商 冉

(中国地质大学(北京)工程技术学院，北京 100083)

沿海地区一直是我国基础设施建设高速发展的核心区域，随着地下空间结构的迅猛发展，越来越多的全地下建筑及建筑物的基础都面临着地下水质的腐蚀性考验。大量的研究和调查表明，在沿海及近海水文地质环境下，地下水氯离子含量较高，腐蚀性较强，钢筋混凝土结构常常达不到其正常的设计使用寿命，有些甚至在不到20年的时间内就发生了严重的钢筋锈蚀、混凝土脱落等现象，给国家造成了一定的经济损失。加强氯盐腐蚀环境下混凝土结构耐久性能的研究一直是学术界关注的研究方向，一批新型的材料、新的配置技术和施工技术被广泛应用，极大地提高了混凝土结构的抗裂性能和耐久性能。近年来开发的钢纤维轻骨料混凝土(SFRLC)，其弹性模量远大于普通混凝土，提高了普通混凝土的抗拉性能和韧性，钢纤维可以分散混凝土结构内部的收缩应力，使裂缝细微化，具有优异的抗裂性能，极大地提高了混凝土结构的耐久性，受到研究学者的广泛关注。

本文通过研究SFRLC强度等级、钢纤维体积率、侵蚀制度、侵蚀溶液浓度等各因素对SFRLC损伤程度的影响规律(选取相对动弹性模量、质量损失率、氯离子浓度来表征试件混凝土的损伤)，探索SFRLC抗氯离子侵蚀的作用机理，提出其寿命预测评估模型，对近海水文地质环境下的结构耐久性评估具有一定的理论意义和应用价值。

1 试验方法

1.1 试验材料

试验所用的钢纤维陶粒混凝土(SFRLC)是以水泥、粉煤灰、硅灰为主要胶凝材料，以陶粒为粗骨料，河砂为细骨料，并掺入了一定量的减水剂和钢纤维，按照一定的填料顺序混合搅拌均匀制备而成。试验参照《钢纤维混凝土行业标准(JG/T 472—2015)》[1]和《轻骨料混凝土技术规程(JGJ 51—2002)》[2]，并结合王栋民和陈建奎提出的高性能混凝土配合比[3]制备试样，如图1所示。

1.2 测试方法

试验类别：①NaCl溶液侵蚀；②NaCl溶液侵蚀+干湿循环；侵蚀制度：浸泡侵蚀，干湿循环制度；SFRLC种类：LC20、LC30、LC40和LC50；钢纤维体积率0%、1%、1.5%和2%；侵蚀溶液：NaCl溶液浓度为3%、7%；测试内容：SFRLC的质量损失率、相对动弹性模量、氯离子浓度。

本文氯离子浓度测试[4～6]采用最基本的溶液滴定法进行。其步骤为：对侵蚀后的试件进行钻孔取芯、切片、研磨、化学滴定等测试。其钻孔芯样及切片样本如图1所示。

图1 钻取芯样及切片样品Fig.1 Core of concrete and sliced samples

2 试验结果分析及讨论

2.1 钢纤维体积率对氯离子侵蚀的影响

2.1.1钢纤维体积率对质量损失率的影响

图2为氯盐浓度为7%下SFRLC质量损失率随钢纤维体积率Vf的变化曲线。

图2 Vf对SFRLC质量损失率的影响Fig.2 Effects of Vf on the mass loss rate of SFRLC

由图2可以看出，随着养护龄期的增长，SFRLC质量损失率先降低，在30 d左右开始增加，在90 d后质量损失率呈缓慢增加的趋势。基体强度等级相同的SFRLC，随着钢纤维体积率的增加，侵蚀前期区别不显著，90 d后其质量损失率呈略减少状态。

随着养护龄期的增加，SFRLC质量先增加后降低，侵蚀后期趋于平缓。这是由于氯离子侵蚀初期，渗透入试件的氯离子与SFRLC组分反应生成难溶于水的水化产物3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O和3CaO·Al2O3·CaCl2·3H2O，生成物吸水体积膨胀，起到填充SFRLC内部空隙的作用，使得SFRLC在侵蚀前期质量略有增加。随着SFRLC致密性的提高，氯离子越来越难渗透到试件内部，故其产生的膨胀应力增加幅度缓慢，即SFRLC侵蚀后期质量降低缓慢。

