微硅粉与Forta-Ferro纤维协同提升混凝土在硫酸侵蚀下的力学性能与耐久性：实验研究与预测模型

《Results in Engineering》：Influence of sulfuric acid attack on mechanical properties, impact resistance, and electrical resistivity of concrete incorporating microsilica and forta-ferro fibers: Experiments and predictions

为解决混凝土在酸性环境（尤其是硫酸侵蚀）下耐久性差、力学性能退化的问题，研究人员开展了微硅粉(MS)与Forta-Ferro(FF)纤维协同改性混凝土的实验研究。结果表明，MS与FF纤维的优化组合（7.5–15% MS+0.8% FF）可显著降低强度损失5–40%，提升抗冲击性和体积电阻率，并建立预测模型为工业基础设施耐久性设计提供有效策略。

　　

混凝土作为建筑工业的基础材料，尽管具有诸多优势，却在酸性环境中表现不佳。特别是在硫酸侵蚀下，混凝土会经历逐渐劣化、耐久性丧失和力学性能下降的过程。工业快速发展导致自然水体和土壤酸化问题日益严重，酸性环境对混凝土结构的侵蚀不仅缩短其使用寿命，还需频繁修复和重建，消耗大量自然资源和能源，并加剧温室气体排放。此外，混凝土抗酸性差还会导致饮用水资源污染、空气污染加剧等一系列公共健康问题。因此，提升混凝土在化学侵蚀下的耐久性和抵抗能力，不仅具有经济意义，对保障公众健康和提高生活质量也至关重要。

在这项发表于《Results in Engineering》的研究中，伊朗马赞德兰大学的研究团队系统探讨了微硅粉(Microsilica, MS)和Forta-Ferro(FF)纤维对混凝土在硫酸侵蚀下力学性能、抗冲击性及电学性能的协同改善作用。研究通过制备9种不同配合比（MS：0、7.5、15%水泥重量；FF纤维：0、0.4、0.8%混凝土体积）的混凝土试件，将其浸泡于5%硫酸溶液中45天和90天，并与非酸性条件下的参照试件进行对比。评估参数包括抗压强度、抗拉强度、冲击吸收能、体积电阻率以及外观形貌变化。结果表明，单独使用MS或FF纤维对耐酸性能改善有限，而二者优化组合可显著提升混凝土在侵蚀环境下的综合性能。

研究人员主要采用标准化的混凝土试件制备与养护方法，包括圆柱体试件（抗压、抗拉、电阻率测试）和圆盘试件（冲击测试）。通过坍落度测试控制工作性，使用振动台去除气泡，并按规定进行水养护。酸性暴露实验采用浓度可控的硫酸溶液，定期调整pH值。力学性能测试包括抗压强度（ASTM C109）、劈裂抗拉强度（ASTM C496）和冲击阻力（ACI 544落锤法）。体积电阻率测试依据AASHTO T358，采用交流电法测量。微观结构分析通过扫描电子显微镜(SEM)观察水泥基体与纤维的界面过渡区(ITZ)。

4.1. 抗压强度

非酸性条件下，添加15% MS使抗压强度提升22.6%（从34.2 MPa至42.0 MPa），而0.8% FF纤维单独使用则降低强度28.8%。酸性暴露45天后，含15% MS的试件强度损失达33.2%，而含0.8% FF纤维的试件仅损失19.7%。90天酸浸后，MS与FF纤维组合（如M15-F0.8）强度损失为37.6%，显著低于单掺MS试件（70.3%）。研究表明，MS通过填充孔隙提升密实度，FF纤维通过桥接裂纹抑制酸蚀渗透，二者协同作用延缓了化学侵蚀进程。

4.2. 间接抗拉强度

非酸性条件下，MS与FF纤维复合使用（M7.5-F0.4）使抗拉强度提高21.2%。酸性环境中，单掺FF纤维的试件（M0-F0.8）在90天酸浸后强度损失仅1.9%，表现最佳。MS在酸性环境下会加剧脆性，而FF纤维通过应力分布和裂纹控制有效维持了抗拉性能。

4.3. 冲击阻力

FF纤维的加入显著提升混凝土的冲击能量吸收能力。非酸性条件下，M0-F0.8试件的破坏吸收能达14959.9 J，是基准试件的4倍以上。酸性暴露后，纤维增强试件仍保持较高冲击阻力，表明纤维的增韧作用在侵蚀环境下依然有效。

4.4. 表观观察（耐久性）

90天酸浸后，基准试件重量损失19.7%，直径减少14.0%。单掺MS试件性能进一步恶化，而含0.8% FF纤维的试件（M0-F0.8）重量损失仅9.2%，直径减少7.6%，表明纤维有效抑制了表面剥落和体积损失。

4.5. 体积电阻率测试

MS的加入显著提高混凝土电阻率（非酸性条件下M15-F0为307.2 Ω·m，基准为67.9 Ω·m）。酸性暴露后，所有试件电阻率下降，但MS与FF纤维复合试件（如M7.5-F0.4）仍保持较高值，说明其密实结构和裂纹控制能力延缓了离子渗透。

4.6. SEM分析

微观结构显示，酸蚀导致基准试件孔隙增多、微裂纹扩展。单掺MS试件在非酸性条件下结构致密，但酸蚀后出现明显孔洞。FF纤维与MS复合使用时，纤维与水泥基体界面结合增强，界面过渡区(ITZ)更为完整，提升了整体力学稳定性。

该研究通过实验验证了微硅粉(MS)与Forta-Ferro(FF)纤维在提升混凝土耐酸性能方面的协同效应。优化配比（7.5–15% MS与0.8% FF纤维）可显著降低强度损失、提高冲击韧性和电阻率，并抑制酸蚀引起的形变。建立的预测模型为酸性环境下混凝土耐久性设计提供了理论依据。研究强调，单一添加剂作用有限，而MS与纤维的复合使用可通过微观密实化和宏观裂纹控制的互补机制，显著提升混凝土在工业酸性环境中的长期服役性能，对延长基础设施寿命、降低维护成本具有重要工程价值。