氯鹽侵蝕和干濕循環(huán)條件下浮石混凝土的耐久性

劉 倩，申向東，薛慧君，王仁遠(yuǎn)，劉 政

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氯鹽侵蝕和干濕循環(huán)條件下浮石混凝土的耐久性

劉 倩，申向東※，薛慧君，王仁遠(yuǎn)，劉 政

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018）

為了探究干濕循環(huán)條件下氯離子對(duì)浮石混凝土的侵蝕機(jī)制，借助核磁共振測(cè)試技術(shù)，分析浮石混凝土在干濕循環(huán)條件下微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征，對(duì)侵蝕后的浮石混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行X射線衍射物相分析與電鏡掃描分析，進(jìn)而探討浮石混凝土抗氯離子侵蝕性能。研究結(jié)果表明，在氯鹽侵蝕作用下，浮石混凝土和普通混凝土的質(zhì)量損失變化率與相對(duì)動(dòng)彈性模量變化趨勢(shì)相一致；發(fā)現(xiàn)浮石混凝土譜面積是普通混凝土譜面積的1.0～1.7倍；浮石混凝土侵蝕破壞主要為內(nèi)部發(fā)育新的小孔隙和中小孔隙向大孔隙和裂紋發(fā)育造成的，普通混凝土侵蝕破壞主要為內(nèi)部的微小孔隙和小孔隙向大孔隙和裂紋發(fā)育造成的；浮石混凝土>0.1～1.0m孔隙所占比重較多，普通混凝土>0.01～0.1m孔隙所占比重較多；干濕循環(huán)120次后浮石混凝土孔隙度增加26.7%，自由流體飽和度減少1.0%，干濕循環(huán)120次后普通混凝土孔隙度增加77.8%，束縛流體飽和度減少7.3%；氯鹽侵蝕后均生成以Friedel鹽為代表的多種腐蝕結(jié)晶物。該研究可為浮石混凝土在氯鹽環(huán)境下農(nóng)業(yè)水利建設(shè)提供理論依據(jù)。

混凝土；侵蝕；孔隙度；氯鹽；干濕循環(huán)；浮石；微觀形貌；孔隙結(jié)構(gòu)

0 引 言

中國(guó)西北部地區(qū)分布著1 000多個(gè)不同類型的鹽湖[1]，其中內(nèi)蒙古地區(qū)分布375個(gè)鹽湖，鹽湖總面積達(dá)1 441 km2，是中國(guó)鹽湖分布較多的地區(qū)之一，可劃分為呼倫貝爾高原鹽湖區(qū)、錫林郭勒-烏蘭察布高原鹽湖區(qū)、鄂爾多斯高原鹽湖區(qū)、阿拉善高原鹽湖區(qū)[2]，此外，鹽湖水主要為多種離子共存的復(fù)合型鹵水，而氯離子是內(nèi)蒙古地區(qū)鹽湖中離子濃度含量最高的陰離子[3]。鹽湖周邊分布著大面積的鹽漬土，由于當(dāng)?shù)貧夂驐l件嚴(yán)酷和復(fù)雜的土壤環(huán)境，混凝土工程結(jié)構(gòu)與材料經(jīng)常遭受各種不利環(huán)境的影響，如氣候條件中干濕、凍融的作用以及氯鹽、硫酸鹽等有害鹽的侵蝕作用，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性因此受到了嚴(yán)重的威脅。針對(duì)鹽漬環(huán)境下服役的混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性損傷機(jī)理，大量學(xué)者研究表明混凝土中氯離子的擴(kuò)散規(guī)律滿足菲克第二定律[4]；研究發(fā)現(xiàn)混凝土在氯鹽侵蝕后生成以Friedel鹽為代表性的腐蝕結(jié)晶物[5-6]；混凝土在干濕循環(huán)作用下能夠增加離子入侵深度和濃度，并且水膠比越大，影響效果越明顯[7-9]。

