8 8 p + 0 3 8 p ) D 0 R = 0 9 4 0 4 ( 3 ) 式 中： D( p ) 为浸泡 3 0 d时钢纤维掺量为P的混 凝 土 氯 离 子扩 散 系 数 ； P为钢 纤 维 掺 量 ， ； D 。 为 浸 泡 3 0 d时普通混凝土的氯离子扩散系数。 于是 有 ： k = 0 9 8 0 8 8 0 + 0 3 8 0 ( 4 ) 籁 1龋 霞 时间 d ( b ) 浸泡时间的影响 钢 纤 维 掺 量 图 3 钢纤维掺量对混凝土相对氯离子扩散系数 的影响 2 _ 3 氯离子扩散系数的时间依赖性 从 2 2节 中 的结 果 分析 可 以看 出 氯 离子 扩散 系数是一个与时间有关的变量 ， 随时间的增加而衰 减。造成这一现象的原因主要有7 1 ： 随着水化作用的 不断进行 ，混凝土内部孔 隙被新 的水化物填充 ， 使 得孔隙结构更加密实 ，氯离子扩散系数逐渐减小 ； 孔 隙中阴离子对氯离子 的排斥作用导致氯离子扩 散系数降低 ； 氯离子 自身的结合能力也使得混凝土 一 51 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 1 1 期 混凝土与水泥制品 总第 2 3 5期 的孔径分布向小孔方 向移动 。因此 ， 氯盐环境下钢 纤维混凝 土氯离子扩散系数随着浸泡龄期 的增加 而减小 其 关 系式表 达 为8 1 ： D = ( J ( 5 ) 式中 ： 为时间t 。 时的氯离子扩散系数 ， m r n 2 s ； n为时 间衰 减 系数 。 将试 验测 得 的氯 离子扩散 系数 带入上 式 用 Ma t l a b软件 回归计算氯离子扩散 系数的衰减 系数 n ， 结果 见 表 4 。 表 4衰减系数 n 依据文献 f 9 19， n值 主要是混凝土内水泥和活性 掺合料 的长期水化 作用对于结构的密实效应在氯 离子扩散性能上的综合反映。理论上说 ， 钢纤维在 混凝土 中并不参 与水化 反应 ， 因此 ， 钢纤维掺量 的 变化不应影响 值的大小。钢纤维掺量介于 0 5 1 5 之间时 ， n值恒定 ， 与理论分析基本相符 ； 但 当 钢纤维掺量为 2 O 时却不符 。 笔者认为是由于钢纤 维 掺 量 偏 大对 混凝 土结 构 的密 实 性 造成 影 响 ， 从 而 使 n值增大。而与钢纤维混凝土相 比， 普通混凝土 结构的密实性稍差 ， 故 n值大于钢纤维混凝土。根 据上述分析 。 建议水胶比为 O 4 5且 当钢纤维掺量为 0 5 1 5 之间时 ， 钢纤维混凝土的 凡值取 0 8 O 。 将式 ( 3 ) 代人式 ( 5 ) ， 得到钢纤维混凝土氯离子 扩散系数随钢纤维掺量变化的时间衰减模型为 ： n t D ) = ( 0 9 8 0 8 舄 p + O 3 s p ) I l D 0 ( 6 ) ， 采 用 浸 泡 时 间为 6 0 d和 1 2 0 d时 钢 纤 维混 凝 土 氯离子扩散系数对该模型进行验证 ， 结果见表 5 。 实 测值 与计算 值 之 比的平均 值为 1 0 3 0，标 准差 为 0 0 1 9 ， 可见模型计算值与试验结果较吻合。 表 5 氯离子扩散系数随钢纤维掺量衰减模 型的试验验 证 一 52 3结论 ( 1 ) 适量钢纤维掺入可降低混凝土中 自由氯离 子 含 量 ， 减 小 混 凝 土 氯 离 子 扩 散 系 数 ， 有 利 于 提 高 混凝土抗氯离子侵蚀的性能 。当钢纤维掺量在 0 1 5 范 围 内时 ， 混凝 土 的 自由氯 离 子含 量 和氯 离 子 扩散系数都随着钢纤维掺量的增 大而减小 ： 当钢纤 维掺量为 2 时 ， 混凝土的内部孑 L 隙结构变差 ， 不利 于混凝土抗氯离子侵蚀性能的改善。 ( 2 ) 根据试验结果引入钢纤维材料 特征参数 ， 得出钢纤维掺 量与混凝 土氯 离子扩散 系数 的关系 式 ， 且由于钢纤维混凝 土氯离子扩散系数是随时间 逐渐衰减 的变量 ， 建立 了混凝土氯离子扩散系数随 钢纤维掺量变化的时间衰减模型。 参 考 文 献 ： 1 】 B r o d o w s k i ， D a v i d M ， K a t o n a ， e t a 1 A p p l i c a t i o n a n d m o d e l i n g o f s t e e l fi b e r - r e i n f o r c e d c o n c r e t e f o r b u ri e d s t r u c t u r e s【 C 】 Ame ric a n C o n c r e t e I n s t i t u t e ，AC I S p e c i a l P u b l i c a t i o n ，F i b e r Re i n f o r c e d C o n c r e t e i n P r a c t i c e P a p e r s P r e s e n t e d a t t h e ACI S p ri n g 2 0 0 6 a n d F a l l 2 0 0 6 C o n v e n t i o n s ， 2 