摻加碳納米纖維提高橋梁混凝土抗凍防腐性能的研究

楊江朋

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西渭南 714099)

我國(guó)公路事業(yè)迅猛發(fā)展,公路交通里程迅速增加,公路橋涵結(jié)構(gòu)物的數(shù)量飛速增長(zhǎng),數(shù)量巨大的公路橋涵在給經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)新鮮活力的同時(shí),公路橋涵結(jié)構(gòu)物的病害頻發(fā)問(wèn)題已經(jīng)成為困擾公路交通發(fā)展的巨大阻力。公路橋涵下部結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期埋入土壤之中或浸泡在水體之中。水泥混泥土結(jié)構(gòu)處于此種環(huán)境之中必然受到無(wú)機(jī)鹽的腐蝕。凍融循環(huán)造成的剝蝕[1],成為橋梁下部結(jié)構(gòu)病害的主要原因。隨著材料科學(xué)的發(fā)展,以極大的長(zhǎng)徑比[2]、極高的韌性及模量、來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉[3]等優(yōu)勢(shì)成為新的研究重點(diǎn)。本文針對(duì)橋梁墩柱混凝土的病害特點(diǎn),研究將碳納米纖維摻入到橋梁墩柱混凝土后,對(duì)橋梁墩柱的抗腐蝕性、抗凍融循環(huán)剝蝕性的提高。

1 碳納米纖維改善橋梁混凝土耐久性的作用機(jī)理

將碳納米纖維摻入到水泥混凝土當(dāng)中,經(jīng)充分均勻的攪拌后,水泥顆粒和碳納米纖維之間在極化作用和吸附作用下,碳納米纖維的表面迅速被C-S-Н 包裹,碳納米纖維由于具有納米尺寸效應(yīng)從而成為被水泥水化產(chǎn)物附著的核心點(diǎn)[4]。水泥的水化產(chǎn)物C3S 由于可以快速大量附著在由碳納米纖維充當(dāng)?shù)暮诵狞c(diǎn)上從而被更大程度的促進(jìn)。進(jìn)而使C3A 和C3S 最終的水化產(chǎn)物的形態(tài)被影響,形成較強(qiáng)的界面粘結(jié)力[5]。(1) 碳納米纖維混凝土耐腐蝕原理:碳納米纖維混凝土耐腐蝕的原因可以歸納為碳納米纖維的填充橋接現(xiàn)象,將碳納米纖維摻入到水泥混凝土當(dāng)中經(jīng)充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?碳納米纖維能夠使水泥混凝土的內(nèi)部微小孔隙更加致密[6]。并且,碳納米纖維的界面效應(yīng)也能夠降低混凝土內(nèi)部孔隙率。二者相互協(xié)同作用有效地抵御水分子進(jìn)入到水泥混凝土內(nèi)部[7],從而抑制腐蝕性液體進(jìn)入到混凝土內(nèi)部造成混凝土結(jié)構(gòu)性破壞。(2) 碳納米纖維混凝土抗凍融循環(huán)剝蝕原理:碳納米纖維是具有小尺寸效應(yīng),碳納米纖維的分子量接近水泥水化產(chǎn)物C-S-Н,同時(shí)超高的長(zhǎng)徑比、超高比表面積及超強(qiáng)的力學(xué)韌性,可以修飾水泥混凝土作為脆性材料的缺陷[8]。碳納米纖維在水泥混凝土中相互交聯(lián)形成網(wǎng)絡(luò)格柵結(jié)構(gòu)并將水泥的水化產(chǎn)物固定其中。同時(shí)輔以纖維的橋聯(lián)特性,在納米層級(jí)減少裂縫的發(fā)生和防止裂縫寬度的增大,減少由于應(yīng)力集中造成的材料破壞[9]。

