寧夏鹽漬土地區(qū)現(xiàn)場暴露混凝土耐久性損傷評價試驗

喬宏霞　路承功　李宇　關利娟

摘要：以摻有不同粉煤灰量的混凝土試件為研究對象，將3種配合比的混凝土試件暴露在具有典型鹽漬土特征的寧夏地區(qū)，選取相對質量和相對動彈性模量作為評價參數(shù)，通過比較分析得出一種更加適合鹽漬土地區(qū)現(xiàn)場暴露混凝土耐久性損傷的綜合評價參數(shù)。同時結合現(xiàn)場暴露混凝土微觀分析對鹽漬土地區(qū)混凝土受硫酸鹽侵蝕的劣化機理進行了研究，從微觀角度分析了鹽漬土地區(qū)混凝土耐久性能變化的原因。結果表明：混凝土在鹽漬土地區(qū)受到復雜的化學侵蝕，與土壤中的硫酸鹽反應生成了硫鋁酸鈣晶體填充在孔隙中，綜合損傷評價參數(shù)能很好地描述鹽漬土地區(qū)混凝土的耐久性。

關鍵詞：混凝土；現(xiàn)場暴露；鹽漬土；耐久性；損傷評價；硫酸鹽侵蝕

中圖分類號：TU528文獻標志碼：A

Abstract： The concrete specimens with different amounts of fly ash were taken as research object. The concrete specimens of three kinds of mix ratio were exposed to saline soil with typical characteristics in Ningxia area. The relative mass and relative dynamic elastic modulus were selected as evaluation parameters. Through the comparative analysis， the more suitable comprehensive damage assessment parameters of durability evaluation of the concrete field exposed in the saline area were obtained. At the same time， the degradation mechanism of concrete under sulfate erosion in saline soil was studied combining with microcosmic analysis of field exposed concrete. The reasons for the durability change of concrete in saline soil area were analyzed from micro perspective. The results show that the concrete is subjected to complex chemical erosion in the saline soil area， and react with sulfate in soil to form calcium sulphoaluminate crystals which is filled in the pore. The durability of concrete in saline soil area can be well described by the comprehensive damage assessment parameters.

Key words： concrete； field exposure； saline soil； durability； damage assessment； sulfate erosion

0引言

寧夏位居歐亞大陸橋中國段關鍵節(jié)點，是中國惟一以省域為單位的內(nèi)陸開放型經(jīng)濟試驗區(qū)[1]。近年來，隨著中國“一帶一路”戰(zhàn)略的實施和“中國阿拉伯國家博覽會”的成功舉辦，該地區(qū)迎來了新一輪建設高潮?；炷劣捎谄渚哂薪?jīng)濟適用、易于成型、強度高等優(yōu)點，成為工程建設的首選原材料。然而，寧夏地區(qū)環(huán)境特殊，是西部眾多鹽漬土地區(qū)之一，該地區(qū)晝夜溫差大，干旱少雨，風大沙多，處于這一地區(qū)的混凝土受到硫酸鹽和冷熱、干濕、凍融循環(huán)交替相互作用的影響，混凝土易出現(xiàn)表面起皮、棱角脫落、裂縫長度和深度顯著增大的現(xiàn)象，部分體表面積大的混凝土呈蜂窩狀，極大降低了混凝土的承載能力和使用壽命[24]。對該地區(qū)硫酸鹽侵蝕環(huán)境下混凝土耐久性問題的研究是進行工程建設時必須高度重視的一個課題。