浮石呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)，孔隙豐富且分布不均勻，一般為球形或橢球形氣孔，具有質(zhì)輕、多孔、吸水率大、耐腐蝕等特性[9-11]。利用多孔的浮石作為粗骨料，可配制浮石混凝土，浮石混凝土強(qiáng)度與普通混凝土無明顯差異，能夠滿足一般工程使用要求[12-14]。Hossain等[15]通過研究浮石混凝土的強(qiáng)度與耐久性，得出浮石混凝土的強(qiáng)度滿足普通混凝土強(qiáng)度要求，浮石混凝土在耐久性方面優(yōu)于普通混凝土。Parhizkar等[16]對(duì)浮石輕骨料混凝土的抗硫酸鹽性能進(jìn)行研究，研究表明初期硫酸鹽滲入內(nèi)部使得整體更為密實(shí)，后期結(jié)晶物累積使內(nèi)部膨脹產(chǎn)生裂隙。董偉等[17]對(duì)浮石輕骨料混凝土凍融損傷機(jī)理及服役壽命進(jìn)行研究，建立了浮石輕骨料混凝土直線和曲線雙段式相對(duì)動(dòng)彈性模量衰減方程。針對(duì)于浮石混凝土的研究多側(cè)重于力學(xué)性能與抗凍性的研究，但從孔結(jié)構(gòu)角度分析鹽漬環(huán)境下浮石混凝土抗氯鹽侵蝕損傷規(guī)律尚不充分。

為了對(duì)比浮石混凝土與普通混凝土在氯鹽侵蝕和干濕循環(huán)條件下的損傷規(guī)律與孔隙結(jié)構(gòu)變化，本文選取浮石混凝土為研究對(duì)象，普通混凝土為對(duì)照組，采用室內(nèi)加速模擬的試驗(yàn)方法，研究浮石混凝土在氯鹽侵蝕與干濕循環(huán)耦合作用下的耐久性能。利用核磁共振測(cè)試技術(shù)分析浮石混凝土孔隙結(jié)構(gòu)特征，運(yùn)用X射線衍射技術(shù)對(duì)浮石混凝土進(jìn)行物相分析，采用掃描電鏡觀測(cè)浮石混凝土微觀形貌，研究浮石混凝土抗氯鹽侵蝕損傷規(guī)律。為服役于干旱地區(qū)農(nóng)田輸水渠道、水壩等水工混凝土結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 原材料

水泥：冀東P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積 384 m2/kg，密度3 158 kg/m3，初凝時(shí)間180 min，終凝時(shí)間395 min，體積安定性合格；粉煤灰：內(nèi)蒙古呼和浩特西郊電廠F類II級(jí)粉煤灰，比表面積354 m2/kg，密度 2 150 kg/m3，燒失量3.1%；粗骨料：內(nèi)蒙古呼和浩特市和林格爾縣浮石和普通卵碎石，物理性能見表1，浮石化學(xué)成分主要有氧化硅、氧化鋁、氧化鐵、氧化鈣等；細(xì)骨料：天然河砂，中砂，級(jí)配良好；外加劑：AE-11型高效引氣減水劑，減水率20%；水：普通自來水。

表1 粗骨料物理性能

注：表中百分比均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

Note: Percentages in the table are all mass fractions.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)用浮石混凝土（pumice concrete，PC）和對(duì)照組普通卵碎石混凝土（ordinary concrete，OC，簡(jiǎn)稱普通混凝土）配合比見表2。依照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2002）[18]和《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》（JGJ 51-2002）[19]進(jìn)行試件制備，澆筑試件2 d后，對(duì)試件進(jìn)行拆模，放置在養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。浮石混凝土坍落度為170 mm，普通混凝土坍落度為 100 mm，均能夠滿足工程施工需要。采用100 mm′100 mm′100 mm立方體試件進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度測(cè)試，按規(guī)范對(duì)抗壓強(qiáng)度進(jìn)行折算，折算系數(shù)為0.95，計(jì)算所得28 d立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值見表2。

表2 混凝土配合比設(shè)計(jì)和工作性能

注：PC，浮石混凝土；OC，普通混凝土，下同。

Note: PC represents pumice concrete; OC represents ordinary concrete, same as below.

