玄武巖纖維改善再生混凝土抗氯離子滲透性能研究

魏 康，李 犇，孫 嶠

(1.大連大學建筑工程學院，大連 116622；2.佛山科學技術學院交通與土木建筑學院，佛山 528000)

0 引 言

隨著我國城市化發展，建筑垃圾已成為生態環境的嚴重負擔[1]，而將其應用于再生混凝土中不僅能減少環境污染[2]，還有助于實現國家“十四五”規劃中“碳達峰”“碳中和”的目標[3]。氯離子對混凝土的侵蝕是引發混凝土等水泥基材料耐久性失效的主要原因，由于再生粗骨料具有較高的吸水率和較高的壓碎指標等缺陷，再生混凝土抗氯離子滲透性能低于普通混凝土[4-6]。因此，改善其抗氯離子滲透性能的研究對再生混凝土大范圍應用具有重大意義。

諸多研究[7-8]發現在混凝土中摻入纖維能夠使其內部孔隙結構得到良好改善，進而改善其宏觀性能。玄武巖纖維相較于其他纖維具有價格低廉、耐高溫、不易銹蝕、單絲抗拉強度較高、化學性能穩定的特點，且與混凝土的密度及線膨脹系數比較接近，可以和基體更緊密地結合在一起[9-11]。董騰等[12]研究發現摻入玄武巖纖維可以提高再生混凝土的抗折強度，且在體積摻量為0.6%時提高效果最好。李曉路等[13]和劉逸等[14]研究表明再生混凝土的抗壓強度和軸心抗拉強度可以通過加入玄武巖纖維得到較好的提升，且發現加入體積摻量為0.3%的玄武巖纖維效果最佳。丁亞紅等[15]和解國梁等[16]研究發現將適量的玄武巖纖維加入到再生混凝土中，能夠明顯改善其抗凍性能和抗碳化性能。張麗娟[17]和岳秀杰[18]通過研究發現在再生混凝土中加入鋼纖維和聚丙烯纖維對提高其抗氯離子滲透性能起到了積極作用。

目前針對玄武巖纖維改善再生混凝土抗氯離子滲透性能的研究較少。本文通過電通量試驗研究了玄武巖纖維摻量對不同粗骨料替代率的再生混凝土抗氯離子滲透性能的影響，并利用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)和壓汞法(MIP)分析玄武巖纖維摻量對其影響的微觀機理，以期為再生混凝土的推廣應用提供可借鑒的理論基礎。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥選用的是廣州石井牌P·O 42.5 R級水泥。拌合水為蒸餾水。采用聚羧酸高效減水劑，其形態為液體。再生粗骨料及天然粗骨料來自佛山市建筑材料有限公司，級配良好。粗骨料及天然砂物理性能如表1所示。玄武巖纖維主要物理性能如表2所示。

表1 粗骨料及天然砂物理性能Table 1 Physical properties of coarse aggregate and natural sand

表2 玄武巖纖維物理性能Table 2 Physical properties of basalt fiber

1.2 配合比設計

本文配合比依據《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55—2011)進行設計，設計了4種玄武巖纖維體積摻量(0%、0.2%、0.4%、0.6%)，每種玄武巖纖維摻量下設計5個再生粗骨料質量替代率(簡稱粗骨料替代率，下同)(20%、40%、50%、60%、80%)，1個普通混凝土(NAC)對照組，共21組。每組制作6個相同圓柱體試件，其中3個進行電通量試驗，3個用于FTIR和MIP試驗。試驗配合比如表3所示，玄武巖纖維按體積摻量法在表3基礎上摻入。注：本文試件編號B表示玄武巖纖維，Bx表示其摻量為x%，R表示再生粗骨料，Ry表示其替代率為y%,BxRy表示玄武巖纖維摻量為x%，粗骨料替代率為y%的再生混凝土。

表3 試驗配合比Table 3 Test mix ratio /(kg·m-3)

1.3 試件制作

試件制作時采用二次攪拌法先將細骨料和玄武巖纖維干拌30 s至混合均勻狀態，再將天然粗骨料、再生粗骨料、水泥、融有減水劑的水投入，再攪拌280 s。攪拌完成時再生混凝土與玄武巖纖維的結合較為緊密，且沒有明顯的結團現象。將再生混凝土裝進φ100 mm×50 mm的圓柱體模具后，置于振動臺上振搗，24 h后進行拆模，放入標準養護箱中養護28 d。