董宜森等[5]基于斷裂力學理論，采用三點彎曲梁試驗方法，研究了混凝土在硫酸鹽侵蝕和干濕循環(huán)雙重因素作用下雙K斷裂參數(shù)等斷裂性能的劣化規(guī)律，結果表明起裂荷載與最大荷載的比值大致分布在0.55～0.90，在侵蝕初期，失穩(wěn)韌度和起裂韌度均有較明顯的增大，起裂韌度較失穩(wěn)韌度對硫酸鹽侵蝕因素的影響敏感；聶彥鋒等[6]應用粗糙集理論對受硫酸鹽侵蝕的混凝土評價指標權重進行了分析，指出超聲波波速和長度變化率的權重系數(shù)最大，回彈值次之，質量變化率和侵蝕深度最小；楊英姿等[7]研究了在不同養(yǎng)護制度下?lián)脚c未摻防凍劑混凝土的抗壓強度、50次凍融循環(huán)強度損失率及滲透系數(shù)，參照防凍劑標準提出了一種負溫混凝土結構損傷評價參數(shù)和基于混凝土長期耐久性的未來防凍劑設計方向，并指出適當延長正溫養(yǎng)護時間是提高混凝土耐久性的重要措施。劉道維等[810]研究了摻有粉煤灰、礦渣等摻和料及不同水灰比的混凝土試塊在不同濃度硫酸鹽溶液中進行干濕循環(huán)和兩者共同耦合作用時的侵蝕情況，并分析了硫酸鹽侵蝕劣化機理，結果表明粉煤灰和礦渣都能夠很好地改善混凝土抗硫酸鹽侵蝕的性能，隨著干濕循環(huán)次數(shù)和硫酸鹽濃度的增加，其損傷程度越來越嚴重。其他學者也對不同種類混凝土在硫酸鹽等侵蝕環(huán)境下的耐久性問題進行了研究，豐富了混凝土抗腐蝕性能的理論[1118]。

目前，對混凝土耐久性方面的研究主要集中在以地區(qū)原材料為基礎的室內(nèi)模擬加速方面，基于現(xiàn)場暴露的混凝土抗硫酸鹽侵蝕研究較少。混凝土耐久性影響因素較多，失效機理復雜，所得成果很難準確反映復雜實際環(huán)境下混凝土性能退化的真實情況，得出的結論與實際情況往往有較大偏差。本文將以寧夏地區(qū)作為鹽漬土地區(qū)的一個典型區(qū)域，測量混凝土在不同暴露時間段內(nèi)的質量和超聲波，通過比較分析并結合受侵蝕后混凝土微觀分析得出一種更加適合鹽漬土地區(qū)的評價參數(shù)進而研究現(xiàn)場暴露環(huán)境下混凝土的耐久性。

1原材料與試驗方法

1.1原材料

試驗選用祁連山水泥公司生產(chǎn)的P42.5的普通硅酸鹽水泥，各項性能指標見表1；粉煤灰采用蘭州二熱廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰；粗集料采用甘肅華隴混凝土有限責任公司生產(chǎn)的碎石，含水率為0.15%，表觀密度為2 660 kg·m-3；細集料采用蘭州安寧的河砂，含水率為3.3%，表觀密度為2 581 kg·m-3，細度模數(shù)為3.18，屬于中砂；減水劑采用蘭州宏建商品混凝土有限責任公司提供的聚羧酸高效減水劑，減水率為18%左右，摻量（質量分數(shù)）為2.1%。

1.3試驗方案

在埋置之前，對試件進行初始數(shù)據(jù)采集，包括試件質量M，A，B端的超聲波波速VA，VB和長度方向的超聲波波速V，并且每隔60 d采集1次試件的質量和超聲波。由于現(xiàn)場暴露環(huán)境復雜，不確定因素較多，為確保試驗的嚴謹性和準確性，盡量減少試驗過程中的誤差，本文分別選取寧夏中衛(wèi)市和中衛(wèi)市興仁鎮(zhèn)2個現(xiàn)場暴露試驗點埋置試件，每個點埋置3種配合比的試件，每種水膠比的試件3個，2個暴露點共18個試件。