2 碳納米纖維分散性研究

碳納米纖維的直徑為納米級(jí)尺寸長(zhǎng)度為微米級(jí)尺寸,超大的長(zhǎng)徑比和超強(qiáng)的韌性使得碳納米纖維之間極易相互糾纏為顆粒狀態(tài),并且碳納米纖維為惰性材料,化學(xué)鍵穩(wěn)定,難激發(fā)活性,從而不易溶于水或一般有機(jī)試劑[10]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),若使用未經(jīng)分散的碳納米纖維改良水泥混凝土材料,在混凝土內(nèi)部碳納米纖維呈現(xiàn)不規(guī)則、不均勻分布的狀態(tài)。不能很好地發(fā)揮碳納米纖維的優(yōu)異性能。所以在使用碳納米纖維改良水泥混凝土性能之前需先使用分散劑對(duì)碳納米纖維進(jìn)行預(yù)處理,增強(qiáng)碳納米纖維的分散性,提高碳納米纖維在水泥凝土中的溶解和分散效果,使其能夠均勻地分散在水泥混凝土內(nèi)部。研究使用的分散劑為 LSP 型聚羧酸減水劑,產(chǎn)地為江蘇龍華材料有限公司,pН 值為7.1～8.2,減水率為 30%～40%,固含量為 25%,建議使用比重為 0.15%

碳納米纖維分散試驗(yàn)過(guò)程如下:

采用НK-320L 超聲分散儀用于分散碳納米纖維,用量杯量取120mL 蒸餾水注入燒杯中編號(hào)1～9 組,每組稱25mg 碳納米纖維,稱取聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基苯磺酸鈉、聚羧酸減水劑三種分散劑,加入1～9 組燒杯中,攪拌制備不同濃度和不同種類的分散劑溶液,然后將碳納米纖維加入到1～9 組的分散劑溶液當(dāng)中,進(jìn)行分散,超聲分散參數(shù)為:運(yùn)行20s,停歇5s,試驗(yàn)環(huán)境溫度控制在35℃。而后將分散完畢的碳納米纖維懸浮液注入編號(hào)為1-9的廣口瓶中靜置觀察分層離析情況;并且將碳納米纖維懸浮液裝入10mL 離心管中,用4000r/min 電動(dòng)離心機(jī)離心分離后觀察碳納米纖維的離心分離情況。離心過(guò)程中每隔3min 停下觀察記錄一次。根據(jù)分散試驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論:聚羧酸減水劑分散碳納米纖維的效果最好,分散時(shí)間為 42min,濃度為 0.7g/L,分散功率為 45%。

3 碳納米纖維混凝土制備

橋梁墩柱混凝土在施工工程中常用水灰比為 0.38,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況,混凝土水灰比確定為 0.38;添加1.02% 聚羧酸減水劑。控制坍落度在 180～220 mm。本研究結(jié)合工程實(shí)際和結(jié)構(gòu)混凝土耐久性基本要求,得出滿足設(shè)計(jì)和施工要求的試驗(yàn)室水泥混凝土配合比為:強(qiáng)度:C50;水 泥:435kg/m3；水:171kg/m3；砂:766kg/m3；石:1101kg/m3；減水劑:4.33kg/m3；碳納米纖維:1.5kg/m3。空白對(duì)照組的配合比與試驗(yàn)室配合比相同,但不加碳納米纖維。

4 碳納米纖維混凝土耐久性研究

4.1 抗腐蝕性研究

4.1.1 試驗(yàn)方法

將養(yǎng)護(hù)28 天的混凝土試件放入10%的Na2SО4和5%的MgSО4復(fù)合鹽腐蝕溶液中進(jìn)行進(jìn)行浸泡,試驗(yàn)過(guò)程中控制環(huán)境及溶液溫度在20℃左右,每35 天更換一次鹽溶液,目的是保證溶液濃度不變。本試驗(yàn)以質(zhì)量損失變化作為評(píng)價(jià)指標(biāo),每隔35 天擦干試件表面水分后,用電子天平測(cè)量試件重量。

4.1.2 試驗(yàn)外觀分析

試件在腐蝕性溶液中浸泡180 天后,時(shí)間外觀未見(jiàn)明顯變化,未添加碳納米纖維混凝土的試件表面出現(xiàn)了少量白色絮狀物和鹽類結(jié)晶,邊角有輕微的剝落。添加碳納米纖維的水泥混凝土試件無(wú)明顯變化,如圖1 所示。

圖1 耐腐蝕性試驗(yàn)試件外觀Fig.1 Appearance of corrosion resistance test specimen

4.1.3 質(zhì)量損失率分析

對(duì)摻碳納米纖維混凝土和未摻碳納米纖維混凝土兩種試件在復(fù)合鹽溶液中經(jīng)180 天浸泡后混凝土質(zhì)量損失率進(jìn)行匯總,如圖2 所示。