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)借鑒《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50082-2009）[20]，采用干濕循環(huán)的試驗(yàn)方法，循環(huán)試驗(yàn)制度為24 h完成1次干濕循環(huán)，干濕循環(huán)試驗(yàn)方法為：試件先在溶液中浸泡16 h，晾干1 h，然后試件進(jìn)行烘干6 h，溫度保持在（80±5）℃，最后試件冷卻1 h。試件尺寸采用規(guī)范推薦的100 mm′100 mm′100 mm試件，根據(jù)文獻(xiàn)[21-22]，且自然界鹽湖中氯離子濃度高達(dá)108 g/L，試驗(yàn)中對(duì)氯離子濃度進(jìn)行放大，選取濃度為3%NaCl溶液作為侵蝕介質(zhì)，設(shè)計(jì)干濕循環(huán)次數(shù)為120次。

1.4 試驗(yàn)測(cè)試指標(biāo)及方法

1.4.1 質(zhì)量損失率與相對(duì)動(dòng)彈性模量

每隔15次干濕循環(huán)后，利用電子秤（感量為0.1 g）測(cè)定混凝土質(zhì)量，計(jì)算時(shí)選取3個(gè)試件的算術(shù)平均值作為測(cè)定值，計(jì)算混凝土干濕循環(huán)質(zhì)量損失率，見公式（1）。

式中ΔW為次循環(huán)后混凝土質(zhì)量損失率，%；0為混凝土初始質(zhì)量，g；W為次循環(huán)后混凝土質(zhì)量，g。

采用北京耐爾得智能科技有限公司NELD-DTV型動(dòng)彈模量測(cè)定儀（精度：0.1%）測(cè)定混凝土橫向基頻，每次測(cè)量重復(fù)測(cè)讀2次以上，并且確保2次連續(xù)測(cè)定值之差不超過測(cè)量的算術(shù)平均值的0.5%。測(cè)定每隔15次干濕循環(huán)后的混凝土橫向基頻，并計(jì)算混凝土干濕循環(huán)相對(duì)動(dòng)彈性模量，見公式（2）。

式中E為次循環(huán)后混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量，%；0為混凝土初始橫向基頻，Hz；f為次循環(huán)后混凝土橫向基頻，Hz。

1.4.2 氯離子最大侵蝕深度

采用硝酸銀顯色法[23-24]，以0.1 mol/L硝酸銀溶液為顯色指示劑，氯離子侵蝕區(qū)域?yàn)殂y白色，無氯離子侵蝕區(qū)域?yàn)樽厣?。測(cè)試試件借助取芯機(jī)對(duì)混凝土鉆芯取樣，芯樣尺寸為48 mm′100 mm（直徑×高）圓柱體，沿切割面均勻噴灑硝酸銀溶液，氯離子侵蝕區(qū)域與未侵蝕區(qū)域中間形成一條明顯的顏色分界線，采用分度值為0.02 mm的游標(biāo)卡尺測(cè)定分界線距離表面的最大深度即為氯離子最大侵蝕深度。測(cè)量干濕循環(huán)次數(shù)30、60、90和120次的2組混凝土各3塊，取3塊試件算術(shù)平均值作為氯離子最大侵蝕深度的試驗(yàn)結(jié)果。

1.4.3 核磁共振測(cè)試分析

采用中國(guó)蘇州紐邁MesoMR-60型核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）分析系統(tǒng)，測(cè)定干濕循環(huán)次數(shù)0、30、60、90和120次的2組混凝土孔隙特征，測(cè)試前需將混凝土試件進(jìn)行真空飽水24 h，使混凝土達(dá)到飽和狀態(tài)。

根據(jù)核磁共振原理，采用CPMG脈沖序列（carr- purcell-meiboom-gill，CPMG）采集核磁共振數(shù)據(jù)[25]，在沒有梯度場(chǎng)的情況下，對(duì)于孔隙材料[26]，核磁共振總的橫向弛豫速率1/2[27]可以簡(jiǎn)化為

式中2為橫向表面弛豫強(qiáng)度，m/s，2值因樣品不同而取值不同，混凝土的2一般為3～10m /s[28]，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取2=5m /s；為孔隙表面積，m2；為孔隙體積，m3，為孔隙半徑，m。

1.4.4 X射線衍射物相分析

采用荷蘭PA Nalytical B.V.公司的X射線衍射儀（X-ray diffractometer，XRD）（精度：1%）進(jìn)行物相分析，借助Cu靶X射線輻射，衍射波長(zhǎng)=0.15418 ?，輻射管電壓40 kV，電流40 mA，衍射角掃描速度0.4°/s，步長(zhǎng)0.02°，掃描范圍（2）為5°～90°。選取干濕循環(huán)次數(shù)0和120次的2組混凝土，對(duì)距試件表面0～5 mm處水泥漿體進(jìn)行取樣，人工碾碎后過0.125 mm篩，進(jìn)行XRD物相分析測(cè)試。