1.4耐久性評價參數(shù)和損傷評價參數(shù)設計

對混凝土基本性能評價常用的指標主要有4個：相對動彈性模量、質量損失率、抗折強度與抗壓強度?？紤]到本文試驗需收集大量數(shù)據(jù)，抗折、抗壓試驗屬于破壞性試驗，而相對質量和相對動彈性模量可以對同一個試件進行多次測量，同時也避免了不同試件差異性所帶來的誤差，所以本文試驗參考了文獻[21]設計的混凝土耐久性指標，選取相對質量評價參數(shù)ω1和相對動彈性模量評價參數(shù)ω2作為混凝土試件耐久性評價參數(shù)。質量用分度值為0.1 g的電子稱進行測量，相對動彈性模量用NM4A非金屬超聲波檢測分析儀測量。針對試件A，B端侵蝕環(huán)境及含水率的不同，所測聲速也會有差異，所以在每次測試時分別測量每個試件兩端的超聲聲速，以研究其變化趨勢。

從圖1～3中可以看出，在現(xiàn)場暴露環(huán)境下，1號點3種水膠比混凝土試件的60 d相對質量評價參數(shù)ω1都出現(xiàn)了不同程度的波動，其中NX13組試件波動幅度最大，NX14組試件次之，NX15組試件波動最小，該水膠比試件在600 d時評價參數(shù)出現(xiàn)了最大值1.267。從開始暴露到120 d時間段內(nèi)，3組試件相對質量都增加了，且NX14組試件達到了其在整個暴露時間段內(nèi)的最大值1.142，之后3組試件相對質量都開始出現(xiàn)波動式的交替變化。從暴露年限上看，3組試件損傷評價參數(shù)第2年（360～720 d）的波動趨勢和頻率與第1年（0～360 d）相似，但增大趨勢有所減弱。在300 d的時候，NX13，NX15組試件相對質量評價參數(shù)ω1達到最大值，分別為1.338，1.104。整體來看，3組試件相對質量評價參數(shù)雖然都出現(xiàn)了波動，但其值基本都在1.0以上，表明在暴露720 d內(nèi)試件的質量較室內(nèi)養(yǎng)護28 d時有所增強，究其原因主要是土壤中硫酸鹽的侵入與水化反應生成的Ca（OH）2發(fā)生置換反應生成石膏，進而與先期產(chǎn)物鋁酸鈣反應生成鈣礬石。

3種水膠比試件的A端相對動彈性模量ω2A呈現(xiàn)出前期減小，中期穩(wěn)步增大，后期減小的波動趨勢。NX13和NX15組試件在600 d時相對動彈性模量達到最大值0.999和0.840，NX14組試件在660 d時達到最大值1.011。B端的相對動彈性模量ω2B呈現(xiàn)出前期減小，中期穩(wěn)定，后期波動增大的趨勢，且在720 d時相對動彈性模量評價參數(shù)都超過了1.0，表明3種水膠比試件的性能都得到了提升。這主要是因為土壤中侵入的硫酸鹽與混凝土中水化產(chǎn)物反應生成了硫鋁酸鈣晶體，這些晶體填充在孔隙中，改善了混凝土性能。同時可以看到，混凝土試件的ω2A，ω2B以NX13組試件的波動程度最大，NX14組次之，NX15組最小，且A，B兩端中期波動時的相對動彈性模量極值不同，如在360 d時A端的ω2為波谷，而B端表現(xiàn)為上升態(tài)勢，這表明暴露在空氣中的A端和埋在土中的B端損傷劣化機理不同，隨著時間的延長兩者又表現(xiàn)出同步波動。

對于綜合損傷評價參數(shù)ωA，ωB，兩者表現(xiàn)出較強的同步性，從開始暴露到120 d的時間內(nèi)，3種水膠比試件的ωA，ωB均呈現(xiàn)出下降趨勢，表明在這段時間內(nèi)由于受到外界侵蝕環(huán)境的影響，試件性能在降低。之后出現(xiàn)波動式的變化，其中第2年（360～720 d）內(nèi)的綜合損傷評價參數(shù)值比第1年（0～360 d）略高，說明在第2年內(nèi)由于內(nèi)部水化反應的加強，試件的性能得到了強化?？偟膩砜?，3種水膠比試件的ωA，ωB都在0～1.0范圍內(nèi)波動，表明試件在埋置點暴露720 d后均受到了一定程度的損傷。

2.22號點3種水膠比試件耐久性損傷評價參數(shù)

