復(fù)合鹽與干濕循環(huán)雙重因素作用下混凝土耐久性試驗

宿曉萍，王 清

1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，長春 130026

2.長春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長春 130012

0 引言

混凝土面臨的環(huán)境條件直接影響其耐久性，國內(nèi)外學(xué)者就此展開了不同環(huán)境條件下混凝土耐久性問題的研究［1－13］。混凝土在干濕交替作用下的性能是研究混凝土耐久性不可忽視的一個重要方面，處于干濕循環(huán)環(huán)境中的混凝土若受到鹽的腐蝕，破壞會更加嚴(yán)重。

松嫩平原鹽漬土分布十分廣泛，是我國蘇打鹽漬化土壤的最大分布區(qū)，也是世界三大蘇打鹽漬土集中分布區(qū)之一［14－16］。該區(qū)鹽漬土屬于內(nèi)陸蘇打鹽漬型，鹽分組成中以大蘇打（Na2CO3）和小蘇打（NaHCO3）為主，并含有少量硫酸鹽和氯化物［17－19］。國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于氯鹽、硫酸鹽等對混凝土結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理研究較多［3－12］，對于蘇打鹽漬土中的鹽類對混凝土材料的侵蝕破壞認(rèn)識不足，這方面的研究不夠深入，相關(guān)研究和文獻(xiàn)資料很少。

吉林省西部地處松嫩平原中南部，土壤鹽漬化較嚴(yán)重，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。張靜［20］曾對大安市太山鎮(zhèn)高家窩棚村西1km處取樣點，進(jìn)行了剖面取樣與土樣分析，詳細(xì)研究了這些地區(qū)鹽漬土的物質(zhì)組成及物理化學(xué)性質(zhì)，并對土樣中易溶鹽的成分進(jìn)行了分析測定。李彬等［21］對大安市蘇打堿土區(qū)6～7m、20～30m和60～70m3種深度地下水的基本化學(xué)特征進(jìn)行了測試，結(jié)果表明：地下不同深度地下水的化學(xué)特征與土壤相似，鈉質(zhì)堿化現(xiàn)象較為普遍?？梢姡幱诖蟀簿硟?nèi)的混凝土工程，如不斷提起放下的閘門、水位變化區(qū)的橋墩、為防水滲漏的混凝土水渠等，會長期受到鹽蝕與干濕交替的反復(fù)作用，混凝土的耐久性受到嚴(yán)重影響。

筆者根據(jù)大安鹽漬土中主要易溶鹽的種類與含量，配制了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的復(fù)合鹽侵蝕溶液，制備了5種配合比的混凝土試件，進(jìn)行復(fù)合鹽－干濕循環(huán)試驗，研究在干濕交替作用下蘇打鹽漬土中的鹽類對混凝土耐久性的影響。目的是進(jìn)一步完善不同環(huán)境條件下混凝土耐久性研究的理論基礎(chǔ)與試驗依據(jù)，以減少鹽堿土中鹽類對混凝土工程的潛在威脅，提高混凝土工程對環(huán)境的適應(yīng)性與服役期的安全性。

1 試驗原材料與試驗方案

1.1 復(fù)合鹽侵蝕溶液的配制

根據(jù)張靜［20］對大安地區(qū)春季土樣中易溶鹽含量的實測結(jié)果，按照取樣深度30cm處土中Na＋、、Cl－的離子濃度配制了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.4%的復(fù)合鹽侵蝕溶液，以此作為混凝土侵蝕溶液的基準(zhǔn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)；考慮對比與試驗速度，又分別配制了基準(zhǔn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)侵蝕溶液中各種易溶鹽用量3倍、5倍、10倍的侵蝕溶液；此外設(shè)置了1組水溶液以進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)對比。5組侵蝕溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0（A組）、3.4%（B 組）、10%（C 組）、15%（D 組）、26%（E組）。5組侵蝕溶液中各類鹽的質(zhì)量濃度如表1所示。根據(jù)自來水的化學(xué)分析結(jié)果可知，水中氯離子的質(zhì)量濃度為30mg／L，硫酸鹽的質(zhì)量濃度為19mg／L，水中有害物不會影響試驗結(jié)果，故本文忽略不計。