2.1.2钢纤维体积率对相对动弹性模量的影响

图3为氯盐浓度为7%下，SFRLC相对动弹性模量随钢纤维体积率的变化曲线。

图3 Vf对SFRLC相对动弹性模量的影响Fig.3 Effect of Vf on reduce rates of SFRLC relative dynamic modulus

可以看出，随着养护龄期的增长，SFRLC相对动弹性模量先呈增加后降低趋势，在90 d后趋于平缓。基体强度等级相同的SFRLC，侵蚀前期相对动弹性模量区别不显著，90 d后相对动弹性模量随着钢纤维体积率的增加均呈增加趋势。究其原因，钢纤维掺入SFRLC后起到了较好的填充作用，延缓了氯离子的渗透速度；同时钢纤维的增韧阻裂起到了约束试件内部膨胀应力的作用，两者均利于SFRLC致密性的提高，使其相对动弹性模量较高。

2.1.3钢纤维体积率对氯离子含量的影响

图4为钢纤维体积率Vf=1%时，不同强度等级SFRLC浸泡侵蚀360 d后的氯离子含量随试件深度的变化规律。由图可以看出，SFRLC中氯离子含量随试件深度的增加呈先快速减小后趋于稳定的趋势；随SFRLC强度等级的提高，氯离子含量趋于平稳的深度逐渐变浅。

图4 Vf=1%时侵蚀360 d后SFRLC氯离子含量Fig.4 Chlorine ion content after 360 d erosion of LCV1

图5为氯盐浓度为7%下，距离SFRLC表面0～2 mm处氯离子含量随钢纤维体积率的变化规律。

图5 Vf对SFRLC氯离子含量的影响Fig.5 Effect of Vf on chlorine ion content of SFRLC

由图可以看出，混凝土强度等级相同的SFRLC试件，随着钢纤维体积率的增加，氯离子含量均呈降低趋势。随着养护龄期的增长，氯离子含量呈先快速增加，当养护龄期达90 d以后，增加趋势趋于平缓。这是由于氯离子侵蚀初期，SFRLC表面不饱和，毛细管张力会将氯离子吸收至SFRLC试件表层，直至试件表层达饱和状态，故该阶段氯离子的扩散较快，在图谱上表现为表层氯离子浓度在90 d之前呈快速增加趋势。而在SFRLC表层达到饱和后，其表层与内部孔隙溶液间存在一浓度差，该浓度差驱使氯离子继续向试件内部扩散，直至达到整体的平衡，该过程氯离子扩散速度缓慢。

2.2 混凝土强度等级对氯离子侵蚀的影响

图6是氯盐浓度为7%下，SFRLC质量损失率随强度等级的变化规律曲线。可以看出，对于同一钢纤维体积率，随着强度等级的提高，侵蚀前期质量损失率呈增加趋势，90 d后质量损失率呈降低趋势。

图6 强度等级对SFRLC质量损失率的影响Fig.6 Effect of strength grade on the mass loss rate of SFRLC

图7为氯盐浓度为7%下，SFRLC相对动弹性模量随混凝土强度等级的变化规律。可以看出，对于同一钢纤维体积率，随着强度等级的提高，SFRLC相对动弹性模量均呈增加趋势。

图7 强度等级对SFRLC相对动弹性模量的影响Fig.7 Effect of strength grade on reduce rates of SFRLC relative dynamic modulus

图8是氯盐浓度为7%下，距离SFRLC表面0～2 mm处氯离子含量随混凝土强度等级的变化规律。可以看出，随着强度等级的提高，氯离子含量呈缓慢增加趋势。

图8 强度等级对SFRLC氯离子含量的影响Fig.8 Effect of strength grade on chlorine ion content of SFRLC mass

图9 不同侵蚀制度对SFRLC质量损失率的影响Fig.9 Effect of erosion system on the mass loss rate of SFRLC①NaCl溶液侵蚀方法；②NaCl溶液侵蚀+干湿循环方法

由图6～8可以看出，随着强度等级的提高，SFRLC质量损失率、氯离子含量均呈降低趋势，相对动弹性模量均呈增加趋势。这是由于强度较低的SFRLC，试件内部孔隙以及初始缺陷较多，毛细管张力很容易将氯离子吸入试件表层，与水化产物CH发生反应的氯离子较多，生成物吸水膨胀显著，产生的膨胀应力较大，致使SFRLC质量变化较大。而随着SFRLC强度的提高，试件内部孔隙逐渐变少，致密性得以提高，氯离子很难渗透到试件内部，产生的膨胀应力增加幅度缓慢，SFRLC质量变化较小。正由于强度等级高的SFRLC内部孔隙较少，致密性高的特点，氯离子很难渗透进入试件内部，为此产生的膨胀应力小，相对动弹性模量较高。