1.4 試驗方法

電通量試驗采用NJ-AR混凝土氯離子電通量測定儀進行測試。養護結束取出試件，首先將試件側面涂抹脫氧樹脂膠進行密封，再將試件放入真空飽水機中進行真空飽水試驗，飽水結束后依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)進行電通量試驗，試驗過程如圖1所示。

FTIR試驗采用型號為天光FTIR-960的傅里葉變換紅外光譜儀進行測試。試件養護28 d后，破碎取不與表面接觸的水泥石樣品，置于真空干燥箱50 ℃下干燥48 h，將溴化鉀置于真空干燥箱120 ℃下充分干燥。選取1 mg樣品與100 mg溴化鉀置于瑪瑙研缽中進行研磨5 min后用于測試[19]。

MIP試驗采用型號為安東帕PoreMaster 60的壓汞孔徑分析儀進行測試。將養護結束的試件進行破碎取不與表面接觸的水泥石樣品，選取樣品置于試管中后立即用無水乙醇浸泡48 h以停止水化并脫水，浸泡結束后在真空干燥箱60 ℃下干燥48 h用于測試[19]。

圖1 電通量試驗過程Fig.1 Electric flux test process

2 結果與討論

2.1 抗氯離子滲透性能試驗分析

不同玄武巖纖維摻量下不同粗骨料替代率再生混凝土的電通量結果如圖2所示。

隨著玄武巖纖維摻量從0%增加到0.6%，在相同粗骨料替代率下，再生混凝土的電通量呈現先降低后升高的趨勢，這表明其抗氯離子滲透性能隨著玄武巖纖維摻量的增加先提高后降低，并且當玄武巖纖維摻量為0.2%時性能最好。究其原因是再生混凝土中加入適量的玄武巖纖維時，能夠防止裂縫的產生，進而減少外部環境中氯離子的滲透通道。并且當玄武巖纖維摻量為0.2%時，能夠均勻分布于再生混凝土中的纖維起到一種“承托”作用，抑制了再生混凝土骨料的離析以及其表面的析水，進而減少了微孔隙含量，有利于孔隙率的降低，對其抗氯離子滲透性能的提高起到了積極作用。但當玄武巖纖維摻量超過0.2%時，會在再生混凝土中出現“團聚”，此時玄武巖纖維不僅不能有效發揮增強性能，反而會因為聚集而導致孔隙變大，孔隙率升高，進而使其抗氯離子滲透性能降低。

當玄武巖纖維摻量為0.2%時，隨著粗骨料替代率的增加，再生混凝土的電通量呈現先升高后降低又升高的趨勢，在粗骨料替代率為50%時電通量最低，且比B0R50降低14.1%。原因是再生粗骨料加入到混凝土中會產生正向效應和負向效應，正向效應是指再生粗骨料的高吸水率會降低實際水灰比，增加混凝土的密實度，從而降低電通量；負向效應是指再生粗骨料本身孔隙大的缺陷會促進氯離子的滲透，增加混凝土的電通量。當粗骨料替代率較小時，由于其吸水量相對較少，產生的正向效應小于負向效應，進而造成其電通量升高，抗氯離子滲透性能降低。當粗骨料替代率增加到50%時，其吸水量相對較多，天然粗骨料和再生粗骨料形成的級配較優，同時水泥顆粒進入再生粗骨料孔隙內，其水化產物填充孔隙，并增強了新舊漿體之間的黏結力，最終使其產生的正向效應大于負向效應，所以此時電通量降低，抗氯離子滲透性能提高。而當粗骨料替代率大于50%時，過量的再生粗骨料產生的負向效應明顯大于正向效應，不利于其抗氯離子滲透性能的提高。

NAC與B0.2R50電通量對比結果如圖3所示，由圖3可知，B0.2R50電通量比NAC降低了164.5 C，其抗氯離子滲透性能較NAC提高了5%。綜上，再生混凝土中摻入適量的玄武巖纖維可以改善其抗氯離子滲透性能，最優組合是玄武巖纖維摻量為0.2%，粗骨料替代率為50%，該組合(B0.2R50)電通量最低，抗氯離子滲透性能最好，且優于NAC。

圖2 再生混凝土電通量Fig.2 Electric flux of recycled concrete

圖3 NAC與B0.2R50電通量Fig.3 Electric flux of NAC and B0.2R50

2.2 微觀機理分析

為進一步揭示最優組合摻量B0.2R50對再生混凝土抗氯離子滲透性能改善效果最好的微觀機理，本文利用FTIR和MIP對樣品NAC、B0R50、B0.2R50、B0.4R50、B0.6R50進行分析，探究在粗骨料替代率為50%時，不同玄武巖纖維摻量對其抗氯離子滲透性能影響的微觀機理。