表1 復(fù)合鹽侵蝕溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Quality score of the multi－salt liquor

1.2 混凝土原材料

混凝土的主要原材料有：P·O 42.5普通硅酸鹽水泥（性能指標(biāo)見表2），其礦物組分有硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣、游離氧化鈣，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 55.7%、22.09%、5.12%、16.79%、0.29%；粗骨料，采用粒徑5～10mm連續(xù)級配、表面粗糙且質(zhì)地堅硬的碎石；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，含泥量為1.2%，堆積密度為1 468kg／m3，表觀密度為2 650kg／m3，且顆粒級配良好；外加劑有Ⅱ級粉煤灰、引氣劑（上海楓楊實業(yè)有限公司生產(chǎn)，SJ－2摻量以滿足設(shè)計所要求的含氣量為準(zhǔn)）和萘系高效減水劑（非引氣型，摻量以滿足設(shè)計所要求的坍落度為準(zhǔn)，摻量為0.75%～1.5%，減水率為14%～25%）；配制侵蝕溶液的無水硫酸鈉、氯化鈉及碳酸氫鈉試劑以及自來水。

1.3 混凝土配合比

考慮吉林省西部地區(qū)的氣候特點、研究區(qū)內(nèi)土壤與環(huán)境水中腐蝕離子含量較高以及混凝土工程的實際施工要求，筆者設(shè)計了低水泥用量、不同含氣量、粉煤灰摻量的同一強(qiáng)度等級的5種混凝土配合比，即：Ⅰ（Z－Ⅰ）組為基準(zhǔn)混凝土，Ⅱ（Z－Ⅱ）、Ⅲ（Z－Ⅲ）組混凝土分別摻加3／10 000、6／10 000水泥用量的引氣劑，Ⅳ（Z－Ⅳ）、Ⅴ（Z－Ⅴ）組混凝土分別摻加水泥用量10%、20%的粉煤灰。混凝土的強(qiáng)度等級均為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。

1.4 試驗方案

綜合其他學(xué)者的試驗制度與方法，考慮試驗的可操作性和便于試驗結(jié)果對比，本文試驗制度為1d完成一次干濕循環(huán)，即將浸泡后的試件放入烘箱（70℃±2℃）中烘12h，取出后冷卻1h至室溫，再浸泡11h，如此循環(huán)重復(fù)試驗。試件尺寸為40mm×40mm×160mm，采用立式半浸泡方式。

本文采用無損傷試驗，以質(zhì)量損失、動彈性模量變化作為評價指標(biāo)。當(dāng)試件的質(zhì)量損失大于5%，或者動彈性模量降到初始值的60%時，即終止試驗。因濃度較高的侵蝕溶液中的試件脫落、動彈性模量變化較快，加快試驗數(shù)據(jù)的測定頻率，測得干濕循環(huán)0、5、10、15…次時試件的質(zhì)量與動彈性模量，所得數(shù)據(jù)取3個試件的平均值。

2 試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗的宏觀現(xiàn)象

混凝土的破壞程度與侵蝕溶液的濃度有關(guān)。在水中的試件外觀變化不大，混凝土脫落不多，而在鹽溶液中的試件變化較明顯。隨著鹽浸－干濕循環(huán)次數(shù)的增加，鹽溶液中的試件表面開始出現(xiàn)多條微細(xì)裂紋，錯綜布列的裂紋慢慢開展、擴(kuò)大，最后貫通起來，4個棱邊的裂紋尤為明顯；而且試件浸泡的一端體積發(fā)生膨脹，試件表面混凝土出現(xiàn)剝落（圖1）。

