風(fēng)積沙超高性能混凝土耐久性實驗研究

王聚瑞 劉洋 歐忠文 劉晉銘 王飛 羅偉 熊志卿 徐彬彬

摘? ? ? 要： 我國風(fēng)積沙覆蓋面積巨大，覆蓋了我西北、東北方向大部分區(qū)域。同時該區(qū)域建筑材料資源匱乏，將風(fēng)積沙作為骨料制備混凝土具有重大研究價值。以風(fēng)積沙混凝土為研究對象，探討凍融循環(huán)、抗硫酸鹽浸泡、耐硫酸鹽侵蝕對風(fēng)積沙混凝土耐久性能帶來的影響，結(jié)果表明：凍融循環(huán)對風(fēng)積沙混凝土的抗壓強(qiáng)度的影響最大，干濕循環(huán)硫酸鹽侵蝕次之，硫酸鹽浸泡最小;劈裂抗拉強(qiáng)度受凍融循環(huán)次數(shù)、硫酸鹽浸泡以及酸鹽侵蝕影響較小，但隨著干濕循環(huán)硫酸鹽侵蝕循環(huán)次數(shù)的增加，強(qiáng)度先迅速下降，然后逐漸上升，然后迅速下降。

關(guān)? 鍵? 詞：風(fēng)積沙;混凝土;耐久性

中圖分類號：TU 528? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2019）10-2210-04

Abstract： China desert sands cover a large area， covering most of the northwest and northeast of China. At the same time， there is a lack of building material resource in this region， so it is of great research value to prepare concrete with desert sand as aggregate. In this paper， the effect of freeze-thaw cycles， sulfate immersion resistance and sulfate erosion resistance on the durability of desert sand concrete was investigated. The results showed that freeze-thaw cycles had the greatest impact on the compressive strength of desert sand concrete， followed by dry-wet cycling sulfate erosion， the effect of sulfate immersion was the smallest， and the splitting tensile strength was slightly affected by freeze-thaw cycles and sulfuric acid salt immersion and salt erosion， but with the increase of sulfate erosion cycles in wet and dry cycle， the strength decreased rapidly at first， then increased gradually， and then decreased rapidly.

Key words： Desert sand; Concrete; Durability

我國風(fēng)積沙覆蓋面積近125萬km2，占全國陸地面積的13%，主要分布在新疆、內(nèi)蒙古、甘肅、青海、寧夏、陜西、遼寧和黑龍江等地，覆蓋了我西北、東北方向大部分區(qū)域。西北、東北方向邊境線大都遠(yuǎn)離江河，建筑材料資源匱乏。就地取材，以邊界區(qū)域自有風(fēng)積沙作為混凝土組成材料，可以降低建設(shè)難度、節(jié)省建設(shè)成本、縮短建設(shè)周期。因此，開展風(fēng)積沙混凝土的研究具有重要意義。

從全球針對混凝土的使用，因混凝土耐久性不足，導(dǎo)致大量問題出現(xiàn)，影響工程及設(shè)計的應(yīng)用效果。這種現(xiàn)象導(dǎo)致資源的浪費，而且因混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題，造成的維修費用，嚴(yán)重超出工程造價的預(yù)算范圍[1]。耐久性的惡劣影響，會促使工程重建，增加工程支出[2]。我國的混凝土在惡劣環(huán)境的使用壽命較短，平均無法超過20年。在沙漠環(huán)境下，針對混凝土的耐久性研究，是一項重要工作，直接影響后期施工的質(zhì)量。根據(jù)我國特有的地質(zhì)特征，沙漠中的可溶鹽濃度大約在0.14%～1.32%，pH值在8.4～9.6之間，氯化物和碳酸鹽的比例較多[3]。在我國北方城市，沙漠中的混凝土結(jié)構(gòu)因為環(huán)境影響，經(jīng)常遭遇風(fēng)蝕[4]、鹽侵[5]、凍融[6，7]、干濕交替等，為了保證混凝土結(jié)構(gòu)能夠在復(fù)雜的環(huán)境下，擁有較高的耐久性，使用風(fēng)積沙超高性能積沙混凝土，提高對環(huán)境的抵抗能力，保證材料的耐久性。根據(jù)統(tǒng)計，我國的混凝土結(jié)構(gòu)有一半以上需要進(jìn)行鑒定加固，處于寒冷以及常年風(fēng)沙大的混凝土結(jié)構(gòu)，都嚴(yán)重影響了混凝土的耐久性[8]。

因此，處于寒冷、高鹽環(huán)境、高氯離子環(huán)境風(fēng)積砂混凝土的耐久性問題，是風(fēng)積砂混凝土推廣應(yīng)用中亟待解決的基礎(chǔ)理論研究課題，需要進(jìn)一步提高混凝土耐久性針對超高風(fēng)積沙性能混凝土耐久性的研究。

