水泥为海螺牌P.O 42.5普通硅酸盐水泥,28 d实测强度51.6 MPa; 粉煤灰等级为Ⅱ级,细度为18.2%,烧失量为2%,SO₃质量分数为0.3%; 砂为河砂,细度模数2.57; 碎石为花岗岩碎石,粒径级配为10～20 mm,表观密度为2 650 kg/m³,堆积密度为1 410 kg/m³,压碎指标为9%; 减水剂为科之杰新材料集团生产的pohnt-ys型引气减水剂; 阻锈剂为厦门凯景实业有限公司生产的KJ-R钢筋阻锈剂; 钢纤维为宜兴市华源金属纤维有限公司生产的剪切型钢纤维,长度为30 mm,等效直径为0.5 mm,长径比为60.2,抗拉强度为620 MPa.

混凝土设计强度为C40,水胶质量分数为0.41,根据钢纤维、粉煤灰和阻锈剂掺量的不同,共设计了10种配合比方案,如表1所示.

表1 混凝土配合比
Tab.1 Mix proportion of concrete

腐蚀试验装置如图1所示,采用直流稳压电源模拟杂散电流,电源正极与石墨板连接,电流经防腐箱内导电溶液进入试件阳极面(石墨板一侧的试件表面),穿过试件从阴极面(钛网片一侧的试件表面)流出,最后经另一侧防腐箱内导电溶液和钛网片返回到电源负极.为防止导电溶液泄露,试件与防腐箱的接缝处采用中性硅胶密封,该装置可构建一个类似地铁杂散电流腐蚀的模拟环境,可以对材料进行加速腐蚀试验研究.

根据正交试验的设计方法,以钢纤维混凝土的强度损失率为评价指标,以钢纤维体积率(A-SF)、粉煤灰掺量(B-FA)、阻锈剂掺量(C-CI)和导电溶液(D-CS)为影响因素,采用极差分析法进行分析,确定影响因素主次作用的排序.正交试验的因素水平值如表2所示,依据正交试验设计原理,采用四因素三水平的正交设计安排表L₉(3⁴)进行试验.

试验方案如表3所示,对9组试件(共27个试块)进行了腐蚀试验,试件龄期为300 d; 试件按钢纤维、粉煤灰、阻锈剂掺量的水平值和导电溶液进行编号,A为钢纤维、B为粉煤灰、C为阻锈剂、D为导电溶液,数字1～3分别代表3个水平值或导电溶液类别(见表2),如A1-B1-C3-D2试件表示钢纤维体积率为0.5%,粉煤灰掺量为0%,阻锈剂掺量为4%,导电溶液为NaCl-3%.

1-直流电源; 2-石墨板; 3-钛网片; 4-钢纤维混凝土试件; 5-防腐箱; 6-导电溶液.

图1 腐蚀试验装置
Fig.1 Setup for corrosion test

采用不同浓度的NaCl溶液作为导电溶液,研究杂散电流与Cl^-共同腐蚀作用下,混凝土强度损失率和Cl^-浓度之间的关系.参考郭占荣等^[3]的研究成果,

表2 正交试验因素水平表
Tab.2 List of factor level for the orthogonal experiment

表3 正交试验方案设计
Tab.3 Design of orthogonal experiment

本次试验中NaCl溶液的Cl^-质量分数取值范围设定为1%～3%.

试验方案如表4,对3组试件(共9块试块)进行了腐蚀试验,试件龄期为330 d,试件的钢纤维体积率为1.5%,粉煤灰掺量为15%.试件按导电NaCl溶液的质量分数值进行编号,如D2-3试件,D2表示导电溶液为NaCl溶液,3表示溶液Cl^-质量分数为3%.

表4 不同质量分数NaCl溶液的试验方案
Tab.4 Test schemes for NaCl solution of different concentration

研究在腐蚀作用下钢纤维体积率与材料强度损失率之间的关系.试验方案如表5所示,对4组试件(12块试块)进行了腐蚀试验,试件龄期为330 d.试件按钢纤维体积率进行编号,A表示以钢纤维体积率为变量,数字00、05、10、15分别表示钢纤维体积率为0%、0.5%、1.0%、1.5%.

表5 不同钢纤维体积率的试验方案
Tab.5 Test schemes for different steel fiber content

钢纤维混凝土试件参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2002)^[17]测试其抗压强度.试件承载面为阳极面和阴极面,荷载方向与电流流过试件的方向一致,试件加载如图2所示.

本文中采用材料强度损失率K_c为材料抵御杂散电流腐蚀的评价指标,按式(1)计算.

K_c=(f_c-f'_c)/(f_c),(1)

式中:f_c为对比试件的抗压强度; f'_c为腐蚀后试件的抗压强度.对比试件为未腐蚀试件,与腐蚀试件为同批次制作,数量为3个.

图2 试件加载示意图
Fig.2 Test setup of the compressive strength

采用极差分析法进行分析,结果如表6所示.可以看出各因素对K_c影响的主次顺序为:A-SF>D-CS>B-FA>C-CI.A-SF和D-CS具有主要作用,B-FA和C-CI具有次要作用.

