硫酸钠侵蚀是自然界中较常见的一种硫酸盐侵蚀,它对混凝土的侵蚀分为化学侵蚀和物理侵蚀,化学侵蚀是水泥水化产物与硫酸钠反应生成钙矾石和石膏,随侵蚀时间增长,膨胀性的产物增多,使混凝土产生膨胀裂缝; 物理侵蚀主要是因为硫酸钠具有严重的结晶破坏作用,当进入混凝土内部,会随相对湿度和温度变化析出结晶盐,晶体生长使混凝土破坏。玄武岩纤维作为一种新型的无机环保材料,掺入混凝土中,有效地提高了混凝土抗拉强度、耐磨、耐腐蚀、抗冲击等性能。随着玄武岩纤维混凝土在工程中应用日益广泛,国内外有关学者对玄武岩纤维混凝土的耐久性及力学性能进行了大量的研究。沈刘军等 ^[1]人对玄武岩纤维掺量分别为0%,0.1%,0.2%,0.3%的混凝土进行研究,研究结果表明当玄武岩纤维掺量为 0.1%时,混凝土的力学性能最好;王新忠等 ^[2]对不同长度和不同掺量的玄武岩纤维混凝土进行早期开裂试验,研究表明随着玄武岩纤维长度增加,早期收缩裂缝先减小后增加,玄武岩纤维长度为18 mm的混凝土抗裂效果最好;早期收缩裂缝随纤维掺量的增加而减小,玄武岩纤维掺量为0.2%时混凝土的力学性能最佳。王钧等 ^[3]研究发现掺入短切玄武岩纤维可以提高混凝土早期抗压强度; 当玄武岩纤维掺量为0.1%时,混凝土的抗压强度达到最大值,且劈拉强度与抗折强度随玄武岩纤维掺量的增大而持续增大,同时建立了BP神经网络强度预测模型。张兰芳等 ^[4]对不同掺量的玄武岩纤维混凝土进行研究,发现纤维掺量在0.3%以内时,混凝土的抗压、抗拉强度都有所提高,当掺量超过0.3%时,混凝土抗压、抗拉强度就会下降。Jalasutram S等 ^[5]研究发现玄武岩纤维的掺入使混凝土从脆性破坏模式转变为韧性破坏,有效的增加了混凝土的抗拉弯强度、劈裂抗拉强度和弯曲韧性。金生吉 ^[6]等的研究表明在腐蚀条件下玄武岩纤维有效地增强了混凝土抗冻融破坏能力,延长了混凝土的使用寿命。石亮等 ^[7]研究了硫酸盐对混凝土长期作用的影响,发现低水胶比混凝土会发生体积膨胀、剥蚀,对混凝土强度发展影响显著。Pearson M等 ^[8]通过观察和测定强度损失率来研究玄武岩纤维的耐腐蚀性能,结果表明玄武岩纤维混凝土的耐碱腐蚀性能较好,但耐酸腐蚀性能差。方祥位等 ^[9]研究了硫酸盐侵蚀下混凝土侵蚀速度的影响因素,研究表明混凝土试件的水灰比越大、胶砂比和试件尺寸越小,硫酸盐的侵蚀速度越快。Afroz M等 ^[10]对改性和非改性的玄武岩纤维混凝土进行了耐久性研究,观察纤维的破坏形态与损伤特征。Leemann A等 ^[11]的研究结果表明硫酸盐侵蚀环境下,有害盐分对混凝土造成腐蚀损伤,其中结构的薄弱部分损伤尤为突出。杨益 ^[12]研究表明掺入1.5%的钢纤维和0.05%的玄武岩纤维对混凝土抗冻性能的改善效果最好。林家富 ^[13]对玄武岩纤维混凝土的力学性能进行研究,并对其微观结构进行分析,研究表明适量的玄武岩纤维能提高混凝土的力学性能,抑制裂缝产生,但过量玄武岩纤维会导致混凝土抗压强度降低。王振山等 ^[14]对不同掺量的玄武岩纤维混凝土进行研究,发现纤维掺量为0.1%时混凝土的耐酸腐蚀性能得到了较大的提升。综上分析,目前关于硫酸钠对玄武岩混凝土的侵蚀研究相对较少,侵蚀后混凝土的力学性能退化也缺少必要的试验基础。基于上述分析,本文对在硫酸钠环境下的玄武岩纤维混凝土进行侵蚀试验,研究不同纤维掺量的玄武岩混凝土的耐久性和力学性能。