1.4.5 掃描電鏡分析

采用日本Hitachi公司S-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）進(jìn)行微觀形貌分析，放大倍率20～800 000倍，測(cè)定干濕循環(huán)次數(shù)0和120次的2組混凝土微觀形貌，測(cè)試前需將小塊混凝土試件放置在（60±5）℃的烘箱中烘干至恒質(zhì)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量損失率與相對(duì)動(dòng)彈性模量變化

圖1所示為氯鹽侵蝕過程中混凝土質(zhì)量損失率與相對(duì)動(dòng)彈性模量變化情況，從圖1a可知，浮石混凝土（PC）與普通混凝土（OC）的質(zhì)量損失變化率均可劃分為3段：下降段、上升段、下降穩(wěn)定段，且存在明顯“拐點(diǎn)”，第1個(gè)“拐點(diǎn)”為質(zhì)量損失率最小值，標(biāo)志著浮石混凝土與普通混凝土在氯鹽侵蝕作用下質(zhì)量產(chǎn)生損失。第1個(gè)“拐點(diǎn)”前，混凝土質(zhì)量損失率逐漸減小，即質(zhì)量持續(xù)增大，這是因?yàn)榛炷磷陨砭哂休^多的孔隙，在干濕循環(huán)交替作用下，氯鹽溶液反復(fù)進(jìn)出混凝土內(nèi)部，該階段鹽蝕產(chǎn)物逐漸析出，直至鹽蝕產(chǎn)物累積到一定量，達(dá)到拐點(diǎn)。但隨著高溫烘干過程中鹽蝕反應(yīng)程度加劇，會(huì)引起混凝土孔隙與裂紋的進(jìn)一步發(fā)育，促使混凝土表面少量漿體脫落，造成混凝土質(zhì)量損失率增加并趨于穩(wěn)定。

圖1 混凝土質(zhì)量損失率與相對(duì)動(dòng)彈性模量變化

由圖1b可知，浮石混凝土和普通混凝土在干濕循環(huán)45次的相對(duì)動(dòng)彈性模量增長(zhǎng)到最大值105.8%和113.4%，結(jié)合圖1a質(zhì)量損失率變化，該階段混凝土質(zhì)量和相對(duì)動(dòng)彈性模量都在增長(zhǎng)，這是因?yàn)槌跗诼塞}侵蝕混凝土內(nèi)部成分，析出鹽蝕產(chǎn)物填充內(nèi)部孔隙，使混凝土內(nèi)部更加密實(shí)；然后混凝土的質(zhì)量和相對(duì)動(dòng)彈性模量均出現(xiàn)下降，此時(shí)混凝土內(nèi)部鹽蝕反應(yīng)程度加劇，引起內(nèi)部孔隙和裂紋持續(xù)發(fā)育。

2.2 氯離子最大侵蝕深度變化

浮石混凝土和普通混凝土的氯離子最大侵蝕深度隨侵蝕次數(shù)變化情況如圖2所示。從圖中可以看出，浮石混凝土與普通混凝土的最大氯離子侵蝕深度均隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增大而增大，浮石混凝土的最大侵蝕深度為普通混凝土的1.13～1.44倍（<0.01）。造成這種現(xiàn)象有兩方面原因。一方面，在氯鹽溶液的浸泡過程中，由于混凝土孔隙的毛細(xì)作用和濃度的勢(shì)能差作用影響，促使高濃度鹽分通過孔隙向混凝土內(nèi)部低濃度鹽分遷移；在烘干過程中，混凝土內(nèi)部水通過孔隙蒸發(fā)散失，孔隙中溶液氯離子濃度增大，由于濃度梯度影響使氯離子向內(nèi)部遷移；另一方面，由于浮石混凝土中作為粗骨料的浮石，內(nèi)部存在著大量分布不均勻的孔隙，更容易促進(jìn)高濃度鹽分向混凝土內(nèi)部侵入，加快氯離子侵蝕速率。在干濕循環(huán)90次時(shí)，浮石混凝土氯離子最大侵蝕深度與普通混凝土之比為1.44倍（<0.01），此時(shí)達(dá)到最大值。