0 0 6 ， 2 6 8 ： 1 -1 6 2 1 C a i Z h i D a ， L i L o n g S h e n g ， Z h a n g J i a n Z h i ， e t a 1 A p p l i c a t i o n o f h i g h p e r f o r ma n c e s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e for r o a d d e c k p a n e l J 】 J i a n z h u C a i l i a o X u e b a o J o u r n a l B u i l d i n g M a t r i al s ， 2 0 1 0 ， 1 3 ( 1 ) ： 4 2 4 7 3 3 C u i We n ， L u o Q i n A p p l i c a t i o n s t u d y o n t h e s t e e l fi b e r r e i n f o r c e c o n c r e t e J A p p l i e d Me c h a n i c s a n d Ma t e ri a l s P r o g r e s s i n I n d u s t ri a l a n d C i v i l E n g i n e e ri n g ， 2 0 1 2 ， 2 0 4 - 2 0 8 ： 3 7 4 0 - 3 7 4 3 【 4 】 Y a n g J i u - J u n ， L i u J u n X i a ， H a n J i n g Y i ， e t a 1 S t u d i e s o n me c h a n i c a l p r o p e r t y o f h i g h f l u i d i t y s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d u l t r a h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e 【 J 】 J i a n z h u C a i l i a o X u e b a o J o u r n a l o f B u i l d i n g Ma t e ri a l s ，2 0 1 0 ， 1 3 ( 1 ) ： 1 - 6 5 】 X u B W ， S h i H S C o r r e l a t i o n a m o n g m e c h a n i c a l p r o p e rt i e s o f s t e e l fi b e r r e i nfo r c e d c o n c r e t e【 J 】 C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 0 9 ， 2 3 ( 1 2 ) ： 3 4 6 8 3 4 7 4 6 】 赵卓， 蒋 晓东 受 腐蚀 混凝 土结 构耐 久性 检测 诊 断【 M】 郑 州： 黄河水利 出版社， 2 0 0 6 7 M i d g l e y H G ， I l l s t o n J M E f f e c t o f c h l o ri d e p e n e t r a t i o n o n t h e p r o p e r t i e s o f h a r d e n e d c e m e n t p a s t e s A P r o c 8 t h I n t e r S y m p o n C h e m o f C e m C ， R i o d e J a n e i r o ， 1 9 8 6 ， P a rt V I I 【 8 】 T h o ma s M D A ， B a m f o rt h P B M o d e l l i n g c h l o ri d e d i ff u s i o n i n c o n c r e t e e ff e c t o f fl y a s h a n d s l a g J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 9 ， 2 9 ( 4 ) ： 4 8 7 - 4 9 5 9 1 余红发 盐湖地 区高性能 混凝 土的耐久性 、 机理与使用 寿 命预测方 法【 D 1 南京： 东南大学， 2 0 0 4 收 稿 日期 ： 2 0 1 5 0 8 2 8 作者简介 ： 白敏 ( 1 9 8 2 一 ) ， 女 ， 博士 、 讲师。 E- ma i l ： r e b e l a v av ip q q c o m 通讯作者 ： 牛荻 涛( 1 9 6 3 一 ) ， 男 ， 博士 、 教授。 E ma i l ： niu d i t a o 1 6 3 c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m