2.3 侵蚀制度对氯离子侵蚀的影响

2.3.1侵蚀制度对质量损失率的影响

图9是氯盐浓度为7%下，钢纤维体积率为1%的SFRLC质量损失率在不同侵蚀制度下的变化规律。由图可以看出，混凝土强度等级相同的SFRLC，采用①NaCl溶液侵蚀方法的SFRLC质量损失率较采用②NaCl溶液侵蚀+干湿循环方法低。

采用干湿循环侵蚀制度。侵蚀前期干湿循环的干燥过程中，水分的蒸发增大了试件表层孔隙和内部孔隙的浓度差，驱使氯离子快速向内部扩散，氯离子与混凝土组分发生化学反应生成的膨胀物数量多于侵蚀制度①，试件质量增加，且高于侵蚀制度①。

侵蚀后期膨胀物逐渐增加，由于干湿循环产生的膨胀应力较大，引发的裂缝较多，同时产生的盐结晶压力较大，加速试件的膨胀，促进裂缝的形成与扩展，致使质量损失率较侵蚀制度①大。

2.3.2侵蚀制度对相对动弹性模量的影响

图10是氯盐浓度为7%下，SFRLC相对动弹性模量随侵蚀制度的变化规律。可以看出，混凝土强度等级相同的SFRLC，采用方法①的SFRLC相对动弹性模量略高于采用方法②的。

图10 不同侵蚀制度对SFRLC相对动弹性模量的影响Fig.10 Effect of erosion system on relative dynamic modulus of SFRLC

采用干湿循环侵蚀制度，侵蚀前期在干燥过程中水分的蒸发，增加了试件表层孔隙的盐分浓度，表层和内部孔隙存在的高浓度差驱使氯离子快速向内部扩散，氯离子与混凝土组分发生化学反应生成的膨胀物填充试件内部原有的孔隙，利于试件致密性的提高，相对动弹性模量提高。干湿循环干燥过程中水分的蒸发，会给试件带来更多的毛细孔和微裂缝，相对动弹性模量降低。两者共同作用下，侵蚀前期，前者占据主要作用，但相对动弹性模量低于侵蚀制度①的。

侵蚀后期，膨胀物逐渐增加，由于干湿循环后渗透入试件内部的氯离子含量相对较高，产生膨胀应力较大，引发的裂缝较多，同时多余的盐分在干燥过程中以晶体的形式存在于试件孔隙，产生的盐结晶压力较大，加速试件的膨胀，促进裂缝的形成与扩展，相对动弹性模量低于侵蚀制度①的。

2.3.3侵蚀制度对氯离子含量的影响

图11是氯盐浓度为7%下，SFRLC氯离子含量随侵蚀制度的变化规律。可以看出，混凝土强度等级相同的SFRLC，采用方法①的SFRLC氯离子含量较采用方法②的偏低。

图11 不同侵蚀制度对SFRLC氯离子含量的影响Fig.11 Effect of erosion system on chlorine ion content of SFRLC

这是由于干湿循环下的SFRLC试件，浸泡过程中，主要依靠直接接触外界溶液的混凝土毛细管张力，将氯离子吸收至SFRLC试件表层。在干燥过程中，水分蒸发，试件表层孔隙的盐分浓度增加，其表层与内部孔隙溶液间浓度差加大，该浓度差加大了氯离子向试件内部的扩散速度，促使氯离子含量的增加。

2.4 侵蚀溶液浓度对氯离子侵蚀的影响

2.4.1侵蚀溶液浓度对质量损失率的影响

表1是在不同浓度NaCl溶液侵蚀时，SFRLC质量损失率的变化规律。由表可以看出，侵蚀前期质量增加，侵蚀溶液浓度为7%对应的SFRLC质量增幅显著高于侵蚀溶液浓度为3%的，侵蚀后期质量降低，高浓度下的SFRLC质量损失率高于低浓度的。随着强度等级的提高，两种不同侵蚀溶液浓度下，SFRLC的质量损失率均呈降低趋势。

