鹽浸—干濕循環(huán)作用后混凝土耐久性對(duì)比試驗(yàn)研究

宿曉萍，王 清

（1.長春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長春130012；2.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，長春130026）

0 引言

干濕交替作用是影響混凝土耐久性的重要因素，因此，混凝土在干濕循環(huán)作用下的性能是研究混凝土耐久性不可忽視的一個(gè)重要方面。處于干濕循環(huán)環(huán)境中的混凝土（如水位變化區(qū)的橋梁橋墩，不斷提起放下的閘門等），會(huì)長期受到干濕交替作用而發(fā)生破壞；若同時(shí)受到鹽的腐蝕，其破壞程度要比處于持久濕環(huán)境或干濕交替作用的混凝土更加嚴(yán)重。

吉林省西部地區(qū)地處松嫩平原的中南部，遼河平原的北端，是我國土地鹽堿化最為嚴(yán)重的地區(qū)之一。鹽漬土主要分布在通榆、大安、前郭、鎮(zhèn)賚、長嶺和乾安等地區(qū)。其中，吉林省大安市是松嫩平原土壤鹽漬化最嚴(yán)重的縣市之一，其境內(nèi)鹽堿化土地面積已達(dá)2.878×109m2，占該市土地總面積的59.0%，其中重度鹽堿化土地為2.138×109m2［1］。該區(qū)內(nèi)的鹽漬土屬于內(nèi)陸蘇打鹽漬型，鹽分組成中以蘇打（Na2CO3）和小蘇打（NaHCO3）為主，含有少量硫酸鹽和氯化物［2－4］。由于土壤在蘇打鹽化過程中伴隨發(fā)生堿化過程，所以蘇打鹽漬土兼有不同程度的鹽化和堿化特征［5］。而且，從化學(xué)特征看，地下水的組成中占主導(dǎo)地位的離子變化趨勢(shì)與土壤是一致的［5］。吉林大學(xué)博士生張靜曾對(duì)吉林省大安和鎮(zhèn)賚2個(gè)鹽漬土分布區(qū)進(jìn)行了春、夏、秋3個(gè)季節(jié)的土樣分析，采用滴定法和火焰光度計(jì)對(duì)土樣中易溶鹽的成分進(jìn)行了分析測(cè)定，本文選用了其中大安地區(qū)春季土樣易溶鹽含量的測(cè)定結(jié)果，如表1所示［6］。

為了研究內(nèi)陸蘇打鹽漬土環(huán)境下混凝土在經(jīng)復(fù)合鹽浸—干濕循環(huán)交替作用后的耐久性，本文根據(jù)表1大安春季土中易溶鹽含量的實(shí)測(cè)結(jié)果，按照取樣深度30cm處土中離子Na＋、SO2－4、Cl－、HCO－3的含量配制了復(fù)合鹽侵蝕溶液，作為侵蝕溶液的基準(zhǔn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)；考慮對(duì)比與試驗(yàn)速度，又分別配制了3倍、5倍、10倍于基準(zhǔn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的復(fù)合鹽侵蝕溶液及清水（見表2）；并制備基準(zhǔn)混凝土、不同含氣量、不同粉煤灰摻量的混凝土試件，進(jìn)行復(fù)合鹽浸—干濕循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)復(fù)合鹽浸—干濕循環(huán)作用后，混凝土的動(dòng)彈性模量開始有所增長，當(dāng)達(dá)到一定循環(huán)次數(shù)后，均呈下降趨勢(shì)，而且復(fù)合鹽侵蝕溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，混凝土的動(dòng)彈性模量下降得越快，混凝土破壞得越嚴(yán)重。在干濕循環(huán)條件下，內(nèi)陸蘇打鹽漬土中的復(fù)合鹽對(duì)混凝土材料有較強(qiáng)的腐蝕性，而且多種鹽共同侵蝕的疊加效應(yīng)更加劇了混凝土的腐蝕破壞。為了比較復(fù)合鹽中各種易溶鹽的侵蝕程度與破壞特征，根據(jù)復(fù)合鹽浸—干濕循環(huán)試驗(yàn)中含量較高的易溶鹽分別配置了3種單鹽侵蝕溶液與清水，進(jìn)行單鹽—干濕循環(huán)作用后混凝土耐久性對(duì)比試驗(yàn)研究。