表6 正交试验的极差计算结果
Tab.6 The orthogonal experiment result of range analysis

图3说明了4个影响因素与K_c之间的关系,图3中横坐标字母代表影响因素,数字代表影响因素的水平值(与表2对应).影响因素与K_c的关系如下:

1)随着钢纤维体积率的增加,K_c先减少后增大.说明适量的钢纤维有助于提高材料的抗腐蚀性能,过多的钢纤维体积率反而不利于材料的抗腐蚀性能.

2)增大粉煤灰掺量有助于减小K_c.少量的粉煤灰掺量对于抗腐蚀性能的作用并不明显,当掺量增大至一定数量后则显著提高了材料的抗腐蚀性能.粉煤灰的掺入可改善混凝土内部微观结构^[18-20]和提高材料的电阻率^[21],从而提高Cl^-入侵的难度和减小杂散电流的强度,进而达到提高材料耐久性能的目的.

3)K_c与阻锈剂掺量呈负相关关系,即K_c随着阻锈剂掺量增加而减小.由于阻锈剂成分中的亚硝酸根(NO^2-)能够促使金属钝化膜的修复^[22],所以增加阻锈剂掺量有助于延缓钢纤维锈蚀,减小K_c,提高材料的抗腐蚀性能.

4)K_c与导电溶液类别有较大关系,在不同导电溶液中材料的腐蚀程度差异巨大,如图4所示.试验中以NaCl溶液为导电溶液的试件腐蚀程度最严重,自来水的试件次之,饱和Ca(OH)₂溶液的试件最轻.在以NaCl溶液为导电溶液的试验中,各组试件的腐蚀程度差异较大,如试件A2-B3-C2-D2的K_c仅为4.4%,不足试件A3-B2-C1-D2的1/10,表现出较好的抗腐蚀性能.

图3 钢纤维混凝土强度损失率的影响因素分析
Fig.3 Analysis of influence factors on strength loss rate of steel fiber concrete

试验结果分析可得,A2(A-SF为1%)、B3(B-FA为30%)、C3(C-CI为4%)为杂散电流环境下耐久性能最佳的配比组合.工程实践中,可依据此结果进行配合比设计,以获得耐久性能较佳的材料.

图4 不同导电溶液腐蚀试件阴极面照片对比
Fig.4 Comparison between cathode surface of different conductive solution for corrosion specimen

图5为腐蚀后材料抗压强度和K_c与Cl^-浓度的关系曲线,曲线显示K_c与Cl^-质量分数成正相关性.随着NaCl浓度的提高,材料腐蚀后的强度减小,K_c增大.

图5 NaCl浓度对材料强度损失率的影响
Fig.5 The effect of sodium chloride concentration on material strength loss rate

试验显示Cl^-和杂散电流腐蚀共同作用下,对材料强度损失具有显著的影响.Cl^-在杂散电流作用下具有更强的渗透能力^[23],基体材料内的裂缝会加速Cl^-的侵蚀^[24],二者共同作用加快了材料的腐蚀速度.Cl^-质量分数越高,材料的腐蚀速度越快,腐蚀程度越严重.钢纤维锈蚀产物会对基体产生涨裂力,当该力的涨裂作用大于钢纤维的阻裂作用时,基体的裂缝开始生成并拓展,直至形成通缝(如图6所示),这是材料强度显著降低的原因.

图6 试件各面锈蚀裂缝情况
Fig.6 Corrosion and cracking on each surface of specimen

图7为钢纤维混凝土腐蚀前、后材料强度和K_c与A-SF之间的关系曲线.随着A-SF的增加,材料强度逐渐增强,而腐蚀后的材料强度则先增大后减小,K_c呈先变小后增大的特征.

适量的钢纤维掺入能够有效地阻滞基体混凝土裂缝的开展,提高材料的强度.在A-SF逐渐增大的初期,钢纤维对基体材料的阻裂作用大于纤维锈蚀后的涨裂作用,有效抑制裂缝的形成,提高了材料的强度和耐久性能,K_c呈现减小的特征.

过量的钢纤维易使基体密实度降低,不利于抵御Cl^-的入侵,锈蚀后产生的涨裂作用大于其阻裂作用,促使裂缝的形成和扩展.杂散电流和裂缝的共存使得Cl^-加速入侵,钢纤维锈蚀加快,材料的腐蚀程度加剧,强度损失增大.在图7中,表现为在A-SF大于0.5%时,K_c逐渐增大.

钢纤维体积率存在最佳数值.采用最佳钢纤维体积率进行配合比优化设计,可充分发挥钢纤维阻滞基体材料开裂的作用,降低K_c,提高材料耐久性能.如试件A-05的K_c为9.4%,分别是试件A-00、A-10和A-15的0.60,0.38和0.29倍,最佳钢纤维体积率约为0.5%.本文中未对最佳掺入量的数值范围进行研究,仅揭示了钢纤维体积率与K_c间的关系.

图7 钢纤维体积率对材料强度损失率的影响
Fig.7 The effect of steel filer content on material strength loss rate