表1 不同NaCl溶液浓度下SFRLC的质量损失率Table 1 The mass loss rate of SFRLC mass with different NaCl concentration

其原因在于侵蚀初期浓度的差异不会引起较大的混凝土侵蚀量变化，初期质量增加缓慢，侵蚀后期，氯离子浓度越大，通过裂缝渗透到试件的速度越快，产生的膨胀应力也越来越大，表面水泥浆剥落越显著，质量损失率越多。

2.4.2侵蚀溶液浓度对相对动弹性模量的影响

表2是在不同浓度氯盐溶液侵蚀时，钢纤维体积率为1%的SFRLC相对动弹性模量的变化规律。由表可以看出，侵蚀前期氯盐浓度为3%对应的SFRLC相对动弹性模量略低于7%的；侵蚀后期氯盐浓度为3%对应的SFRLC相对动弹性模量高于7%的。

分析原因为侵蚀前期，高氯离子浓度的渗透量高于低浓度的，以致生成膨胀物的量较多，相对动弹性模量也随着密实作用的提高而增大。侵蚀后期，高浓度氯离子侵蚀的SFRLC试件，其膨胀作用较明显，在试件内部产生微裂缝较多，为氯离子的渗入提供更多的通道，相对动弹性模量降低显著。

2.4.3侵蚀溶液浓度对氯离子含量的影响

表3是在不同浓度氯盐侵蚀时，钢纤维体积率为1%的SFRLC氯离子含量的变化规律。由图可得，氯盐浓度为7%对应的SFRLC氯离子含量显著高于氯盐浓度为3%的。这是由于在低浓度下，氯离子渗透进入试件内部的速度较慢的缘故。

表2 不同NaCl溶液浓度下SFRLC的相对动弹性模量Table 2 Relative dynamic modulus of SFRLC with different NaCl concentration

表3 不同NaCl溶液浓度下SFRLC的氯离子含量Table 3 Chlorine ion content of SFRLC with different NaCl concentration

3 结论

(1)钢纤维对SFRLC的质量损失有抑制作用，其作用随着钢纤维体积率的增大而增大；钢纤维体积率对SFRLC相对动弹性模量基本无影响；钢纤维对SFRLC氯离子渗入有抑制作用。

(2)混凝土强度等级对SFRLC的质量损失有抑制作用，抑制损伤的作用随着混凝土强度等级的提高愈加明显；混凝土强度等级对SFRLC相对动弹性模量降低和氯离子渗入略有抑制作用。

(3)SFRLC的质量损失和相对动弹性模量基本不受干湿循环作用影响，但在一定程度上促进了氯离子渗入。

(4)在损伤环境下，侵蚀溶液浓度对相对动弹性模量无显著影响，但对SFRLC的质量损失和氯离子侵入影响显著。

(5)SFRLC以其优异的抗裂性能，极大地提高了在近海腐蚀水文地质环境下的结构耐久性，具有广泛的应用价值。

参考文献：

[1] JG/T 472—2015 钢纤维混凝土行业标准[S]. [JG/T 472—2015 Steel fiber concrete industry standard[S].(in Chinese)]

[2] JGJ51—2002 轻骨料混凝土技术规程[S]. [JGJ51—2002 Echnical specification for lightweight aggregate concrete[S].(in Chinese)]

[3] 陈建奎，王栋民. 高性能混凝土(HPC)配合比设计新法——全计算法[J]. 硅酸盐学报，2004，28(2)：194-198.[CHEN J H,WANG D M. New method of mixing ratio design for high performance concrete——overall calculation method[J]. Journal of the Chinese Society, 2004, 28(2): 194-198. (in Chinese)]

[4] 赖俊，张国强.钢纤维轻骨料混凝土准静态力学性能研究[J].广东建材，2016(2)：9-12.[LAI J, ZHANG G Q. Study on quasi-static mechanical properties of steel fiber lightweight aggregate concrete[J]. Guangdong Building Materials, 2016(2): 9-12. (in Chinese)]

[5] 成立.混凝土中氯离子含量的测定[J].荆门职业技术学院学报,2006,21(6):5-7.[CHENG L. Determination of chloride content in concrete[J]. Journal of Jingmen Vocational College,2006, 21(6): 5-7. (in Chinese)]

[6] Pivonka P, Smith D. Origin of chloride diffusivity of cement pastesascale-transition analysis[J].Fracture Mechanics of Concrete Structures,2004:571-579.