2.2.1 FTIR分析

圖4 粗骨料替代率為50%時不同玄武巖纖維摻量下再生混凝土的紅外光譜Fig.4 FTIR spectra of recycled concrete with different content of basalt fiber when the replacement rate of coarse aggregate is 50%

2.2.2 MIP分析

圖5 孔徑分布Fig.5 Aperture distribution

粗骨料替代率為50%時，不同玄武巖纖維摻量下再生混凝土孔徑分布如圖5所示，孔隙率、總孔體積和總孔面積如表4所示。由圖5可知，NAC在20 nm范圍內的孔徑分布數量較多，混凝土孔隙結構良好，致密性好。隨著玄武巖纖維的摻入，再生混凝土孔徑分布發生改變。當玄武巖纖維摻量為0.2%時，再生混凝土在20 nm范圍內的孔徑分布曲線向上移動顯著，小于20 nm的孔徑數量明顯增多，致密性提高，有利于降低孔隙率。然而，當玄武巖纖維摻量逐漸增加到0.6%時，再生混凝土在20 nm范圍內的孔徑數量逐漸下降。由表4可知，此時孔隙率有所升高，B0.4和B0.6分別比B0.2孔隙率升高了0.559個百分點和0.636個百分點。總之，當玄武巖纖維摻量為0.2%時，再生混凝土的孔隙率最低，孔徑分布更加優化，因此其抗氯離子滲透性能更高。

表4 再生混凝土孔隙率、總孔體積和總孔面積Table 4 Porosity, total pore volume and total pore area of recycled concrete

圖6為再生混凝土總孔體積。由圖6可知，玄武巖纖維摻量為0.2%時，再生混凝土的總孔體積最小，孔隙率較低，說明適量玄武巖纖維摻入再生混凝土中，降低了再生混凝土中的孔隙含量，進而提高其抗氯離子滲透性能。圖7為再生混凝土總孔面積。由圖7可知，玄武巖纖維摻量為0.4%和0.6%時，再生混凝土的總孔面積較大，有助于外部環境中氯離子滲透到再生混凝土內部，其抗氯離子滲透性能較差，這與前文中電通量試驗結論一致。

粗骨料替代率為50%時，不同玄武巖纖維摻量再生混凝土孔結構分布如表5所示。由表5可知，當玄武巖纖維摻量為0.2%時，可以顯著提高再生混凝土無害孔、少害孔的累計孔體積百分比，比NAC及B0分別提高了3.25個百分點和3.40個百分點。表明摻入適量玄武巖纖維可以改善再生混凝土孔結構分布，有助于提高其抗氯離子滲透性能。但當玄武巖纖維摻量逐漸增加到0.4%及0.6%時，其無害孔、少害孔的累計孔體積百分比分別比摻量為0.2%時下降了8.91個百分點和9.64個百分點，因而降低了再生混凝土抗氯離子滲透性能。所以在玄武巖纖維摻量為0.2%時，再生混凝土無害孔、少害孔體積增多，有害孔、多害孔體積降低，孔結構更加優化，對提高其抗氯離子滲透性能起到積極作用。

圖6 再生混凝土總孔體積Fig.6 Total pore volume of recycled concrete

圖7 再生混凝土總孔面積Fig.7 Total pore area of recycled concrete

表5 再生混凝土孔結構分布Table 5 Pore structure distribution of recycled concrete

3 結 論

(1)玄武巖纖維可以改善再生混凝土抗氯離子滲透性能，且存在最優組合摻量，即玄武巖纖維摻量為0.2%，粗骨料替代率為50%。該組合對其抗氯離子滲透性能改善效果最好，比玄武巖纖維摻量為0%，粗骨料替代率為50%時電通量降低了14.1%，且優于普通混凝土。

(2)玄武巖纖維通過改變再生混凝土水化產物C-S-H的聚合度和CaCO3的生成改善其抗氯離子滲透性能。在最優組合摻量下，C-S-H聚合度最高，CaCO3的生成量最多，致密了再生混凝土內部孔隙，減少了氯離子通道，再生混凝土抗氯離子滲透性能得到改善。

(3)最優組合摻量下，再生混凝土孔徑分布最優，無害孔、少害孔累計孔體積百分比最高，孔隙率最小，大大阻礙了氯離子的滲透，因此對再生混凝土抗氯離子滲透性能的改善效果最好。