　　 试验选用的纤维为短切型玄武岩纤维,物理力学性能见表1,水泥选用陕西秦岭P.O42.5级普通硅酸盐水泥,粗骨料为连续级配碎石,粒径范围为5～31mm,细骨料选用细度模数在2.6～2.8的中砂,试验用水使用自来水,以聚羧酸高性能粉末减水剂为添加剂。本文设计了5组不同掺量的玄武岩纤维混凝土试块,纤维掺量分别为0%,0.05%,0.1%,0.2%,0.3%,试块尺寸为100mm×100mm×100mm,每组有3个试块,制作完成后在标准养护室养护28d,经试块检测合格后,分别将试块放入5%的硫酸钠溶液和水中浸泡,每月对试块的破坏情况进行观察,测定吸水率、抗压强度、硫酸根离子的分布情况等。混凝土配合比见表2。

　　 玄武岩纤维混凝土浸泡在硫酸钠溶液中120d后大多数试块已经严重破坏,研究仅对前90d的试验数据进行分析处理。

　　 由图1可看出,未掺加玄武岩纤维的混凝土试块浸泡在硫酸钠溶液中,经过90d的腐蚀,试块表面裂纹密布,裂纹较宽,且有大量的贯通裂缝,边角混凝土剥落,试块发生严重破坏。由图2可看出,相比于未掺入玄武岩纤维的混凝土试块,掺入0.05%的玄武岩纤维使试块裂缝发展变缓,侵蚀程度有所降低,但改善效果却不是很明显。由图3可看出,将玄武岩纤维掺量为0.1%的混凝土试块浸泡在硫酸钠溶液中,试块表面只出现了少量的细微裂缝。由图4可看出,当玄武岩纤维掺量达到0.2%时,与纤维掺量为0.1%的试块相比,试块破坏程度加重,表面出现了较多裂缝,边角有脱落迹象。由图5可看出,玄武岩纤维掺量为0.3%的混凝土试块经过90d的浸泡,表面裂缝增多,边角脱落现象加剧。试块破坏主要是因为硫酸钠进入混凝土内部与水泥水化产物反应生成膨胀性产物,进而产生内应力使混凝土膨胀破坏,并且当硫酸钠浓度足够高时析出结晶盐,产生结晶应力,造成混凝土的破坏。适量玄武岩纤维掺入能够有效抑制混凝土微裂缝的发生和发展,从而增强混凝土的密实性,明显改善混凝土的早期抗裂性,有效地提高混凝土对硫酸钠溶液的耐腐蚀性能。

　　 本文通过测定试块吸水率的变化,来反映试块在硫酸钠溶液侵蚀下玄武岩纤维混凝土内部孔隙的发展规律。每月对试块吸水率进行测定,先测定试块饱和质量,再测定烘干后的质量。按以下公式进行计算:

　　 $w=\frac{m{}_{\text{s}}-m{}_{\text{d}}}{m{}_{\text{d}}}(1)$

　　 式中:w为受腐蚀混凝土试块的的吸水率; m_s为受腐蚀混凝土试块的饱和质量; m_d为受腐蚀混凝土试块的干质量。

　　 每组有3个试块,每30d对试块的孔隙率进行一次测定,除去偶然误差后取平均值,汇总结果见表3,4。从表3可以看出,未掺加玄武岩纤维的混凝土试块在硫酸钠溶液中经过90d的浸泡,孔隙率增加了27.5%,玄武岩纤维掺量为0.05%的混凝土试块孔隙率增加了22.9%,玄武岩纤维掺量为0.1%的

　　 混凝土试块孔隙率增加了12.8%,而玄武岩纤维掺量分别为0.2%和0.3%的混凝土试块孔隙率增加量也高达24.5%和36%,且纤维掺量为0.1%的混凝土试块的孔隙率相比于未掺加纤维的降低了18.5%。由表4可以看出,浸泡在水中的试块的孔隙率相比浸泡在硫酸钠溶液中试块的孔隙率小,但随浸泡时间的增加,总体的变化趋势是一致的,验证了以上玄武岩纤维的掺量对混凝土试块孔隙率的影响。

