不同鹽類環(huán)境下普通混凝土的抗鹽凍耐久性研究

孫昊月，宿曉萍，王曉鵬

(1.吉林省電力勘測設(shè)計(jì)院，長春 130021； 2.長春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長春 130012)

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不同鹽類環(huán)境下普通混凝土的抗鹽凍耐久性研究

孫昊月1，宿曉萍2，王曉鵬2

(1.吉林省電力勘測設(shè)計(jì)院，長春 130021； 2.長春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長春 130012)

普通混凝土；碳酸氫鹽；氯鹽；硫酸鹽；鹽凍破壞

0　引言

本文選取大安市作為研究區(qū)域，采集大安境內(nèi)土樣，對土樣進(jìn)行理化性質(zhì)分析，測得土樣中的易溶鹽組分與含量，配置侵蝕鹽溶液，制備普通混凝土試件，進(jìn)行鹽環(huán)境下的快速凍融試驗(yàn)，對不同鹽類環(huán)境下普通混凝土的抗鹽凍耐久性進(jìn)行研究。

1　試驗(yàn)方案

1.1配制侵蝕鹽溶液

1.2混凝土試件的配制

試驗(yàn)用混凝土的強(qiáng)度等級為C30，所用原材料有P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)3.0～2.4的中砂，平均粒徑為0.35～0.50 mm，顆粒級配良好，堆積密度1 468 kg/m3，表觀密度2 650 kg/m3；粗骨料選用粒徑為5～10 mm連續(xù)級配、表面粗糙的堅(jiān)硬碎石。具體的混凝土配合比為：水泥354 kg/m3，砂657 kg/m3，石子1 220 kg/m3，水170 kg/m3，水膠比為0.48，砂率為0.35。依此制作尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試件。

表1　大安鹽漬土樣中易溶鹽組分與含量

表2　侵蝕溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)與鹽的種類及用量

1.3試驗(yàn)制度

混凝土耐久性實(shí)驗(yàn)主要有兩種方法：現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)?？紤]現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的周期較長，短期內(nèi)難以得到結(jié)果，本文采用目前常用的實(shí)驗(yàn)室快凍法。將標(biāo)養(yǎng)到24 d的棱柱體試件浸入配制好的各組侵蝕溶液中，4 d后放入快速凍融機(jī)中進(jìn)行快速凍融試驗(yàn)。具體試驗(yàn)制度是：由常溫降到-15 ℃后，維持-15 ℃的溫度1 h，由-15 ℃升到6 ℃用1 h，保持6 ℃的溫度1 h，再降到-15 ℃用1 h，完成1次凍融循環(huán)，如此重復(fù)。

1.4試驗(yàn)檢測指標(biāo)

因試驗(yàn)周期長工作量大，采用無損傷試驗(yàn)，以混凝土的質(zhì)量損失與動(dòng)彈性模量衰減作為試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)。

1.4.1混凝土的質(zhì)量損失率

每組試驗(yàn)開始前，用電子天平(精度為0.1 g)稱得試件初始質(zhì)量G0(kg)，達(dá)到一定凍融循環(huán)次數(shù)時(shí)稱得試件質(zhì)量Gn(kg)，則混凝土的質(zhì)量損失率ΔWn可按下式計(jì)算：

(1)

1.4.2混凝土的相對動(dòng)彈性模量

相對動(dòng)彈性模量是常規(guī)凍融試驗(yàn)中評定混凝土抗凍耐久性的重要指標(biāo)，也是反映試件內(nèi)部損傷程度的主要參數(shù)。試驗(yàn)中用超聲波檢測儀測定聲速后，通過下式計(jì)算得到混凝土的相對動(dòng)彈性模量[15]：

(2)

式中：Er為相對動(dòng)彈性模量；E0，V0為混凝土的初始動(dòng)彈性模量和超聲波傳播速度；En，Vn為混凝土經(jīng)N次凍融循環(huán)后的動(dòng)彈性模量和超聲波傳播速度。

當(dāng)試件的質(zhì)量損失率大于5%或者相對動(dòng)彈性模量降到初始值的60%時(shí)，終止試驗(yàn)。

2　試驗(yàn)結(jié)果

2.1鹽蝕—凍融循環(huán)作用后混凝土的質(zhì)量損失

在鹽類侵蝕與凍融循環(huán)共同作用下，混凝土發(fā)生了不同程度的質(zhì)量剝落，其損失規(guī)律如圖1所示?？梢钥闯觯夯炷临|(zhì)量損失率與復(fù)合鹽溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及鹽的種類有關(guān)。