2號點3種水膠比混凝土試件的相對質量評價參數(shù)、相對動彈性模量評價參數(shù)及綜合損傷評價參數(shù)的變化如圖4～6所示。

從圖4～6中可以看出，隨著暴露時間的延長，3種水膠比試件的相對質量評價參數(shù)ω1都表現(xiàn)出波動式變化，但與1號點相比變化幅度不大，都在1.0附近波動。從開始暴露至180 d的時間段內(nèi)NX23，NX24組試件的相對質量呈上升趨勢，ω1達到了暴露時間內(nèi)的第1個峰值1.296和1.120，之后微小波動并在420 d和360 d時ω1出現(xiàn)整個暴露時間段內(nèi)的第1個波谷值1.178和0.999；NX25組試件的ω1持續(xù)增大直至240 d達到1.061，在360 d時ω1出現(xiàn)整個暴露時間內(nèi)的最小值0.951。從年限上來看，3種水膠比試件第1年（0～360 d）的波動頻率和趨勢與第2年（360～720 d）基本吻合，但第2年的波動較第1年更平緩一些。整體來看，除了個別時間點外，3組試件的ω1均大于1.0，表明在暴露時間段內(nèi)試件的質量均有所增加；3種水膠比試件中以NX23組試件變化最為劇烈，NX24組次之，NX25組最小。

除了NX23組混凝土試件的ω2在60 d內(nèi)出現(xiàn)短暫增大之外，3種水膠比試件A端ω2在前期暴露時間段內(nèi)均出現(xiàn)了較大幅度降低，達到了整個暴露時間內(nèi)的最小值0.432，0.347和0.510。之后迅速回升，然后保持穩(wěn)定波動。在第2年內(nèi)，出現(xiàn)了與第1年頻率與趨勢相似的波動，但波動的幅值明顯減小。在此過程中除NX23組試件在個別時間點的ω2A峰值超過1.0外，其他2種配合比試件的ω2A值均小于1.0，表明NX24，NX25組試件在暴露時間段內(nèi)性能降低，出現(xiàn)了不同程度的損傷。同A端的相對動彈性模量評價參數(shù)一樣，B端的ω2B也出現(xiàn)前期減小然后迅速回升，在穩(wěn)定波動一段時間后繼續(xù)重復與第1年類似的波動。同時也觀察到B端的ω2B在360～720 d的暴露時間段內(nèi)呈現(xiàn)出波動式穩(wěn)步增大，且在720 d時NX23，NX24組試件的ω2B均大于1.0，表明試件在第2年內(nèi)性能增強。

3種水膠比試件A，B兩端綜合評價參數(shù)ω在0～120 d時間段內(nèi)均呈下降趨勢，其中A端下降幅度比B端大，表明初期A端受環(huán)境侵蝕作用比B端更加明顯。隨著時間延長，ωA，ωB值回升并保持穩(wěn)定波動，在360 d時又出現(xiàn)一次較大幅度下降之后保持了較穩(wěn)定的增加。同時觀察到在第2個暴露期內(nèi)，不同試件B端的綜合損傷評價參數(shù)要比A端的波動幅度小，這可能是氣候條件對在空氣中暴露的A端影響更大。