圖2 耐腐蝕性試驗(yàn)質(zhì)量損失率統(tǒng)計(jì)Fig.2 Statistics of mass loss rate in corrosion resistance test

從圖 2 中可以看出,未摻加碳納米纖混凝土的試件經(jīng)過(guò)180 天的浸泡腐蝕后其質(zhì)量增加,這說(shuō)明在復(fù)合鹽溶液中,溶液中的鹽類滲透進(jìn)了混凝土內(nèi)部,隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng),混凝土孔隙中的鹽類積累越來(lái)越多,逐漸飽和發(fā)生結(jié)晶,后產(chǎn)生膨脹破壞;而摻加了碳納米纖維混凝土的試件由于碳納米纖維在納米層級(jí)對(duì)水泥混凝土起到填充作用,使材料密實(shí)能抵抗腐蝕性鹽隨著溶液進(jìn)入到混凝土內(nèi)部,從而起到了抗腐蝕性破壞的作用。

4.2 抗凍性能

4.2.1 試驗(yàn)方法

本文采取快凍法進(jìn)行混凝土抗凍性試驗(yàn)。將棱柱體試件養(yǎng)護(hù)28 天后,放入快速凍融循環(huán)機(jī)進(jìn)行抗凍性試驗(yàn)。凍融循環(huán)溫度為6～-20 ℃,一次循環(huán)時(shí)間為3～6 h,一天循環(huán)4～6 次,每15 次或25 次循環(huán)測(cè)量一次質(zhì)量損失。

4.2.2 試驗(yàn)外觀分析

混凝土試件在試驗(yàn)室快速凍融循環(huán)下外觀發(fā)生明顯變化。添加0.15% 碳納米纖維的水泥混凝土試件,試件表面完好無(wú)損;未添加碳納米纖維的混凝土試件,試件表面粗糙出現(xiàn)許多麻點(diǎn)和蝕坑,表面膠凝材料流失,表面細(xì)集料裸露,出現(xiàn)起砂現(xiàn)象,嚴(yán)重者表面細(xì)集料完全脫落。具體變化如圖3 所示。

圖3 抗凍性試驗(yàn)試件外觀Fig.3 Appearance of the frost resistance test specimen

4.2.3 質(zhì)量損失率分析

水泥混凝土試件經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后,混凝土整體外觀發(fā)生明顯的變化,對(duì)摻碳納米纖維混凝土和未摻碳納米纖維混凝土兩種試件在凍融循環(huán)后混凝土質(zhì)量損失率進(jìn)行匯總。如圖4 所示。

圖4 抗凍性試驗(yàn)質(zhì)量損失率統(tǒng)計(jì)Fig.4 Statistics of quality loss rate in frost resistance test

從圖4 中可以看出,摻加碳納米纖維的水泥混凝土試件的質(zhì)量損失率曲線為一條平緩的直線,承受相同凍融循環(huán)次數(shù)的情況下,質(zhì)量損失很小,表現(xiàn)出非常優(yōu)良的抗凍融循環(huán)性能。與之相對(duì)應(yīng)的是未摻加碳納米纖維的水泥混凝土試件,質(zhì)量損失率最高達(dá)2.2%。這主要是由于碳納米纖維起橋接作用,既阻止了水分的進(jìn)入又降低了由于溫度應(yīng)力帶來(lái)的混凝土內(nèi)部孔隙的應(yīng)力集中,減輕了受凍融循環(huán)造成的開(kāi)裂剝蝕破壞。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要研究了碳納米纖維的分散特性以及在水泥混凝土中摻加了碳納米纖維后對(duì)水泥混凝土的耐腐蝕、抗凍融循環(huán)剝蝕性能的改善。研究結(jié)果證明,碳納米纖維以聚羧酸減水劑為分散劑時(shí)分散效果最理想。碳納米纖維能夠有效地提高水泥混凝土的硫酸鹽腐蝕性能以及有效地避免水泥混凝土因凍融循環(huán)造成的剝蝕破壞,在橋梁下部結(jié)構(gòu)中具有非常大的應(yīng)用前景。由于篇幅限制,本研究關(guān)于碳納米纖維對(duì)抵抗硫酸鹽的內(nèi)源性腐蝕的效果及未能做更加詳細(xì)深入的研究,后續(xù)應(yīng)對(duì)課題進(jìn)行深入量化的研究。