另外，在距浸泡溶液面（即試件中間）以上20～40mm處，試件表面吸附一層白色鹽類晶體，鹽漬清晰可見，此處混凝土剝落得比較嚴(yán)重（圖2），導(dǎo)致此處構(gòu)件的截面尺寸明顯減少，有的試件就在此處斷掉；這主要是由于干濕循環(huán)作用下鹽類結(jié)晶膨脹造成的，從干燥后斷裂面及混凝土內(nèi)部孔隙中發(fā)現(xiàn)白色結(jié)晶產(chǎn)物也證明了這一點。對于質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的D、E組溶液中的試件，其下端直接接觸因溶解度低而未溶解的鹽顆粒，脫落得最早、破壞得最嚴(yán)重。

混凝土試件的破壞情況還與混凝土配合比有關(guān)。相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鹽溶液中，引氣混凝土與粉煤灰混凝土均比基準(zhǔn)混凝土表現(xiàn)好，而且引氣混凝土耐鹽蝕－干濕循環(huán)作用的效果更顯著?？梢?，對于引氣混凝土，引氣產(chǎn)生的氣孔極大地緩解了混凝土的膨脹應(yīng)力造成的開裂，耐久性良好；而粉煤灰的密實填充效應(yīng)和火山灰效應(yīng)，能夠降低混凝土孔隙率并改善其孔隙特征，但是對混凝土抗鹽蝕－干濕循環(huán)的能力提高有限。

表2 P·O42.5普通硅酸鹽水泥性能指標(biāo)Table 2 P·O42.5ordinary portland cement performance

表3 混凝土配合比與性能Table 3 Concrete mixture ratio and performance

圖1 復(fù)合鹽浸－干濕循環(huán)試驗前（左）與破壞后（右）的試件外觀對比Fig.1 Specimens appearance before（left）test and after（right）damage

圖2 試件的典型破壞形態(tài)Fig.2 Typical failure form of specimens

2.2 復(fù)合鹽浸－干濕循環(huán)作用與質(zhì)量損失的關(guān)系

參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》的規(guī)定，用電子天平稱得試件的初始質(zhì)量與達(dá)到試驗要求循環(huán)次數(shù)時的質(zhì)量，可以得到混凝土在各組溶液中的質(zhì)量損失率，其隨鹽浸－干濕循環(huán)作用的變化規(guī)律見圖3。

由圖3可以看出，在B、C、D 3組鹽溶液中的試件，其變化規(guī)律基本一致，即試驗前期試件質(zhì)量略有增加，但隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土剝落越來越嚴(yán)重，導(dǎo)致質(zhì)量損失加快。在試驗前期，干濕循環(huán)作用導(dǎo)致試件表面淺層開始出現(xiàn)裂隙，使得鹽溶液不斷地滲透結(jié)晶，使混凝土質(zhì)量有所增加；隨著混凝土開始慢慢剝落，質(zhì)量也隨之開始下降。而對于E組溶液中的試件，由于復(fù)合鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，試件破壞過程迅速，在干濕循環(huán)超過5次后，混凝土開始剝落，質(zhì)量損失率曲線較陡，很快質(zhì)量損失便達(dá)到初始質(zhì)量的5%。對于水中的混凝土試件，其質(zhì)量隨著干濕交替作用呈緩慢下降趨勢，由于水的吸入與蒸發(fā)反復(fù)循環(huán)作用，使混凝土表面孔隙增大、增多，可見混凝土由表及內(nèi)逐漸剝落，質(zhì)量隨之慢慢下降，但是質(zhì)量增加段并不明顯。這也證明了鹽溶液中的試件，質(zhì)量出現(xiàn)增加段是由于鹽溶液在混凝土內(nèi)不斷地滲透與結(jié)晶導(dǎo)致的?？梢姡瑑?nèi)陸蘇打鹽漬土區(qū)環(huán)境中的溫度濕度反復(fù)變化對混凝土工程具有腐蝕破壞作用。