1? 實驗部分

1.1? 實驗材料

水泥：江南小野田水泥有限公司生產(chǎn)的P.II52.5水泥;硅灰：甘肅三遠(yuǎn)硅材料有限公司提供的硅灰，比表面積為22 m2/g，活性指數(shù)105%～130%，需水率116%～122%;礦渣：本試驗所用渣粉來自重慶海皇建材科技有限公司;粉煤灰：本研究所采用粉煤灰由重慶華珞粉煤灰公司生產(chǎn)，采用符合中國標(biāo)準(zhǔn)GB 1596-2017[9]的一級粉煤灰。

風(fēng)積沙：本研究中風(fēng)積沙取自新疆巴音郭楞地區(qū)。在（105±3）℃條件下烘干至恒重后，采用振篩儀對風(fēng)積沙進(jìn)行粒徑篩分，其粒徑分布主要在0.075～0.3 mm之間，共占比95.3%，詳見表1。

按照國家標(biāo)準(zhǔn)對風(fēng)積沙理化性質(zhì)進(jìn)行測試[10]，得到風(fēng)積沙細(xì)度模數(shù)為0.75，表觀密度是2 913.72 kg/m3，含泥量0.4%，吸水率0.2%，堅固性 3.59%。風(fēng)積沙化學(xué)組成主要有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO，4種化合物占總量的95%左右，此外還有部分含納、鉀、鎂等化合物，其中SiO2含量70%左右，Al2O3含量10%左右。風(fēng)積沙中礦物組成主要是石英，還有部分長石和白云母，主要成分與河沙相近。

減水劑：研究中減水劑采用重慶科之杰公司生產(chǎn)的Point-S型聚羧酸高效減水劑，其減水率達(dá)29%。

鋼纖維：實驗采用鍍銅微絲鋼纖維，長度為（13±1）mm，直徑為0.22 mm，抗拉強(qiáng)度≥2 800 MPa。

1.2? 實驗方法

1.2.1? 抗凍性能試驗

參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50082-2009，澆筑尺寸為100 mm×100 mm×100 mm試件，在自然條件下養(yǎng)護(hù)24 d，第25 d將試件放置于溫度為（20±2）℃的水中浸泡4 d。浸泡完成后，在第29 d取出試件，擦干表面水分，對超高性能風(fēng)積砂混凝土立方體抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試，得到初始強(qiáng)度值。

將浸泡完成后試件放置于凍融循環(huán)設(shè)備中，并保證凍融循環(huán)設(shè)備中水分可以完全浸泡試件。在設(shè)定的凍融循環(huán)次數(shù)結(jié)束后，從凍融循環(huán)試驗機(jī)中取出試件，擦干表面水分在自然環(huán)境中風(fēng)干4 d后進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度測試，測算超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度損失值，以此判定超高性能風(fēng)積砂混凝土抗凍性能。

1.2.2? 抗硫酸鹽浸泡

參照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，澆筑尺寸為100 mm×100 mm×100 mm試件進(jìn)行試驗。首先，對自然養(yǎng)護(hù)28 d立方體抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試。而后，將同等養(yǎng)護(hù)條件下試塊放入一定濃度的硫酸鹽溶液中浸泡，并保證硫酸鹽溶液完全浸泡試件，底部采用長200 mm、寬20 mm、高15 mm的墊條架空。取出完成設(shè)定浸泡時間的試件，擦干表面水分，在自然環(huán)境下風(fēng)干4 h后，測試其抗壓強(qiáng)度。最后，計算其立方體抗壓強(qiáng)度損失值，以評價超高性能風(fēng)積砂混凝土抗硫酸鹽浸泡性能。

1.2.3? 耐硫酸鹽侵蝕

與抗硫酸鹽浸泡試驗一樣，耐硫酸鹽侵蝕試驗澆筑100 mm×100 mm×100 mm立方體試件，并在自然條件下養(yǎng)護(hù)28 d。將完成養(yǎng)護(hù)要求的試件，放入鼓風(fēng)干燥箱，在（80±5）℃環(huán)境下烘烤2 d，而后冷卻至室溫。將烘干冷卻后的試件立即放入5% Na2SO4溶液中浸泡。浸泡16 h后，即為完成一次硫酸鹽溶液侵蝕。浸泡過程中，通過酸堿調(diào)和，保證溶液pH維持在6～8之間，每隔12 h測試一次溶液pH值。取出完成硫酸鹽溶液浸泡的試件，將表面擦干，并在試驗環(huán)境中風(fēng)干2 h，放置鼓風(fēng)干燥箱，在（80±5）℃環(huán)境下烘烤6 h。一次硫酸鹽溶液侵蝕和一次烘干過程計為一次耐硫酸鹽侵蝕循環(huán)，根據(jù)試驗設(shè)定要求，進(jìn)行不同次數(shù)循環(huán)，循環(huán)結(jié)束后測定超高性能風(fēng)積砂混凝土試件立方體抗壓強(qiáng)度。計算硫酸鹽侵蝕后，超高性能風(fēng)積砂混凝土試件100 mm立方體抗壓強(qiáng)度損失值，以評判超高性能混凝土耐硫酸鹽侵蝕能力。

