腐蚀对含矿渣和缓蚀剂钢纤维混凝土强度性能的影响

摘要

在钢筋混凝土和钢纤维混凝土中，钢的腐蚀都是有害的。本文系统地评价了钢纤维混凝土在腐蚀环境下的腐蚀过程。混凝土试样中加入1.5%的钢纤维夹杂物(体积分数)的混凝土，并加入矿渣基混凝土(含人造砂)，并以总粘结剂的20%、40%和60%替代水泥。在初始应力为极限应力的40%和60%的情况下，采用交替湿润和干燥循环进行加速腐蚀研究。混凝土试件在初始应力作用后浸泡在无氯水和3.5%氯化钠溶液中。不同混凝土混合料的交替润湿和干燥过程持续暴露更长时间(6个月)。随后，在加速腐蚀过程中强度退化进行了压缩和弯曲试验评估。试验结果表明，钢渣掺量较高的钢纤维混凝土和含缓蚀剂的混凝土强度劣化程度较低。在含有钢纤维的素混凝土中，强度下降幅度最大，随着钢渣的加入，腐蚀电位显著降低。当炉渣置换量增加到60%时，抗弯强度显著提高。试验结果还表明，在胶凝体系中加入缓蚀剂可以控制钢纤维混凝土的腐蚀过程。

1.介绍

钢筋混凝土构件的腐蚀过程由于其使用寿命的降低，在目前的施工实践中需要引起更多的关注。由于腐蚀过程的原因，混凝土构件中的夹杂物是不可避免的，因此在设计混凝土构件时需要更加细致的技术。正确选择混凝土成分和精心的配合比可以提供一个高度集成的混凝土，这可以大大减少腐蚀的起始过程。人们发现了更多有前途的方法来保护混凝土中的钢筋。多项研究表明，采用防腐剂、阴极保护牺牲阳极、环氧涂层等方法在钢筋表面进行防腐处理具有优越性。然而，混凝土施工成本是执行基础设施项目的一个重要因素，因此，额外的保护技术可能会增加成本。因此，最好能找到一种经济有效的技术，选择合适的混凝土来保护钢筋不受腐蚀[1，2］．掺入钢纤维的矿物掺合料可显著改善材料的微观结构性能，使孔隙结构更加细化。此外，腐蚀过程是由于劣质的混凝土覆盖材料而发生的。这是腐蚀开始的入口点，因此，腐蚀过程在短时间内被加速。然而，钢是纤维增强混凝土的主要应用，并发现在没有钢筋的情况下提供高质量建筑的潜在优点，因此，任何昂贵的处理方法都不适用于钢纤维的表面处理[3.，4］．由于均匀化的钢纤维分布，纤维增强混凝土的腐蚀过程是显著的，因此，在设计混凝土成分时必须更加小心。在这一方向上，水泥替代品如粉煤灰、磨碎的粒状高炉矿渣、硅灰通常用于混凝土施工，以节省成本[5- - - - - -8］．添加这种补充材料是降低钢纤维混凝土混合物腐蚀电位的一种选择。在这一方向进行的许多研究都集中在钢筋混凝土构件的钢筋腐蚀上，在钢筋混凝土构件中加入不同的工业废料以改善混凝土的孔隙特性[9，10］．这种有益的粘结材料的添加显示了增强的腐蚀过程的性能。在另一项研究中，观察到其暴露在腐蚀性氯化物环境中开始腐蚀的过程，并持续较长时间，导致腐蚀性腐蚀过程[11- - - - - -13］．研究还表明，高掺量粉煤灰掺钢纤维钢筋混凝土对腐蚀电位有良好的降低作用。确定了不同粉煤灰替代混凝土在腐蚀过程中的腐蚀厚度[14，15］．采用应变计原理测量了粉煤灰基纤维增强混凝土的应变变化率，粉煤灰基纤维增强混凝土具有较小的腐蚀潜力和混合料类型。过去进行的研究表明，需要重点研究钢纤维掺入混凝土中腐蚀的影响。此外，钢筋混凝土构件的加速腐蚀过程需要进一步研究，以了解其结构效率。水泥中掺入的矿渣等粘结材料也需要仔细研究。

1．1.的研究意义

本文研究了磨粒高炉矿渣和缓蚀剂对钢纤维混凝土腐蚀过程的影响。研究了填充粘结材料(矿渣)对改善钢纤维混凝土抗压、抗弯等强度性能的意义。对增强的界面特性和水泥与纤维之间的粘结应力也进行了系统的研究。

2.实验调查

本研究中使用的混凝土制作材料的细节如下。

2．1．水泥

采用53级普通硅酸盐水泥，比重为3.14，细度模量为2.56，一致性极限为32%，初凝时间为165 min，水泥终凝时间为255 min。

2．2.骨料使用

符合IS 383-1970 III区规定的破碎花岗岩废料，如人造砂(m砂)[16]作为细骨料填料。m砂的比重值为2.45，松散容重值为1600 kg/m^3.．粗骨料采用破碎花岗岩，通过20 mm和12 mm，比重为2.64，符合IS 383-1970。