　　 浸泡在硫酸钠溶液中混凝土试块孔隙率变化和浸泡在水中混凝土试块孔隙率的变化如图6,7所示。图6和图7反映出,随着浸泡时间的增加,试块浸泡在硫酸钠溶液和水中的孔隙率都呈现出先减后增的趋势。这是由于在腐蚀初期混凝土内部孔隙充满了硫酸钠的腐蚀产物,使混凝土结构达到密实,但随着时间的增长,生成的大量膨胀型腐蚀产物会填满混凝土的孔隙及界面区,从而导致混凝土膨胀并产生大量的裂纹,使混凝土孔隙率增加。通过比较可发现,玄武岩纤维掺量为0.1%的试块孔隙率最低,玄武岩纤维掺量为0.3%的试块孔隙率最高。这是由于玄武岩纤维掺量过高,混凝土内部纤维成团,使得纤维与纤维之间的孔隙成为渗透通道。试块C3和S3的孔隙率变化如图8所示。图8分析了玄武岩纤维掺量为0.1%的玄武岩混凝土分别置于硫酸钠溶液和水中的孔隙率变化情况,前30d,两者孔隙率变化比较接近,30d后,未掺纤维的混凝土孔隙率迅速增大,由于硫酸钠进入混凝土内部发生反应,使混凝土产生膨胀裂缝,孔隙率增大; 同时也表明纤维可增加混凝土的密实性,延缓离子渗入。

　　 为研究硫酸根离子与混凝土厚度之间的变化关系,将混凝土试块按12mm厚度切片,研磨后溶解于纯净水中,使用钠离子浓度测试仪对其中的钠离子浓度进行检测,将得到的P_Na值按下列公式换算,得到硫酸根离子在试块不同部位分布情况。

　　 $C(\text{S}\text{Ο}{}_4^{2-})=\frac{0.4\times 48\times {\rm P}{}_{\text{Ν}\text{a}}}{8}(2)$

　　 式中:0.4为溶液总体积,L; 48为二分之一硫酸根的摩尔质量,g/mol; P_Na为纳离子测试仪数值,实测的溶液P_Na值; 8为溶液中混凝土粉末的质量,g。

　　 硫酸钠溶液中浸泡90d内硫酸根离子含量变化如图9所示。横坐标为混凝土试块切片厚度。由图9可知,玄武岩纤维掺量影响硫酸根离子浓度的分布,加入玄武岩纤维使硫酸根离子的渗透速率降低,其中玄武岩纤维掺量为0.1%的混凝土试块硫酸根离子的渗透速率最低,且离子含量最低,抗硫酸钠侵蚀的能力最好,而玄武岩纤维掺量为0.3%的混凝土的硫酸根离子浓度最高,渗透速率最高。结果表明掺入适量的玄武岩纤维可有效改善混凝土的孔隙结构,提高密实度,且对混凝土的耐腐蚀性能有一定提升,但纤维掺量过高会降低混凝土的密实度,使混凝土内部孔隙不断增多,加速离子扩散,从而导致硫酸根离子含量增加,对混凝土的耐久性不利。

　　 在不同硫酸钠侵蚀环境下,试块经过120d的侵蚀后大部分已经破坏,故选取浸泡90d后的混凝土试块进行抗压试验。加载速率统一为0.45mm/min,破坏条件统一为承载力下降85%时,停止加载。混凝土标准试件为150mm立方体试件,本文为了方便耐久性试验操作,采用100mm的立方体试件,将得到的强度值乘以0.9的折减系数,进行调整。图10和图11分别为玄武岩纤维混凝土在硫酸钠溶液中浸泡90d后和在水中浸泡90d后的轴压破坏形态。由图10,11可知,无论在硫酸钠溶液中还是水中浸泡90d,相比于未掺加纤维的混凝土试块和玄武岩纤维掺量为0.05%,0.2%,0.3%的试块,玄武岩纤维掺量为0.1%的破坏程度最小,裂缝分布均匀,混凝土未发生大块脱落情况,玄武岩纤维的掺入增加了混凝土的变形能力。

