大气污染导致酸雨给生态环境和建筑物带来了极大的影响,酸雨能使混凝土表面硬化水泥溶解,出现空洞和裂缝,导致强度降低,严重影响混凝土工程耐久性和可靠性。玄武岩纤维作为一种新型无机环保绿色高性能纤维材料,将其掺入混凝土中,可在保留混凝土抗压强度高等优点的同时,大大增加其抗拉、耐磨、抗冲击及耐腐蚀等性能。国内外一些学者对玄武岩纤维混凝土的力学性能及耐久性进行了相关研究。张兰芳等 ^[1]研究了掺入0.05%～0.35%的玄武岩纤维对混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度以及弯曲性能的影响。Jalasutram S等 ^[2]研究表明,掺入玄武岩纤维使得混凝土破坏模式从脆性变为延性,劈裂抗拉强度、抗弯拉强度和弯曲韧性等显著增加。石亮等 ^[3]研究表明硫酸与硫酸盐长期作用对低水胶比混凝土剥蚀及强度发展影响显著,混凝土体积发生一定膨胀。王宁等 ^[4]对酸性溶液腐蚀后玄武岩纤维的形貌、成分、物相、分子结构变化情况进行了研究。金生吉等 ^[5]研究表明:玄武岩纤维对混凝土在腐蚀条件下抗冻融破坏能力增强效果显著,有效地延长了混凝土在腐蚀条件下的使用寿命。朱华军 ^[6]研究了玄武岩纤维混凝土抗渗性、抗冻融性、干缩性及抗氯离子渗透性的耐久性能指标。Hassan M等 ^[7]对碱性环境下玄武岩纤维混凝土强度变化及温度对其材料粘结性能的影响进行了研究。王海良等 ^[8]研究表明:短切玄武岩纤维掺量为2kg/m³时对C50混凝土强度提高效果较为显著。Afroz M等 ^[9]发现改性玄武岩纤维的物理性能和耐久性相比未改性的玄武岩纤维要优异,特别是力学性能方面。Pearson M等 ^[10]通过形貌观察和强度损失率测定研究了玄武岩纤维的耐化学腐蚀的长期性能,结果表明玄武岩纤维具有很好的耐碱性能,但耐酸性能较差。Nasir V ^[11], Jones R L ^[12]等对玄武岩纤维耐酸性能进行了研究,发现其耐酸性能强于玻璃纤维。通过上述分析发现,人们对玄武岩纤维的耐腐蚀性能有了一定认识,同时,对玄武岩纤维混凝土力学性能进行了一定研究,但针对玄武岩纤维混凝土的耐久性方面研究相对较少,尤其是耐酸腐蚀。本文通过硫酸侵蚀试验,对玄武岩纤维混凝土耐腐蚀能力以及侵蚀后力学性能的退化进行研究,研究结果可对该新型材料工程应用提供一定技术支持。

　　 试验材料中水泥选用C30普通硅酸盐水泥,碎石为连续级配,粒径为5～31.5mm,中砂,细度模数为2.6～2.8,堆积密度为1 450kg/m³, 减水剂为聚羧酸高性能粉末减水剂,拌合水为清洁自来水,玄武岩纤维采用短切型,物理性能指标见表1。

　　 为研究玄武岩纤维混凝土在硫酸环境腐蚀下的性能,设计了5种不同玄武岩纤维体积掺量混凝土试块,分别为0,0.05%,0.1%,0.2%,0.3%(配合比见表2),每种配合比9个试块,尺寸为100mm×100mm×100mm,试块成型后放入建材标准养护室养护28d。硫酸溶液的pH值为3,试验总腐蚀时间定为270d,每30d测试试块腐蚀情况,包括表面裂缝及开展、饱和状态下的重量与体积,烘干后的重量等;并且侵蚀90,180,270d后,进行抗压强度试验,以测试侵蚀后混凝土力学性能的损失情况。

　　 玄武岩纤维混凝土试块,每种配合比9个试块,放置于pH=3的硫酸溶液中,进行腐蚀试验,表面裂隙发展情况大致如下:

　　 90d侵蚀现象(图1):玄武岩纤维混凝土在硫酸中浸泡90d后,普通混凝土试块表面出现肉眼可见的细裂隙,而其他加入玄武岩纤维混凝土表面没有明显变化。180d侵蚀现象(图2):普通混凝土表面腐蚀更为严重,试块表面出现大量地裂缝且裂缝变宽,边角混凝土有脱落现象,而加入0.1%玄武岩纤维混凝土试块与之前相比表面没有明显变化。270d侵蚀现象(图3):普通混凝土试块破坏严重,表面裂缝密布且宽度增加,整体性很差,而0.1%纤维掺量的试块边角出现裂缝并有混凝土脱落,0.3%纤维掺量的试块表面出现大量的细长裂缝,边角有轻微的混凝土脱落。通过玄武岩纤维混凝土在硫酸溶液中腐蚀试验观察发现:掺入适量玄武岩纤维可显著改善混凝土抗裂性能,硫酸侵蚀后,混凝土裂缝的形成及发展受到较好的抑制。

　　 混凝土吸水率大小主要取决于混凝土内部材料孔隙率。为研究混凝土内部孔隙分布情况,对试块的吸水率进行了测定。将饱和试块从容器中取出,称出其饱和状态下重量;然后用量筒测出试块体积后,将试块放入烘箱12h,烘箱温度(105±5)℃。对试块进行称重,然后继续放入烘干箱2h,继续称重,若重量浮动小于1%,即认为试块已完全干燥,若变化超出规定,则继续烘干,最终得出其干燥后重量,根据所得数据计算吸水率。