混凝土的質(zhì)量損失與侵蝕溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有很大關(guān)系。侵蝕溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，質(zhì)量損失得越快，破壞得越早，所能經(jīng)受的干濕循環(huán)次數(shù)越少；但是大部分試件都未等質(zhì)量損失率達(dá)到5%，便因為動彈性模量先降到初始值的60%而停止了試驗。僅以Ⅰ組混凝土為例：A組溶液（水）中的混凝土隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加質(zhì)量損失比較緩慢，未現(xiàn)增加段；而在B、C、D組溶液中的試件，質(zhì)量開始有所增加，鹽溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，質(zhì)量增加越明顯，而后隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加質(zhì)量損失加劇，鹽溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，質(zhì)量損失率的曲線越陡；E組溶液中的試件，未等出現(xiàn)質(zhì)量增加段便在鹽溶液較強(qiáng)的腐蝕作用下出現(xiàn)剝落，質(zhì)量損失很快。

混凝土試件的質(zhì)量損失情況還與含氣量、粉煤灰摻量有關(guān)。含氣量越大的試件，其經(jīng)受干濕循環(huán)作用的次數(shù)越多。以B組溶液中的混凝土為例，當(dāng)動彈性模量降到初始值的60%時，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ組混凝土所經(jīng)受的干濕循環(huán)次數(shù)分別為70、110、140次，其質(zhì)量損失率分別為2.80%、3.46%、2.11%。但是在Ⅰ組混凝土達(dá)到70次干濕循環(huán)次數(shù)時，Ⅱ、Ⅲ組混凝土的質(zhì)量損失率僅為1.30%和0.64%?？梢?，引氣混凝土的耐久性要好于普通混凝土，原因在于引氣極大地改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，緩解了熱壓力。因此，處于鹽漬土地區(qū)的混凝土工程，可適當(dāng)增大混凝土的含氣量，以提高混凝土抗鹽蝕－干濕循環(huán)破壞的能力。又如B組溶液中的Ⅳ、Ⅴ組粉煤灰混凝土，抗干濕循環(huán)的次數(shù)分別為90、110次左右，此時的質(zhì)量損失率分別為1.78%、1.00%，其抗鹽蝕－干濕循環(huán)破壞的效果比Ⅰ組混凝土雖有一定提高，但改善的效果不如引氣混凝土明顯。

圖3 復(fù)合鹽－干濕循環(huán)作用下混凝土質(zhì)量損失率的變化規(guī)律Fig.3 Loss ratio of mass of concrete versus multi－salt and dry－wet cycles

2.3 復(fù)合鹽浸－干濕循環(huán)作用與動彈性模量的關(guān)系

用超聲波檢測儀測得混凝土試件的橫向基頻，計算得到不同復(fù)合鹽浸－干濕循環(huán)次數(shù)的動彈性模量，本文用相對動彈性模量來分析混凝土性能的變化。經(jīng)復(fù)合鹽浸－干濕循環(huán)作用后混凝土相對動彈性模量的變化規(guī)律如圖4所示。

從圖4結(jié)果來看：在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的侵蝕溶液中的混凝土，經(jīng)干濕循環(huán)作用后動彈性模量的變化規(guī)律基本一致，即干濕循環(huán)前期，試件的動彈性模量呈增長趨勢，達(dá)到一定循環(huán)次數(shù)后，呈下降趨勢；對于E組溶液中的各組混凝土，由于侵蝕溶液濃度較大，相對動彈性模量曲線未現(xiàn)上升段便很快降到初始值的60%而終止試驗。