圖2 混凝土氯離子最大侵蝕深度變化

2.3 核磁共振分析

2.3.12譜分布

核磁共振弛豫時(shí)間2譜積分面積等于或略小于混凝土的有效孔隙，2譜反映了孔隙尺寸的分布，2值小，孔隙??；2值大，孔隙大，因此2譜分布可以反映孔隙體積的大小。圖3為浮石混凝土和普通混凝土核磁共振弛豫時(shí)間2譜分布。

圖3 混凝土核磁共振弛豫時(shí)間T2譜分布

從圖3可以看出，浮石混凝土和普通混凝土的譜面積隨著氯鹽侵蝕而逐漸增大，浮石混凝土譜面積是普通混凝土譜面積的1.0～1.7倍。

2.3.2 孔隙半徑分布

根據(jù)式（3），可以使2譜分布曲線圖轉(zhuǎn)化為孔隙半徑分布圖。圖4為浮石混凝土和普通混凝土核磁共振孔隙半徑分布圖。

圖4 混凝土核磁共振孔隙半徑分布

由圖4a可以看出，經(jīng)歷氯鹽干濕循環(huán)120次侵蝕后，浮石混凝土第1峰孔隙半徑范圍由0.025～0.333m減小到0.010～0.102m，第2峰孔隙半徑范圍由0.357～10.724m減小到0.110～8.124m，第3峰孔隙半徑范圍由11.495～56.752m增大到8.708～56.752m；由圖4b可以看出，經(jīng)歷氯鹽干濕循環(huán)120次侵蝕后，普通混凝土第1峰孔隙半徑范圍由0.003～0.216m增大到0.003～0.220m，第2峰孔隙半徑范圍由0.236～8.124m減小到0.236～6.596m，第3峰孔隙半徑范圍由15.175～52.945m的孔隙半徑范圍增大到7.011～46.082m。

根據(jù)核磁共振孔隙半徑分布，通過統(tǒng)計(jì)將浮石混凝土與普通混凝土的孔隙劃分為微小孔隙（0～0.01m）、小孔隙（>0.01～0.1m）、中小孔隙（>0.1～1.0m）、中孔隙（>1.0～10m）、大孔隙（>10～100m）共計(jì)5部分，混凝土各孔隙半徑區(qū)間占比如表3所示。

表3 混凝土各孔隙半徑區(qū)間占比

由表3可知，浮石混凝土的小孔隙和大孔隙隨著干濕循環(huán)次數(shù)增大而增加，中小孔隙和中孔隙減少，說明浮石混凝土在氯鹽侵蝕過程中，混凝土的破壞主要為內(nèi)部發(fā)育新的小孔隙和中小孔隙向大孔隙和裂紋發(fā)育造成的。普通混凝土的微小孔隙和小孔隙隨著干濕循環(huán)次數(shù)增大而減少，中小孔隙、中孔隙和大孔隙增加，說明普通混凝土在氯鹽侵蝕過程中，混凝土的破壞主要為內(nèi)部的微小孔隙和小孔隙向大孔隙和裂紋發(fā)育造成的。

從表3可以看出，浮石混凝土>0.1～1.0m孔隙所占比重較多，對(duì)于>0.1～1.0m孔隙，在干濕循環(huán)過程中呈現(xiàn)先減少再增多后減少的趨勢(shì)。普通混凝土>0.01～0.1m孔隙所占比重較多，對(duì)于>0.01～0.1m孔隙，干濕循環(huán)過程中同樣呈現(xiàn)先減少再增多后減少的趨勢(shì)（=0.93）。在核磁共振測(cè)試中，由于浮石內(nèi)養(yǎng)護(hù)在浮石混凝土水化過程中水化更加充分，浮石與水泥漿體結(jié)合更加致密，浮石混凝土0～0.01m孔隙半徑范圍中的氫元素信號(hào)并未檢測(cè)到，因此表3中浮石混凝土中并未涉及0～0.01m孔隙。

2.3.3 孔隙度

單從干濕循環(huán)之后的混凝土孔隙度不能全面的分析其孔隙結(jié)構(gòu)特征，因此，引入束縛流體飽和度和自由流體飽和度概念，兩者以2截止值作為分界線。當(dāng)孔隙中流體的弛豫時(shí)間小于2截止值時(shí)，流體主要是以束縛流體形式存在，混凝土試件中主要是微小孔隙；當(dāng)孔隙中流體的弛豫時(shí)間大于2截止值時(shí)，流體主要是以自由流體形式存在，混凝土試件中主要是大、中孔隙。浮石混凝土和普通混凝土的孔隙度與飽和度的關(guān)系如圖5所示。