　　 从图4中可以看出,试块C3水分减少量(M)相比较最少,试块C5水分减少量相比较最大。侵蚀前,不同纤维掺入量的试块水分减少量具有一定差异。玄武岩纤维与混凝土内部胶凝体结合后,会对整个混凝土吸水率产生影响。但随着侵蚀开始,普通混凝土内部,易形成贯通孔,造成侵蚀加速,而加入纤维后,贯通孔减少,水分迁移效率降低,水分减少量降低。当加入0.1%掺量玄武岩纤维时,混凝土相对较为密实,耐侵蚀效果较好;而加入过量玄武岩纤维,反而会导致其耐酸腐蚀性能下降。

　　 从图5可以看出,试块吸水率(ρ)随浸泡时间(t)逐渐增加,玄武岩纤维的掺入改变了混凝土内部孔结构,浸泡90d后,试块C3比未掺纤维试块C1降低7.1%,掺量为0.3%的试块C5孔隙率最大,比试块C1增加7.3%。浸泡180d后,试块C3比未掺纤维试块C1降低25%,试块C5孔隙率最大,比试块C1增加7.1%。通过分析发现:掺量0.1%的玄武岩纤维对混凝土孔隙增加遏制效果最为明显。分析原因是掺入适当的纤维可有效提高试块密实度,减少内部孔隙率,而大掺量的纤维易聚团,反而降低试块密实度,增大内部孔隙率。

　　 将腐蚀达到90,180,270d的试块分别进行抗压试验,加载速率为0.45mm/min,各试块破坏情况如图6所示(图中C1-180,其中C1代表试块类别,180代表腐蚀天数),其余试块破坏类似,不再累述;荷载-位移(P-Δ)曲线如图7～9所示,在加载过程中, 试块C1荷载-位移曲线下降较快,裂缝开展迅速,破坏时试块几乎没有发生过塑性变形,表现为明显的脆性破坏;试块C3在达到屈服荷载后,荷载-位移曲线变化较缓,位移持续增加,荷载有比较明显下降段,表现出较好的变形能力。

　　 抗压强度(f_cu)随玄武岩纤维掺量(r)变化规律如图10所示,随着玄武岩纤维掺量增加,混凝土抗压强度略有增加。试块C3在腐蚀90d时抗压强度略高于普通混凝土,增幅为6.6%。同时与腐蚀90d时相比,试块C3在腐蚀180,270d时抗压强度增幅分别为53.5%,49.16%,而试块C2相应的增幅为22.9%,30.06%。加入玄武岩纤维对受硫酸侵蚀的混凝土抗压强度有明显提高。

　　 综合分析可得,玄武岩纤维含量并非是越多其力学性能就越好,当掺入过量纤维后,多余纤维会影响混凝土内部构造,纤维表面积增加,有的纤维不能被足够浆体包裹,导致混凝土密实度下降,内部缺陷增多,易出现微裂缝和气孔。因此,无论从耐久性还是基本力学性能影响情况来看,混凝土在0.1%左右玄武岩纤维掺量时较为合理。

　　 本文对玄武岩纤维混凝土中的硫酸根离子分布进行了测定,以反映硫酸在不同纤维掺量的混凝土内部侵蚀情况。首先对侵蚀后的混凝土试块按照不同深度,进行切片处理,切片深度(h)分别为6,18,30,42mm,厚度为20mm。切片后研磨成粉,取10g溶于300ml纯净水中,取上层澄清液体,对硫酸根离子进行测试,离子浓度(c)变化情况见图11～13。所有曲线具有相似趋势,曲线前期下降较快,后期下降趋缓。侵蚀90d时,18～30mm深度后,离子浓度降低速度较快;侵蚀180d时,大致也有相同规律;侵蚀270d后,离子浓度变化基本稳定,呈线性分布。玄武岩纤维掺量会影响试块内部硫酸根离子含量分布,其中0.10%纤维掺量试块 C3 硫酸根离子含量最低。

　　 以试块中距离边缘42mm处硫酸根离子浓度为标准,比较分析各试块90,180,270d硫酸根离子浓度变化与试块承载力的关系。如图14～16所示,离子浓度数据虽存在一定程度的离散,但通过趋势线可见随SO₄^2-离子浓度增高,玄武岩纤维混凝土试块承载力总体呈降低趋势。90d与180d变化趋势基本一致,只是承载力大小有所差异;270d承载力降低幅度不大,但随着离子浓度的增加,退化速度加速;其中0.1%纤维掺量试块力学性能较好。

　　 (1)0.1%掺量玄武岩纤维混凝土孔隙率比未掺纤维的普通混凝土降低25%,经90,180,270d腐蚀后,抗压强度相比普通混凝土分别提高了6.6%,53.5%,49.16%;0.2%纤维掺量对混凝土变形能力有很好的改善。建议玄武岩纤维混凝土的纤维掺量宜在0.1%～0.2%之间,不宜大于0.3%。

　　 (2)通过硫酸根离子含量测定发现,硫酸根离子在18～30mm深度后,离子浓度大幅度降低。因此,建议对于处于硫酸环境侵蚀的混凝土其保护层厚度不宜小于30mm。

　　 (3)玄武岩纤维绿色环保、性能及相容性好,且掺入到混凝土中能改善混凝土在硫酸环境下的耐久和力学性能,是一种值得推广和应用的新型纤维增强材料。