圖1　鹽蝕—凍融循環(huán)作用后混凝土的質(zhì)量損失率

圖1中顯示，水中與鹽溶液中的混凝土質(zhì)量損失率曲線均呈緩慢上升趨勢。但是，鹽溶液中的混凝土在凍融循環(huán)初期，質(zhì)量損失率略有下降，達(dá)到一定鹽凍循環(huán)次數(shù)后呈增長趨勢。這是因?yàn)樵囼?yàn)初期，鹽溶液不斷滲透到不密實(shí)的混凝土內(nèi)部，使得混凝土的質(zhì)量略有增加，即質(zhì)量損失率有所下降。隨著鹽蝕—凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件表層混凝土開始剝落而造成質(zhì)量損失越來越大。

鹽溶液中的混凝土質(zhì)量損失要比水中的嚴(yán)重，而且鹽溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，質(zhì)量損失越嚴(yán)重，混凝土質(zhì)量損失率曲線的上升段越陡。對比各組單鹽溶液中的混凝土，在鹽凍循環(huán)次數(shù)低于80次時(shí)，質(zhì)量損失率差別不大，超過80次之后，混凝土質(zhì)量損失有所不同，各組鹽對混凝土質(zhì)量損失的影響程度由大到小依次為碳酸氫鹽、氯鹽、硫酸鹽，但均未超過2%，因相對動(dòng)彈性模量先降到60%而終止了試驗(yàn)。

2.2鹽蝕—凍融循環(huán)作用后混凝土的相對動(dòng)彈性模量

圖2所示為各組混凝土經(jīng)鹽蝕—凍融作用后相對動(dòng)彈性模量的變化規(guī)律?？梢?，隨著凍融作用次數(shù)的增加，混凝土的相對動(dòng)彈性模量曲線整體呈下降趨勢。但是鹽溶液中的混凝土，相對動(dòng)彈性模量曲線在鹽凍循環(huán)初期略有上升，達(dá)到一定鹽凍次數(shù)后才開始下降。這是因?yàn)樵囼?yàn)初期混凝土試件還沒有被破壞，鹽溶液的滲透與填實(shí)作用使得混凝土愈加密實(shí)，相對動(dòng)彈性模量略有增加?？偟膩砜矗}溶液中的混凝土凍融破壞的程度要比水中的混凝土嚴(yán)重，復(fù)合鹽溶液中的混凝土破壞比單鹽溶液中的混凝土嚴(yán)重。鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，相對動(dòng)彈性模量曲線下降得越陡，能經(jīng)受鹽凍作用的次數(shù)就越少。從各組鹽對混凝土動(dòng)彈性模量的影響程度來看，由大到小依次為復(fù)合鹽、碳酸氫鹽、硫酸鹽、氯鹽。

圖2　鹽蝕—凍融循環(huán)作用后混凝土的相對動(dòng)彈性模量

由此可見，凍融交替與鹽類侵蝕的雙重作用加劇了混凝土的破壞進(jìn)程，即雙重因素作用對混凝土的破壞存在疊加效應(yīng)，但又不能將破壞效應(yīng)進(jìn)行簡單的累加。

2.3鹽凍破壞后混凝土的微觀結(jié)構(gòu)

為了探究混凝土鹽凍破壞的實(shí)質(zhì)，采集鹽凍破壞后的混凝土樣品，進(jìn)行電鏡掃描、能譜與化學(xué)成分分析。

2.3.1復(fù)合鹽凍破壞后混凝土的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)

圖3所示為復(fù)合鹽凍破壞后混凝土的4 000倍掃描電鏡照片。從圖中可以看到，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)已變得疏松多孔，生長著大量的短棒狀晶體，雜亂無章。對這類晶體進(jìn)行能譜分析，得到主要化學(xué)元素(見表3)有C、O、Na、Al、Si、Au、S、Cl、Ca等。其中元素Au是由試驗(yàn)中樣品鍍膜帶入的，除了O、Si、Al、Ca等混凝土中的常見元素外，C、Na、S、Cl等元素的出現(xiàn)，說明混凝土受到了復(fù)合鹽溶液中各類鹽的侵蝕。其中，C、O、Ca 3種元素的含量較高，摩爾百分?jǐn)?shù)分別為23.24%、44.02%、15.36%。說明這些晶體主要成分是CaCO3，也證明復(fù)合鹽溶液中含量較高的CaHCO3與水泥漿中的Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成大量的CaCO3，填充在混凝土孔隙中，不斷生長的晶體產(chǎn)生巨大的膨脹應(yīng)力，造成混凝土的開裂、剝落直至破壞。

圖3　復(fù)合鹽凍破壞后混凝土掃描電鏡照片

EDX能譜圖元素摩爾百分?jǐn)?shù)At/%CONaAlSiAuSClCaTotal23.2444.022.561.568.402.151.651.0615.36100.00