圖5 混凝土核磁共振孔隙度與飽和度

在氯鹽侵蝕過程中，高溫干燥過程可造成混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干縮微裂紋，常溫浸泡導(dǎo)致氯鹽遷移至混凝土內(nèi)部，二者結(jié)合從而改變混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)。從表3和圖5a分析可知，干濕循環(huán)從0到120次時(shí)，浮石混凝土中孔隙流體主要以自由流體為主，浮石混凝土的孔隙度從1.5%上升到1.9%，增加26.7%；自由流體飽和度從71.2%下降到70.5%，減少1.0%（<0.01），浮石混凝土的小孔隙和大孔隙增多，中小孔隙減少，侵蝕破壞主要為混凝土內(nèi)部發(fā)育新的小孔隙和中小孔隙向大孔隙和裂紋發(fā)育造成的；從表3和圖5b分析可知，普通混凝土中孔隙流體主要以束縛流體為主，普通混凝土的孔隙度從0.9%上升到1.6%，增加77.8%；束縛流體飽和度從83.9%下降到78.2%，減少7.3%（<0.01），普通混凝土的微小孔隙和小孔隙減少，大孔隙增多，侵蝕破壞主要為混凝土內(nèi)部的微小孔隙和小孔隙向大孔隙和裂紋發(fā)育造成的。

2.4 X射線衍射物相分析

浮石混凝土和普通混凝土氯鹽干濕循環(huán)侵蝕0和120次的XRD物相分析如圖6所示。

注：2θ為掃描范圍，（°）。

由圖6可知，2組混凝土初始未受氯鹽干濕循環(huán)侵蝕的主要物相為石英SiO2、石膏CaSO4×2H2O、方解石CaCO3、羥鈣石Ca(OH)2、C-S-H膠體和鈣礬石AFt；經(jīng)歷120次氯鹽干濕循環(huán)侵蝕后，2組混凝土內(nèi)部產(chǎn)生復(fù)雜化學(xué)鹽蝕反應(yīng)，水泥漿體C-S-H和AFt中的3CaO×Al2O3、Ca(OH)2與氯鹽中游離的氯離子發(fā)生反應(yīng)，生成不溶性“Friedel”鹽，其化學(xué)反應(yīng)式如式（4）、式（5）所示。

2.5 掃描電鏡分析

浮石混凝土和普通混凝土氯鹽干濕循環(huán)侵蝕0和120次的掃描電子顯微鏡圖如圖7所示。浮石混凝土和普通混凝土經(jīng)歷120次氯鹽干濕循環(huán)侵蝕后，混凝土內(nèi)部更為致密，水泥漿體表面附著鹽蝕產(chǎn)物。對(duì)比2組混凝土掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）照片可知，普通混凝土比浮石混凝土更加致密，浮石混凝土由于內(nèi)部分布著大量不均勻的孔隙，加快氯離子侵蝕速率，其內(nèi)部裂紋發(fā)育明顯。

圖7 混凝土掃描電鏡微觀結(jié)構(gòu)形貌

3 結(jié) 論

1）在氯鹽干濕循環(huán)侵蝕下，浮石混凝土和普通混凝土的質(zhì)量損失變化率趨勢(shì)相一致，可劃分為3段：下降段、上升段、下降穩(wěn)定段，且存在明顯“拐點(diǎn)”；浮石混凝土和普通混凝土在干濕循環(huán)45次相對(duì)動(dòng)彈性模量增長(zhǎng)到最大值，分別為105.8%和113.4%；浮石混凝土與普通混凝土的最大氯離子侵蝕深度均隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增大而增大，且浮石混凝土的最大侵蝕深度為普通混凝土的1.44倍。