綜上所述，對比2個埋置點3種水膠比的試件可以看到，相對質量評價參數(shù)值波動較小，除個別時間段外其值基本都在1.0以上波動，其中水膠比為0.30的試件波動幅度最小。如果單純以ω1作為混凝土耐久性評價參數(shù)則不能客觀反映混凝土損傷程度。與ω1相比，相對動彈性模量評價參數(shù)ω2則表現(xiàn)出較大的波動，2個埋置點3種水膠比的試件在第1年內(nèi)的波動頻率和趨勢與第2年相似，且隨著暴露時間的延長，波動幅度越小，究其原因主要是室內(nèi)養(yǎng)護28 d的混凝土試件中含有較多未參與水化的游離態(tài)水，在暴露初期，受外界環(huán)境氣候影響，孔隙中游離態(tài)水蒸發(fā)到空氣中，減緩了內(nèi)部的水化；隨著暴露時間的延長，試件中的粉煤灰發(fā)生二次水化反應，后期強度發(fā)展較快，在吸收了土壤和空氣中的水分后繼續(xù)水化反應，從而提高了試件的強度；對比2個埋置點3種水膠比試件發(fā)現(xiàn)，A端的波動程度比B端大，表明暴露端受到氣候變化的影響較大；在360～720 d內(nèi)，ω2A下降趨勢比ω2B陡，這主要是因為隨著時間的延長，埋在土中的B端混凝土與土壤中的SO2-4，HCO-3等離子發(fā)生了化學反應，并與自身水化產(chǎn)生的鋁酸鈣晶體反應形成了一種新的硫鋁酸鈣晶體，使得混凝土自身致密程度增加。因此，在研究鹽漬土地區(qū)混凝土損傷破壞時宜選擇波動規(guī)律較好的B端相對動彈性模量進行耐久性綜合損傷評價參數(shù)的計算。同時也看到，不同埋置點中，無論是相對質量評價參數(shù)、相對動彈性模量評價參數(shù)還是綜合損傷評價參數(shù)，水膠比為0.43的試件波動最為劇烈，水膠比為0.35的試件次之，水膠比0.30的試件波動相對較平緩些，這說明NX15，NX25混凝土試件耐久性最好。

2.3現(xiàn)場暴露混凝土試件微觀機理分析

利用SEM掃描電鏡觀察混凝土試樣在現(xiàn)場暴露環(huán)境下生成水化產(chǎn)物的微觀形態(tài)，從而進一步研究試件在鹽漬土地區(qū)現(xiàn)場暴露時其水化產(chǎn)物對混凝土強度及耐久性能的影響。不同配合比試件A，B端的SEM圖像如圖7～10所示。試驗所用的儀器為中國科學院蘭州化學物理研究所的JSM5600LV掃描電子顯微鏡，HV分辨率為3.5 nm，LV分辨率為5.0 nm，放大倍數(shù)為18～300 000。本文試驗選取5 000倍的SEM圖像進行研究。

本文試驗所用的膠結材料有普通硅酸鹽水泥和粉煤灰，主要礦物成分有硅酸二鈣（C2S）、硅酸三鈣（C3S）、鋁酸三鈣（C3A）及鐵鋁酸四鈣（C4AF），其在標準養(yǎng)護階段發(fā)生水化反應生成硅酸鈣凝膠（CSH）、氫氧化鈣晶體、水化鐵酸鈣凝膠及鋁酸鈣晶體。C2S水化反應速度慢，是后期強度增加的主要原因，C3S水化速度快且在反應過程中釋放大量的熱量。28 d標準養(yǎng)護后將試件埋置在鹽漬土地區(qū)，隨著暴露時間的延長，硫酸根離子侵入混凝土中與前期水化產(chǎn)物Ca（OH）2發(fā)生置換反應生成石膏。當石膏存在時會與水化反應生成的鋁酸鈣發(fā)生反應生成高硫型水化鋁酸鈣晶體（AFt），簡稱鈣礬石，該晶體呈針狀。在生成鈣礬石過程中晶體的體積會增大，產(chǎn)生較大的膨脹壓力導致混凝土開裂，也將這種腐蝕稱為“E”鹽腐蝕。若石膏在C3A完全水化前消耗完，則AFt與C3A作用生成單硫型水化鋁酸鈣晶體（AFm）。在硫酸根離子濃度很高時，反應生成的CaSO4會直接在混凝土孔隙中結晶成石膏，導致液相石灰濃度降低和混凝土體積增大，使得水泥石中膠凝物質分解和混凝土開裂破壞，稱這類腐蝕為“G”鹽腐蝕。同時，粉煤灰中含有活性礦物成分SiO2和Al2O3，這些活性成分也會與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2發(fā)生二次水化反應，生成硅酸鈣凝膠及鋁酸鈣晶體，期間會消耗大量的Ca（OH）2，從而減少了其與硫酸鹽反應生成石膏的數(shù)量。石膏數(shù)量的減少又會減少膨脹產(chǎn)物鈣礬石的數(shù)量，與此同時生成大量CSH無定形凝膠填充在混凝土孔隙中，增加了混凝土的致密程度，改善了混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力。