2? 實驗結(jié)果與討論

2.1? 凍融性能分析

對風(fēng)積沙超高性能混凝土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗。對凍融循環(huán)50、100、150、200、250、300次后的立方體試件性能進(jìn)行測試，主要測試其立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，結(jié)果見表2-3。

從表2可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，風(fēng)積沙超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸下降。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)處于0～150次時，抗壓強(qiáng)度下降速度較快;當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為200～250次時，抗壓強(qiáng)度變化幅度較小;而當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為250～300次時，抗壓強(qiáng)度又突然下降。300次凍融循環(huán)后，抗壓強(qiáng)度為102.86 MPa，強(qiáng)度損失率為8.53%。

影響凍融循環(huán)的主要因素是混凝土內(nèi)部的水分和孔隙。而在凍融循環(huán)過程中，水分子容易透過混凝土孔隙進(jìn)入混凝土內(nèi)部，從而發(fā)生物態(tài)轉(zhuǎn)換，形成內(nèi)應(yīng)力，對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成破壞。而混凝土中水分主要以結(jié)合水、吸附水和自由水三種形態(tài)存在，其中結(jié)合水一般通過化學(xué)作用與化合物成為一體，吸附水一般物理吸附在其它分子或結(jié)構(gòu)上，凍融循環(huán)對其影響都不大。而自由水存在內(nèi)部孔隙中，能夠發(fā)生遷移、交換和物態(tài)變化，受凍融循環(huán)影響較大。但是，風(fēng)積沙超高性能混凝土水膠比較小，內(nèi)部自由水較少，因此受凍融循環(huán)影響作用不大。并且，風(fēng)積沙超高性能混凝土密實性較高，內(nèi)部孔隙較少，同樣說明其受凍融循環(huán)影響較小。

2.2? 抗硫酸鹽浸泡

將風(fēng)積沙超高性能混凝土試件放置濃度為5%的Na2SO4溶液中浸泡。

在1、3、7、14、21、28 d后取出試件，其抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測試，如圖1-2所示。

從圖中可以看出，在浸泡7 d前，隨著浸泡時間的延長，風(fēng)積沙超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸增大，在7 d達(dá)到最大值，118.37 MPa。

這是由于超高性能混凝土較為密實，在浸泡初期Na2SO4溶液不會進(jìn)入混凝土內(nèi)部，無法對其性能產(chǎn)生影響，而混凝土內(nèi)部未完成水化的水泥繼續(xù)水化使得抗壓強(qiáng)度小幅度上升，上升幅度為5%。隨著浸泡時間的延長，混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸下降，相比于實驗前強(qiáng)度損失率為1%。

這是由于Na2SO4通過孔隙進(jìn)入混凝土內(nèi)部，與水化產(chǎn)物Ca（OH）2和鈣礬石發(fā)生反應(yīng)，如式（1）、（2）所示，生成具有膨脹作用的石膏，破壞鈣礬石，引起內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，影響其整體性能。風(fēng)積沙超高性能混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度受浸泡時間影響較小，最大變化值為4%。

2.3? 耐硫酸鹽侵蝕

對風(fēng)積沙超高性能混凝土進(jìn)行干濕循環(huán)-硫酸鹽侵蝕耦合試驗。對循環(huán)次數(shù)2、4、6、8、10、12次后的試件進(jìn)行性能測試，如圖3-4所示。

從圖中可以看出，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，風(fēng)積沙超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度先增加，在循環(huán)8次時達(dá)到最大值，而后隨循環(huán)次數(shù)增加性能呈現(xiàn)降低趨勢。

抗壓強(qiáng)度最大損失36.45%，劈裂抗拉強(qiáng)度最大損失26.58%。雖然抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度都經(jīng)歷過性能提升階段，但經(jīng)過12次循環(huán)后，均低于試驗前強(qiáng)度值。

3? 結(jié) 論

（1）經(jīng)300次凍融循環(huán)后，風(fēng)積沙超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度為102.86 MPa，強(qiáng)度損失率為8.53%。但凍融循環(huán)次數(shù)對劈裂抗拉強(qiáng)度無影響，最大強(qiáng)度損失率僅為1.57%。

（2）風(fēng)積沙超高性能混凝土不受硫酸鹽浸泡的影響。浸泡28 d內(nèi)，混凝土抗壓強(qiáng)度變化值為5%，劈拉強(qiáng)度變化值為4%。

（3）隨著干濕循環(huán)硫酸鹽侵蝕耦合循環(huán)次數(shù)的增加，風(fēng)積沙超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度先迅速降低，后逐漸升高，而后迅速降低。

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