表1 大安（春）土中易溶鹽含量

1 試驗(yàn)說明

1.1 單鹽侵蝕溶液的配制

為了研究復(fù)合鹽中主要易溶鹽在干濕循環(huán)條件下對(duì)混凝土性能的影響程度與各自破壞特征，進(jìn)行單鹽侵蝕—干濕循環(huán)對(duì)比試驗(yàn)?？紤]試驗(yàn)速度與效果，按照復(fù)合鹽—干濕循環(huán)試驗(yàn)中質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的復(fù)合鹽溶液（D組）中鹽的用量（見表2），分別配制了3組單鹽侵蝕溶液與清水，即水、Na2SO4、NaCl、NaHCO3溶液。配制浸泡溶液用試劑為天津市北聯(lián)精細(xì)化學(xué)品開發(fā)有限公司生產(chǎn)的無水硫酸鈉、氯化鈉及碳酸氫鈉。

表2 復(fù)合鹽侵蝕溶液中鹽的類型及用量

1.2 混凝土試件的制作

配制混凝土的主要原材料有：（1）P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；（2）粗骨料為粒徑5～10mm連續(xù)級(jí)配、表面粗糙且質(zhì)地堅(jiān)硬的碎石；（3）細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)為3.0～2.4的中砂，平均粒徑為0.5～0.35mm，含泥量1.2%，堆積密度1 468kg／m3，表觀密度2 650kg／m3，顆粒級(jí)配良好；（4）萘系高效減水劑，非引氣型，摻量以坍落度滿足設(shè)計(jì)要求為準(zhǔn)，摻量為0.75%～1.5%，減水率為14%～25%；（5）自來水。

按照復(fù)合鹽—干濕循環(huán)試驗(yàn)中的基準(zhǔn)混凝土配合比制作了12個(gè)棱柱體試件，試件尺寸為40mm×40mm×160mm（見圖1）?；炷恋膹?qiáng)度等級(jí)為C30，水膠比為0.48，砂率為0.35?；炷恋呐浜媳燃捌?8d立方體抗壓強(qiáng)度見表3所示。

表3 C30混凝土配合比與性能

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)制度為一天完成一次干濕循環(huán)，將在鹽溶液與清水中浸泡后的試件放入烘箱（（70±2）℃）烘12h，取出后冷卻1h至室溫，再放回鹽溶液與清水中浸泡11h，如此循環(huán)重復(fù)試驗(yàn)。試件浸泡采用立式半浸泡方式（見圖1）。

圖1 單鹽—干濕循環(huán)對(duì)比試驗(yàn)的混凝土試件

本文試驗(yàn)采用無損傷試驗(yàn)，以質(zhì)量損失與動(dòng)彈性模量變化作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。當(dāng)試件的質(zhì)量損失大于5%，或者動(dòng)彈性模量降到初始值的60%時(shí)，即終止試驗(yàn)。測(cè)得試件的初始質(zhì)量與初始動(dòng)彈性模量與干濕循環(huán)5、10、15次……時(shí)試件的質(zhì)量與動(dòng)彈性模量，所得數(shù)據(jù)取3個(gè)試件的平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單鹽—干濕循環(huán)作用后混凝土的外觀變化

經(jīng)鹽浸與干濕交替作用后，各組溶液中的試件外觀逐漸發(fā)生了變化。如圖2所示，水中試件經(jīng)干濕循環(huán)作用后外觀變化不大，但是在3種單鹽溶液（Na2SO4、NaCl、NaHCO3）中的試件經(jīng)干濕循環(huán)作用后，試件表面混凝土發(fā)生了剝落現(xiàn)象。混凝土的破壞首先從下端角部和邊緣開始剝落，而且在距浸泡溶液面（即試件中間）以上20～30mm處，混凝土的剝落情況比其他部位嚴(yán)重，由于試件表面吸附一層鹽類晶體，鹽漬清晰可見。這些宏觀現(xiàn)象與復(fù)合鹽—干濕循環(huán)試驗(yàn)中的試件外觀變化是一致的；但是在單鹽溶液中的試件，其破壞程度比經(jīng)復(fù)合鹽—干濕循環(huán)作用后的破壞程度小了很多。