由圖7～10中可以看出，A，B端斷面處未看到六角形的Ca（OH）2晶體，但有較多的纖維狀、顆粒狀、薄片狀、層狀及短柱狀的膠體，說明在暴露期間混凝土試件與粉煤灰中的活性SiO2和活性Al2O3發(fā)生了較充分的二次水化反應生成大量水化硅酸鈣（CSH）凝膠。CSH呈無定形的凝膠相，其化學成分不固定且結晶度極差，當水泥熟料中的阿利特和貝利特相在溫度和含水量不同時就會產(chǎn)生不同的CSH相。此外，水化產(chǎn)物的形貌還與鈣硅比、熟料的活性、水化時溶液中離子的過飽和度有很大的關系。因此，CSH的形貌較復雜，呈現(xiàn)出纖維狀、團簇顆粒狀、網(wǎng)絡狀、層狀及短柱狀等眾多形態(tài)。由于混凝土試件長期暴露在空氣中，生成的Ca（OH）2晶體還會與環(huán)境中的CO2和H2O反應后分解，使得Ca（OH）2含量進一步減少。

除了明顯的絮狀、層塊狀及短柱狀的水化硅酸鈣凝膠外，還可以清晰看到少量針狀集合體，這主要是水化反應生成的鋁酸鈣晶體與環(huán)境中的硫酸鹽發(fā)生反應生成了硫鋁酸鈣晶體（鈣礬石）。對比NX15試件A，B兩端SEM圖發(fā)現(xiàn)，A端有較為致密的層狀結晶體且顆粒圓滑細膩，而B端有少量的孔隙，孔隙表面有較多針狀的硫鋁酸鈣晶體，表明先期水化反應生成的C3A與硫酸鹽發(fā)生了反應使得埋置在土壤中的B端受到硫酸鹽侵蝕作用比A端大許多，腐蝕效果明顯。少量的鈣礬石能夠提高混凝土的性能，這也是混凝土試件初期強度增加的主要原因，但是過量的鈣礬石會對混凝土造成破壞，隨著暴露時間的增加，混凝土最終會因硫酸鹽的侵蝕而破壞。此外，這些晶體的形成會降低過渡層的孔隙率并改善其性能。這與通過相對質量、相對動彈性模量及綜合損傷評價指標所得出的結論具有較高的一致性。3結語

（1）相對質量評價參數(shù)ω1和相對動彈性模量評價參數(shù)ω2能直觀表征在暴露環(huán)境下混凝土的劣化性能，但單純以1個評價參數(shù)不能客觀準確衡量現(xiàn)場暴露混凝土的耐久性，綜合考慮相對質量和相對動彈性模量的優(yōu)化綜合損傷評價參數(shù)ω能很好地描述在鹽漬土地區(qū)暴露混凝土的耐久性能。暴露720 d的混凝土試件耐久性能受到劣化但未達到破壞。

（2）鹽漬土地區(qū)的混凝土受到外界環(huán)境侵蝕作用，隨著暴露時間的增加，侵蝕作用越來越明顯。暴露端和埋置端侵蝕劣化稍有不同，埋置在土壤里面的混凝土受到硫酸鹽的侵蝕比暴露在空氣中的混凝土大?；炷猎诹蛩猁}環(huán)境作用下生成針狀的硫鋁酸鈣晶體填充在孔隙中。

（3）鹽漬土地區(qū)混凝土前期水化反應是其強度增加的主要原因，后期強度發(fā)展主要是因為前期水化產(chǎn)物鋁酸鈣與硫酸鹽進一步反應生成鈣礬石使混凝土致密性增加。粉煤灰的摻入使得二次反應較為徹底，在水化產(chǎn)物的微觀形貌中沒有看到明顯的Ca（OH）2晶體。

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