2．3.矿渣微粉

磨粒高炉矿渣的物理性能为:比重3.43，细度模数3.35。化学性质为:碳(C) 0.24%，锰(Mn) 0.58%，硫(S) 0.05%，磷(P) 0.06%，游离二氧化硅6.10%，铁(Fe) 92.97%。以粘结剂重量的20%、40%和60%代替水泥。

2．4．化学外加剂

为了改善混凝土的和易性，避免混凝土在低含水率时的粗糙性，必须添加化学外加剂。在本研究中，聚羧酸醚基高效减水剂的最佳用量为1.5%(按水泥质量计算)。配制混凝土试样的混合水不含氯化物和硫酸盐。此外，还添加了按钢纤维重量计算的0.3%、0.6%和0.9%的防腐蚀缓蚀剂。

2．5．粘钢纤维

胶合钢纤维如图所示1材料的各种性能如下:长度60 mm，直径0.75 mm，长径比80，破坏应变3 ~ 5%。钢纤维由钩端组成，以提供足够的端锚和混凝土基体中的粘结强度。将粘合好的钢纤维用水溶性胶捆扎在一起，加入混凝土后，钢纤维在混凝土中均匀溶解并分散。

2．6．混凝土配合比及养护

按照IS 10262-2009设计M40高强混凝土等级[17]，具体混凝土配合比见表1．传统的混凝土混合料中含有100%的人造砂(m砂)。矿渣置换量分别为水泥的0%、20%、40%、60%。所有混凝土混合料的理想和易性均使用超塑化剂，其最大用量限制为粘结剂重量的1.5%。一个容量为40升的卧式盘式混合器用于混合组成材料。新混凝土分别浇注在尺寸为100mm × 100mm的钢模和尺寸为100 × 100 × 500mm的梁模中，测试其抗压和抗弯强度性能。标本在一天后进行重塑，并在水箱中固化C为不同的养护天数(28、56、90、180天)。

2.7。实验测试过程

2.7.1。加速腐蚀过程

交替的湿润和干燥循环是为了加速变质过程。同样，混凝土的初始加载反映了混凝土承受恒载的实时情况，并导致应力诱发微裂缝的开裂。这实际上为加速腐蚀机理的过程提供了真正的量化。因此，混凝土上的初始应力会打开微裂缝，并传播水和氯离子渗透混凝土试件，从而引发钢纤维的腐蚀过程。最初，试件需要28天的固化时间，随后初始应力达到极限荷载的40%和60%。随后，对试样进行28天的干湿交替循环。这一过程将持续6个月，随后对混凝土试件进行了测试。试件受力后，在无氯水(养护槽)中浸泡1天，取出置于100℃热风烘箱中干燥1天。这个过程持续28天，直到测试结束。

另一组混凝土试件也采用了类似的方法，试件在3%浓度的氯化钠溶液中养护，立方体和梁浸泡在溶液中的快照如图所示2(一个)和2 (b)分别;采用相似周期评价不同养护期至6个月的强度退化情况。记录不同时间段的抗压强度和抗弯强度损失，并进行系统分析。同时，对不同混凝土在加速腐蚀环境下腐蚀6个月后的钢纤维厚度进行了测量。

2.7.2。机械测试

压缩试验在能力为2000kn的万能压缩试验机中进行，加载速率为2.5 kN/sec(如图)3.)，在位移控制机上以0.5 mm/min的速度进行弯曲试验(如图所示)4）.弯曲试验按照标准规范在第三点加载试验设置进行。用螺旋规测量了钢纤维因腐蚀而造成的直径损失。首先，用金刚砂纸将生锈的钢纤维表面清洗干净，然后沿着纤维长度的不同点进行测量。

3.实验测试结果与讨论

3.1。干湿交替循环对腐蚀的影响

不同钢纤维混凝土试件在水、盐溶液中经受初始应力和养护后的试验结果如图所示5．施加在试件上的初始应力加速了腐蚀过程，并有助于评估普通、矿渣和缓蚀剂替代混凝土试件的腐蚀过程。试验结果表明，矿渣替代混凝土的抗压性能达到了40 N/mm以上的合理强度²(28天)高于参考混凝土。而在40%矿渣混凝土掺量为1.5%时，则有明显的增加趋势(体积分数)的钢纤维混凝土混合料。记录到的强度高达49.80 N/mm²含40%矿渣1.5% ()，比对照混凝土(GGC1)高13.96%，如图所示5．由于腐蚀直径的增加导致随后的抗压强度和破坏模式的增加，如图所示6．据了解，钢纤维替代混凝土的强度增加是由于腐蚀的纤维在基体中更好地粘结。锈蚀钢纤维的离散取向和体积的增加导致基体发生连锁。这最终导致了混凝土强度的增加，据报道，暴露时间更长，可达6个月的干湿循环。在20%炉渣和1.5%钢纤维的情况下也观察到类似的趋势(体积分数)。此外，与矿渣替代混凝土相比，缓蚀剂的添加也提供了相应的强度提高。可以明显地看到，添加矿渣和缓蚀剂后，40%的受力混凝土试件的腐蚀得到了良好的降低(如图所示)7）.从试验结果可以推断，混凝土体系的基体性能的改善是由于与粘结剂颗粒更紧密的颗粒堆积。这最终促成了一个发展良好的基质体系，低孔隙率和高密度的砂浆相，从而改善了抗压性能。当矿渣添加量为20%时，抗压强度有所提高，最佳添加量为0.6%的缓蚀剂性能也有所提高(如图所示)8）.注意到混凝土的受力是有害的，因此，添加矿渣是有利的，并发现添加外加剂可以减少腐蚀过程。在正常水中，经受干湿交替作用的养护混凝土试样强度没有显示出明显的降低。同样，在较高应力(极限应力的60%)时，需要加入高达60%的高体积渣置换，并已显示出良好的改善效果。据了解，与普通混凝土和缓蚀剂替代混凝土相比，钢纤维的腐蚀造成了素混凝土的大幅减少。但在氯化物环境中，由于腐蚀速率加快，腐蚀效果加快。