2.3.2硫酸鹽凍破壞后混凝土的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)

圖4　硫酸鹽凍破壞后混凝土的掃描電鏡照片

EDX能譜圖元素摩爾百分?jǐn)?shù)At/%CONaAlSiAuSCaTotal4.4343.545.934.525.372.3810.5923.24100.00

2.3.3氯鹽凍破壞后混凝土的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)

圖5所示為氯鹽凍破壞后混凝土的掃描電鏡照片?？梢?，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)已失去完整與密實(shí)，多孔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)生長著很多針狀晶體，對其進(jìn)行能譜分析(見表5)，發(fā)現(xiàn)混凝土內(nèi)部出現(xiàn)一定量的Cl、Na等元素，說明混凝土受到氯鹽的侵蝕。在NaCl環(huán)境下，水泥石中Ca(OH)2的溶解度更大，會(huì)造成混凝土中Ca(OH)2析出、流失，部分水化硅酸鈣不斷分解以維持水泥石中Ca(OH)2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，造成了水泥石的結(jié)構(gòu)破壞，混凝土由表及里層層剝落，使得混凝土的質(zhì)量損失，動(dòng)彈性模量降低。

圖5　氯鹽凍破壞后混凝土的掃描電鏡照片

EDX能譜圖元素摩爾百分?jǐn)?shù)At/%CONaAlSiAuClCaTotal7.3226.734.683.8212.268.126.5930.48100.00

2.3.4碳酸氫鹽凍破壞后混凝土的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)

圖6所示為碳酸氫鹽凍破壞后混凝土的掃描電鏡照片?？梢姡炷羶?nèi)部嵌生著很多花狀晶體，對其進(jìn)行能譜分析，得到的化學(xué)成分見表6，C元素明顯比其他單鹽—凍融循環(huán)情況下的多。在碳酸氫鹽環(huán)境下，Na、Ca、C、O元素的含量相對較高，Ca元素的存在有兩種可能：一種可能是來源于水泥漿中的Ca(OH)2中；另一種可能是水泥石中的Ca(OH)2與含量較高的NaHCO3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成CaCO3與Na2CO3，CaCO3不溶于水且強(qiáng)度很高，會(huì)使混凝土更加堅(jiān)固耐久，但這與試驗(yàn)結(jié)果相反，說明另一種物質(zhì)Na2CO3在起作用，Na2CO3在低溫凍結(jié)過程中，會(huì)轉(zhuǎn)化成Na2CO3·H2O、Na2CO3·10H2O，同時(shí)產(chǎn)生很大的結(jié)晶壓力，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)開裂而破壞。

圖6　碳酸氫鹽凍破壞后混凝土的掃描電鏡照片

EDX能譜圖元素摩爾百分?jǐn)?shù)At/%CONaAlSiAuCaTotal13.4740.0514.342.058.538.3113.25100.00

3　結(jié)語

通過以上研究，得到以下結(jié)論：

1)混凝土的鹽凍破壞與侵蝕鹽的種類、侵蝕溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)等因素有關(guān)，而且凍融交替與鹽類侵蝕的破壞作用存在疊加效應(yīng)，加劇了混凝土的鹽凍破壞。

2)鹽蝕—凍融試驗(yàn)初期，由于鹽的滲透與密實(shí)作用，使混凝土的質(zhì)量與動(dòng)彈性模量有所增加；隨著鹽凍作用次數(shù)的增加，混凝土的質(zhì)量和動(dòng)彈性模量均呈下降趨勢。侵蝕鹽溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，鹽類組分越復(fù)雜，混凝土發(fā)生的凍脹剝蝕破壞越嚴(yán)重。

3)在鹽類侵蝕與凍融交替共同作用下，混凝土發(fā)生鹽凍破壞，既有水結(jié)成冰的膨脹壓力，也有鹽類對水泥水化產(chǎn)物的化學(xué)侵蝕，以及鹽類的結(jié)晶膨脹壓力。鹽凍破壞后各組混凝土微觀結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果也證明了鹽類結(jié)晶形成巨大的結(jié)晶壓力是造成混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)開裂直至破壞的主要因素。

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The Research on Frost Resistance Durability of NSC under Different Salts Environment

SUN Hao-yue，etc.

(JilinProvincialElectricPowerSurveyandDesignInstitute，Changchun130021，China)

normal strength concrete；bicarbonate；chloride；sulfate salt；salt frost damage

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.03.003

2016-06-20

校級橫向課題(201507)。

孫昊月(1982-)，男(漢)，工程師，博士

主要研究巖土工程地質(zhì)。

TU528

A

1009-8984(2016)03-0010-06