　　 在硫酸钠溶液中浸泡90d时和在水中浸泡90d时玄武岩纤维混凝土极限承载力分别如图12,13所示。由图12和图13可见,掺入适量的玄武岩纤维可使混凝土试块的抗压强度有所提高。玄武岩纤维掺量为0.1%的混凝土试块极限承载力最高。在硫酸钠侵蚀环境下,与未掺加玄武岩纤维的混凝土试块相比,玄武岩纤维掺量为0.1%的混凝土试块极限承载力提高了24.5%。在硫酸钠溶液中浸泡90d时和在水中浸泡90d时玄武岩纤维混凝土荷载-位移曲线分别如图14,15所示。由图14和图15亦能发现,加载过程中未掺入玄武岩纤维的试块荷载-位移曲线下降较快,表现为明显的脆性破坏; 玄武岩纤维掺量为0.1%的试块破坏过程较为缓慢,混凝土达到屈服后,随位移增加曲线变化较缓,试块的变形能力相对提高,且有较高的极限承载力。

　　 混凝土内部孔隙直接影响材料的力学性能,在硫酸钠的侵蚀作用下,内部孔隙不断发展。孔隙又与硫酸根离子浓度的分布和发展关联较大,本文取渗透深度为42mm处的硫酸根离子浓度,通过拟合的曲线来反映硫酸钠侵蚀环境下硫酸根离子浓度与混凝土强度、孔隙率与混凝土强度的关系。

　　 图16为在硫酸钠溶液中浸泡90d时混凝土极限承载力和硫酸根离子浓度拟合关系曲线,拟合曲线可通过以下多项式表示:

　　 $y=16532x{}^2-14206x+3426.9(3)$

　　 由图可以看出,随着硫酸根离子浓度的升高,玄武岩纤维混凝土的极限承载力呈现下降趋势,但当硫酸根离子浓度达到0.42以后,承载力基本趋于稳定。

　　 图17为在硫酸钠溶液中浸泡90d时混凝土极限承载力和孔隙率拟合关系曲线,拟合曲线可通过以下多项式表示:

　　 $y=545130x{}^2-73598x+2866.6(4)$

　　 由图17可知,当孔隙率增加时,玄武岩纤维混凝土的极限承载力也呈下降趋势,但当硫酸根离子浓度达到0.065以后,承载力也基本趋于稳定。

　　 综上所述结果表明:当混凝土内部孔隙或硫酸根离子浓度达到一定的程度后,对力学性能影响逐渐减弱,由此可以发现内部孔隙或硫酸根离子浓度对混凝土抗压强度的影响规律。通过研究发现玄武岩纤维掺量为0.1%时,混凝土试块的孔隙率最小,硫酸根离子浓度达到最低,抗压强度最大。

　　 本文研究玄武岩纤维混凝土在硫酸钠溶液侵蚀下的耐久性和抗压性能,通过不同玄武岩纤维掺量的混凝土试块的侵蚀试验,得出下列结论:

　　 (1)适量的掺入玄武岩纤维,能较好地改善混凝土的早期抗裂性能,有效地提高混凝土对硫酸钠溶液的耐腐蚀性能,玄武岩纤维掺量为0.1%的混凝土耐腐蚀效果最显著,但掺入过量的玄武岩纤维却会使混凝土的孔隙率增大,耐腐蚀性能下降。

　　 (2)对浸泡90d的试块孔隙率进行分析,玄武岩纤维掺量为0.1%的混凝土试块孔隙率最低,相比于未掺加纤维的混凝土试块降低了18.5%,可见玄武岩纤维掺量为0.1%时对混凝土孔隙率增大的抑制作用最好。

　　 (3)通过轴压试验结果可知,掺入玄武岩纤维改善了混凝土的破坏形式,提高了混凝土的抗压强度。在硫酸钠侵蚀环境下,当纤维掺量为0.1%时,混凝土试块抗压强度最高,相比于未掺加纤维的混凝土试块提高了24.5%,但纤维掺量过高反而降低其力学性能。

　　 (4)通过分析硫酸根离子浓度、孔隙率与承载力的关系发现,随着硫酸根离子浓度和孔隙率的升高,承载力前期呈下降趋势。当混凝土内部孔隙或硫酸根离子浓度达到一定程度后,力学性能趋于稳定。本文研究结果将为玄武岩混凝土在工程中的应用提供一定研究基础。