３．２．抗弯强度

不同钢纤维混凝土的抗弯强度试验结果如图所示9．在初始加载至40%应力时，40%矿渣替代混凝土的抗弯强度不受影响。同样，在抗蚀剂(ACI)混凝土中也有良好的改善。普通水养护混凝土试样的干湿比对照混凝土有所降低，掺加矿渣后，干湿比对照混凝土有较好的改善。试验结果表明，混凝土腐蚀导致基体与钢纤维界面之间形成有效的粘结。这实际上提供了足够的抗拉能力，从而增加了抗弯承载力。如图所示，抗折强度有所提高;另一方面，抗压强度出现了强度折减现象。可以理解，加速腐蚀导致了氯化钠离子的侵入，而氯化钠离子没有对强度增益造成足够的减速。混凝土劣化的效果如图所示10腐蚀梁挠曲试验试件如图所示11．实验趋势如图所示12展示各种钢纤维混凝土在盐溶液中初始应力作用下的弯曲结果。值得注意的是，即使在盐水中发现腐蚀的严重程度更高，强度损失也没有观察到。与钢纤维混凝土相比，素混凝土发生表面侵蚀可能是由于钙离子的淋溶导致表面粗糙。此外，在矿渣混凝土和添加缓蚀剂的混凝土中，钢纤维混凝土的腐蚀效应未见报道。结果表明，与不含矿渣和缓蚀剂的参考混凝土相比，其强度增益更高。

分析不同混凝土混合料破坏后腐蚀的影响，混凝土试件腐蚀程度如图所示13．钢纤维直径的减小表明了腐蚀的程度，如图所示14．从素混凝土中可以很容易看出，钢纤维的腐蚀程度更高，高达52.00% (GSF5)。当钢渣掺入量达到60%时，钢纤维的腐蚀降低率为25.33% (GSF8)。在素钢纤维混凝土中加入缓蚀剂后，腐蚀电位显著降低，降幅达6.66% (ACI-3)。在不同的混凝土混合料中，不同钢纤维直径的减小表明了混凝土中发生的腐蚀程度(如图所示)15）.这可以对钢纤维混凝土试件的腐蚀程度进行定性和定量的评价。

4.结论

基于实验研究，在实验结果的限制范围内得出以下结论。(我)钢纤维混凝土试件的压缩性能在暴露于快速腐蚀过程中受到影响。(2)普通水养护和盐养护下全钢纤维混凝土的湿、干交替循环在养护28天后出现快速腐蚀过程。(3)初始应力对钢纤维混凝土试件的影响报告了钢纤维在混凝土体系中的腐蚀过程的加快。这为预测不同混凝土系统的腐蚀潜力提供了可靠的估计。(iv)研究发现，与普通钢纤维混凝土相比，钢渣掺入钢纤维混凝土的压缩性能得到了良好的改善。(v)与正常水养护的混凝土试件相比，盐溶液浸泡的混凝土试件表面退化速度更快，钢纤维腐蚀速度更快。(vi)掺有矿渣和缓蚀剂的钢纤维混凝土试件强度均有明显提高。这可能与矿渣混凝土微观结构性能的改善和缓蚀剂对钢纤维腐蚀强度的降低有关。(七)40%矿渣替代混凝土的抗压强度为54.49 MPa，添加0.6%的缓蚀剂时抗压强度为52.50 MPa。(八)掺有矿渣替代剂(60%)和缓蚀剂(0.9%)的钢纤维混凝土的抗弯强度也有所提高。在初始应力高达40%的情况下，在剧烈的干湿循环作用下，矿渣替代混凝土的最大抗弯强度为5.89 Mpa。(第九)腐蚀强度随钢纤维直径的减小而测定，并可以用腐蚀电位的百分比来预测腐蚀程度。用矿渣和缓蚀剂替代混凝土的腐蚀率最大分别降低25.33%和6.67%。(x)在钢渣替代钢纤维混凝土的情况下，腐蚀电位最大可降低25.33%。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

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