圖2 不同侵蝕溶液中的試件外觀

2.2 質(zhì)量損失率隨鹽浸—干濕循環(huán)作用的變化規(guī)律

用電子天平稱得試件的初始質(zhì)量與一定干濕循環(huán)次數(shù)的試件質(zhì)量，得到各組混凝土質(zhì)量損失率隨單鹽—干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，如圖3所示。

圖3 單鹽—干濕循環(huán)后混凝土質(zhì)量損失率曲線

圖4 單鹽—干濕循環(huán)后混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量曲線

從圖3顯示的結(jié)果來看，在3組單鹽侵蝕溶液中的混凝土，質(zhì)量隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律基本一致，即在試驗(yàn)初期混凝土的質(zhì)量有所增加，在質(zhì)量損失率曲線出現(xiàn)了“拐點(diǎn)”之后，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，質(zhì)量損失率越來越大。對(duì)于Na2SO4、NaCl與NaHCO3侵蝕溶液中的混凝土，其質(zhì)量損失率的“拐點(diǎn)”分別出現(xiàn)在干濕循環(huán)30次、30次與25次的時(shí)候。對(duì)于水中的混凝土，質(zhì)量損失率曲線與鹽溶液中的有所不同，未像鹽溶液中的混凝土出現(xiàn)一段質(zhì)量增加段，而是在試驗(yàn)初期混凝土的質(zhì)量變化不大，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，質(zhì)量損失率慢慢增大，尤其是在干濕循環(huán)次數(shù)超過60次之后，質(zhì)量損失率增長明顯。

總的來看，3種鹽溶液中的混凝土比水中的混凝土質(zhì)量損失要快得多，3種鹽溶液中的混凝土在試驗(yàn)初期均出現(xiàn)質(zhì)量增加，顯然與鹽有關(guān)，由于干濕循環(huán)作用，鹽溶液的吸入與水分蒸發(fā)，使得鹽在混凝土內(nèi)部孔隙中不斷滲透與結(jié)晶。隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行，每組溶液的吸入與水分蒸發(fā)的反復(fù)沖刷作用，使混凝土內(nèi)部孔隙增大、增多，破壞了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，表層混凝土開始脫落，混凝土的質(zhì)量慢慢下降。在各單鹽溶液中的試件破壞形態(tài)變化有所差別，脫落程度也有所不同，依據(jù)混凝土剝落量由大到小排列的順序是：NaHCO3＞Na2SO4＞NaCl＞水；但這還不足以反映混凝土內(nèi)部的破壞程度。

2.3 動(dòng)彈性模量隨鹽浸—干濕循環(huán)作用的變化規(guī)律

用超聲波檢測(cè)儀測(cè)得混凝土試件的橫向基頻，可計(jì)算得到不同鹽浸—干濕循環(huán)次數(shù)時(shí)混凝土的動(dòng)彈性模量，將單鹽—干濕循環(huán)作用后混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量的變化規(guī)律繪于圖4中。

由圖4可以看出，在單鹽－干濕循環(huán)作用后，混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量曲線呈先增加后下降的趨勢(shì)，這與復(fù)合鹽—干濕循環(huán)作用后的變化規(guī)律是一致的，而且混凝土動(dòng)彈性模量的損失程度較質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的復(fù)合鹽溶液（D組）中的要小。在干濕循環(huán)試驗(yàn)前期，水及3種鹽溶液對(duì)混凝土動(dòng)彈性模量的影響差別不大；當(dāng)達(dá)到一定的干濕循環(huán)次數(shù)后，動(dòng)彈性模量曲線出現(xiàn)“拐點(diǎn)”，曲線下降段突然變陡，混凝土強(qiáng)度下降得很快。在水、Na2SO4、NaCl與NaHCO3侵蝕溶液中，混凝土動(dòng)彈性模量曲線的“拐點(diǎn)”分別出現(xiàn)在干濕循環(huán)次數(shù)為30次、20次、20次與15次。當(dāng)動(dòng)彈性模量達(dá)到初始值的60%而終止試驗(yàn)時(shí)，每組溶液中的混凝土所能經(jīng)受的最大干濕循環(huán)次數(shù)分別為140次、100次、120次與80次（見圖4），而在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的復(fù)合鹽溶液中的混凝土，所能經(jīng)受的最大干濕循環(huán)次數(shù)不足20次?？梢姡治g溶液對(duì)混凝土動(dòng)彈性模量的影響大小依次為NaHCO3＞Na2SO4＞NaCl＞水。鹽漬土中易溶鹽的離子含量由大到小依次＞Cl－＞，鹽的種類與含量直接影響了混凝土性能，含量較大的碳酸（氫）鹽在腐蝕過程中起到至關(guān)重要的作用，含量雖然小于Cl－含量，但腐蝕程度依然很大，不容忽視。