2）研究發(fā)現(xiàn)在氯鹽侵蝕過程中，浮石混凝土中孔隙流體主要以自由流體為主，>0.1～1.0m孔隙為全部孔隙的重要組成部分，侵蝕破壞主要為混凝土內(nèi)部發(fā)育新的小孔隙和中小孔隙向大孔隙和裂紋發(fā)育造成的；普通混凝土中孔隙流體主要以束縛流體為主，>0.01～0.1m孔隙為全部孔隙的重要組成部分，侵蝕破壞主要為混凝土內(nèi)部的微小孔隙和小孔隙向大孔隙和裂紋發(fā)育造成的。

3）2組混凝土氯鹽侵蝕后均生成以Friedel鹽為代表的多種腐蝕結(jié)晶物，普通混凝土比浮石混凝土內(nèi)部水泥漿體更加致密，且浮石混凝土內(nèi)部出現(xiàn)明顯裂紋。

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Durability of pumice concrete under chloride erosion and wet-dry cycling conditions

Liu Qian, Shen Xiangdong※, Xue Huijun, Wang Renyuan, Liu Zheng

(010018,)

There are a large number of salt lakes distributed in Northwest China. The salt lake water is mainly composed of compound brine with multiple ions. The chloride ion shows the highest ion concentration in the salt lakes of Inner Mongolia, and a large area of saline soil is distributed around the salt lake. Due to the harsh climatic conditions and complex soil environment, concrete engineering structures and materials are often suffered from chloride erosion. In order to study the chloride ion erosion mechanism of pumice concrete under dry-wet cycle conditions, the indoor accelerated corrosion simulation test method is applied with pumice concrete and ordinary concrete as the test group and control group to study the mass loss of pumice concrete, the relative dynamic elastic modulus and the maximum depth of chloride ion erosion by chloride salt erosion and dry-wet cycle test in this paper. The nuclear magnetic resonance technology is used to invert the relaxation time2spectrum of pumice concrete on 0, 30, 60, 90, and 120 days. According to the relationship between the relaxation time2and pore radius, the2spectrum distribution can convert into the pore radius distribution. Thus, the 0-100m pores of concrete are divided into five grades: micro pores (0-0.01m), small pores (>0.01-0.1m), mid-small pores (>0.1-1.0m), medium pores (>1.0-10m) and large pores (>10-100m). Based on the comprehensive analysis of porosity, bound fluid saturation and free fluid saturation, the microscopic pore structure of pumice concrete under dry-wet cycles is analyzed. Moreover, the X-ray diffraction phase analysis and scanning electron microscope analysis are conducted on the internal microstructure of pumice concrete after chloride erosion to investigate the resistance to chloride ion erosion of pumice concrete. The results show that the mass loss rates of pumice concrete and ordinary concrete are consistent with the trend of relative dynamic elastic modulus under the action of chloride salt erosion; the maximum chloride ion erosion depths of pumice concrete and ordinary concrete increases with chloride salt erosion; with the level of chloride salt erosion upgrading, the spectral areas of pumice concrete and ordinary concrete gradually increased; the poreradius ranges of the first and second peaks of pumice concrete decreased, while that of the third peak increased; the poreradius ranges of the first and third peaks of ordinary concrete increase, while that of the second peak decreased; the pumice concrete erosion damage is mainly caused by large pores and cracks which are developed from the small and mid-small newborn pores, whereas the ordinary concrete erosion damage is primarily induced by the micro and small pores developing towards large pores and cracks. After chloride salt erosion, both pumice concrete and ordinary concrete produce a variety of corrosion crystals represented by Friedel salt. This paper can provide a theoretical basis for pumice concrete in the construction of agricultural water conservancy under the environment of chloride salt.

concrete; erosion; porosity; chloride salt; dry-wet cycle; pumice; micromorphology; pore structure

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.017

TU528；TV431；S277.7

A

1002-6819(2018)-21-0137-07

2018-05-11

2018-09-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51569021，51769025）

劉 倩，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)水工建筑的研究。 Email：874909735@qq.com

申向東，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事混凝土耐久性和環(huán)境力學(xué)研究。Email：ndsxd@163.com

劉 倩，申向東，薛慧君，王仁遠(yuǎn)，劉 政.氯鹽侵蝕和干濕循環(huán)條件下浮石混凝土的耐久性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(21)：137－143. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.017 http://www.tcsae.org

Liu Qian, Shen Xiangdong, Xue Huijun, Wang Renyuan, Liu Zheng. Durability of pumice concrete under chloride erosion and wet-dry cycling conditions[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(21): 137－143. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.017 http://www.tcsae.org