相對動彈性模量曲線出現(xiàn)上升段，是由于混凝土的進(jìn)一步水化與鹽類滲透，混凝土內(nèi)部更加密實而使得前期強(qiáng)度有所增長。侵蝕溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，相對動彈性模量曲線下降段就越陡，混凝土所能承受的干濕循環(huán)作用的次數(shù)就越少，破壞得越嚴(yán)重。如基準(zhǔn)混凝土，當(dāng)動彈性模量達(dá)到初始值的60%終止試驗時，在A、B、C、D、E組侵蝕溶液中所遭受的干濕循環(huán)次數(shù)分別為130、70、50、20、15次。即使在清水中的混凝土經(jīng)過一定次數(shù)的干濕循環(huán)作用后，動彈性模量也呈緩慢衰減趨勢。可見，干濕交替作用對混凝土有一定的破壞作用，而且在鹽蝕與干濕交替雙重因素作用下，混凝土破壞情況更嚴(yán)重。

動彈性模量的變化還與混凝土的含氣量、粉煤灰摻量有關(guān)?；炷恋暮瑲饬吭酱?，試件經(jīng)受干濕循環(huán)作用的次數(shù)越多，曲線下降得越慢。如：B組溶液中的混凝土，非引氣的基準(zhǔn)混凝土在干濕循環(huán)達(dá)80次時，動彈性模量就已降到初始值的56.97%（此時試件的質(zhì)量損失率僅為2.8%）；而對于Ⅱ、Ⅲ組引氣混凝土，干濕循環(huán)次數(shù)分別超過110、140次時動彈性模量才達(dá)到初始值的60%；對于Ⅳ、Ⅴ組粉煤灰混凝土，所能經(jīng)受的干濕循環(huán)次數(shù)分別為90、110次。可見，摻加適當(dāng)?shù)囊龤鈩?、粉煤灰對提高混凝土抗鹽蝕－干濕循環(huán)破壞能力有一定的效果。

綜上所述，隨著混凝土含氣量與粉煤灰摻量的提高，混凝土抗干濕循環(huán)作用的能力均有所提高，但粉煤灰對提高混凝土耐干濕作用的效果低于引氣作用。因此，鹽漬土地區(qū)混凝土應(yīng)適當(dāng)提高混凝土的引氣劑摻量。同時也驗證了：鹽蝕－干濕循環(huán)條件下動彈性模量指標(biāo)比質(zhì)量損失指標(biāo)更敏感，動彈性模量的變化比質(zhì)量損失更能反映混凝土的受損程度。

圖4 復(fù)合鹽－干濕循環(huán)作用與混凝土相對動彈性模量的關(guān)系Fig.4 Relative dynamic modulus of elasticity of concrete versus multi－salt and dry－wet cycles

3 結(jié)論

1）在干濕循環(huán)條件下，復(fù)合鹽對混凝土材料有較強(qiáng)的腐蝕性，對于吉林西部鹽漬土區(qū)內(nèi)處于干濕交替作用環(huán)境下的混凝土工程，其耐久性應(yīng)引起足夠重視。

2）經(jīng)鹽蝕－干濕循環(huán)作用后，試驗前期試件質(zhì)量有所增加，而后隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，質(zhì)量損失加快。在距浸泡溶液面以上20～40mm處，混凝土剝落嚴(yán)重，有的試件在此處斷掉破壞。

3）經(jīng)鹽蝕－干濕循環(huán)作用后，混凝土的動彈性模量先呈增長趨勢，達(dá)到一定循環(huán)次數(shù)后，呈下降趨勢，而且鹽溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，下降得越快。當(dāng)鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于26%時，混凝土的動彈性模量未出現(xiàn)上升段，整體呈下降趨勢，而且破壞較快、較嚴(yán)重。

4）含氣量、粉煤灰能夠提高混凝土抗鹽蝕－干濕循環(huán)的破壞能力，但是引氣混凝土提高效果更明顯。內(nèi)陸蘇打鹽漬土地區(qū)在干濕作用的惡劣環(huán)境下，混凝土工程應(yīng)考慮摻加一定量的引氣劑。

5）鹽蝕－干濕循環(huán)條件下，動彈性模量指標(biāo)比質(zhì)量損失指標(biāo)更敏感，說明混凝土的動彈性模量能夠較好地反映混凝土的耐久性能。

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