試驗(yàn)結(jié)果表明，純水中的混凝土試件在干濕循環(huán)單一因素作用下發(fā)生了破壞，說明浸泡時(shí)水分的滲透侵襲，烘干時(shí)水分蒸發(fā)的沖刷作用造成混凝土內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，且不斷開展最終導(dǎo)致了混凝土破壞。對(duì)于單鹽溶液中的混凝土情況要嚴(yán)重一些，因?yàn)榛炷烈?jīng)受鹽溶液的侵蝕和干濕交替雙重因素的影響，可見，鹽在其中起到“推波助瀾”的作用，使得混凝土的破壞加劇。通過與復(fù)合鹽—干濕循環(huán)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比又可以看出：復(fù)合鹽—干濕循環(huán)對(duì)混凝土的破壞比每組單鹽—干濕循環(huán)的破壞程度更大，這說明干濕循環(huán)過程中各種有害鹽溶液的侵蝕、結(jié)晶作用與干濕交替的破壞作用具有相互影響、相互促進(jìn)作用，對(duì)混凝土性能造成的損傷效應(yīng)不斷疊加，更加劇了對(duì)混凝土的腐蝕破壞。

3 結(jié)語

通過以上研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）在干濕循環(huán)條件下，硫酸鹽、氯鹽、碳酸氫鹽均對(duì)混凝土材料有較強(qiáng)的腐蝕性。在吉林西部地區(qū)鹽漬土環(huán)境下，各種有害鹽對(duì)混凝土的侵蝕破壞作用造成的疊加效應(yīng)，加劇了混凝土的腐蝕破壞。蘇打鹽漬土環(huán)境下，對(duì)于存在干濕循環(huán)作用條件的混凝土工程，其耐久性不容忽視。

（2）在單鹽與干濕交替雙重因素作用下，混凝土的質(zhì)量呈先增加而后損失加快的趨勢(shì)；并在距浸泡溶液面以上20～30mm處，混凝土剝落明顯。在水中的混凝土經(jīng)干濕循環(huán)作用后，未現(xiàn)質(zhì)量增加段，整體呈緩慢下降趨勢(shì)。

（3）在單鹽與干濕交替雙重因素作用下，混凝土的動(dòng)彈性模量先增長后下降。在達(dá)到“拐點(diǎn)”后，混凝土的動(dòng)彈性模量下降得很快。在水、Na2SO4、NaCl與NaHCO3侵蝕溶液中的混凝土分別能經(jīng)受140次、100次、120次與80次的干濕循環(huán)作用。

（4）通過單鹽—干濕循環(huán)對(duì)比試驗(yàn)，鹽漬土中主要易溶鹽對(duì)混凝土的破壞程度由大到小依次為NaHCO3＞Na2SO4＞NaCl＞水。

［1］許艷爭(zhēng).松嫩平原不同鹽分補(bǔ)給類型鹽漬土的水鹽運(yùn)移規(guī)律研究［D］.長春：東北師范大學(xué)，2008.10.

［2］張曉平，李梁.吉林省大安市鹽漬化土壤特征及現(xiàn)狀研究［J］.土壤通報(bào)，2001，6（32）：26－30.

［3］李彬，王志春，遲春明.吉林省大安市蘇打鹽堿土堿化參數(shù)與特征分析［J］.生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2006，22（1）：20－23，28.

［4］李彬，王志春，梁正偉，等.吉林省大安市蘇打堿土鹽化與堿化的關(guān)系［J］.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2007，2（2）：151－155.

［5］李彬，王志春.松嫩平原蘇打鹽漬土堿化特征與影響因素［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2006（6）：183－191.

［6］張靜.吉林省西部地區(qū)分散性季凍土的分散機(jī)理研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2010.33－35.