凍融循環(huán)與硫酸鹽侵蝕耦合作用下納米SiO2對(duì)混凝土性能影響研究

宋晶穎， 許玲玲， 買 哲

(新鄉(xiāng)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000)

0 引 言

混凝土材料在當(dāng)前的建筑領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，但由于我國西北地區(qū)的鹽漬土環(huán)境中存在著高濃度的硫酸根離子且晝夜溫差較大，該地區(qū)的混凝土長期受到凍融循環(huán)與硫酸鹽侵蝕耦合作用降低了混凝土的結(jié)構(gòu)安全性，同時(shí)也縮短了其使用年限[1-4]。而隨著國家“十四五”規(guī)劃的出臺(tái)，對(duì)西北地區(qū)建設(shè)的投入越來越大，因此研究凍融循環(huán)與硫酸鹽耦合作用下混凝土的性能影響具有十分重要的意義。

納米SiO2屬于無機(jī)化工材料且具有良好的火山灰活性、微集料填充作用和晶核效應(yīng)，將其摻入混凝土中能夠顯著改善混凝土的強(qiáng)度和耐久性能[5-6]。朱迎等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在混凝土中摻入納米SiO2能夠有效提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。張鵬等[8]通過對(duì)納米SiO2混凝土三點(diǎn)彎曲小梁試件進(jìn)行了斷裂試驗(yàn)，結(jié)果表明納米SiO2的摻入使混凝土切口小梁試件臨界裂縫嘴張開位移和臨界裂縫尖端張開位移均有不同程度的增大，即納米SiO2的摻入可以提高混凝土的斷裂韌度。梅軍帥等[9]研究表明，納米SiO2的異相晶核效應(yīng)、高火山灰反應(yīng)活性和微集料填充效應(yīng)共同作用提高了砂漿保護(hù)層的致密度，從而提高了混凝土的抗氯離子的滲透性能。劉家文等[10]研究了納米SiO2摻量對(duì)混凝土工作性、力學(xué)強(qiáng)度、折壓比、接觸角及滲水高度的影響，結(jié)果表明隨著納米SiO2摻量的增加，混凝土強(qiáng)度與韌性有更明顯的提高，同時(shí)納米SiO2可加快乳化瀝青破乳成膜，同時(shí)促使更多的C-S-Η凝膠產(chǎn)生，使混凝土更密實(shí)和均勻化。

上述學(xué)者對(duì)納米SiO2混凝土在常規(guī)條件下的性能研究已經(jīng)較為成熟，但在凍融循環(huán)與硫酸鹽侵蝕耦合作用下的研究較少。因此，本文設(shè)計(jì)并開展了納米SiO2混凝土在凍融循環(huán)與硫酸鹽侵蝕耦合作用下的性能，以期為西北地區(qū)鹽漬土環(huán)境下的建筑物耐久性設(shè)計(jì)提供理論支撐。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；粗骨料：粒徑為5～15 mm的連續(xù)級(jí)配碎石；細(xì)骨料：中砂，細(xì)度模數(shù)為2.65；納米SiO2：上海科延實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)，其相關(guān)性能參數(shù)見表1；硫酸鹽：煙臺(tái)市雙雙化工有限公司生產(chǎn)的分析純·AR型無水硫酸鈉；減水劑：陜西秦奮建材有限公司生產(chǎn)的ΗPWR型高性能減水劑；水：自來水。

表1 納米SiO2性能參數(shù)

1.2 配合比設(shè)計(jì)

依據(jù)JGJ 55—2011 《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，同時(shí)為了與工程實(shí)際相吻合，配制混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C40，并根據(jù)工作性確定減水劑摻量，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的納米SiO2混凝土具體配合比見表2。

表2 納米SiO2混凝土配合比 kg/m3

1.3 試件制作及試驗(yàn)方案

采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)制作試件，先將稱量好的石子和砂子混合干拌90 s，然后倒入納米SiO2繼續(xù)干拌90 s，接著加入水泥干拌120 s，最后加入水和減水劑攪拌120 s，制作完成試件。抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)每組各制作 3個(gè) 100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，隨后放入室溫為（20±2）℃的不流動(dòng)飽和氫氧化鈣溶液中養(yǎng)護(hù)28 d。

本文硫酸鹽溶液濃度為5%，采用快凍法進(jìn)行試驗(yàn)，具體操作步驟按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，凍融循環(huán)時(shí)試件中心溫度控制為-18 ℃、5 ℃，4 h完成一次凍融循環(huán)，每30次循環(huán)測試試件的質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和超聲波聲速。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量

試件質(zhì)量與納米SiO2摻量和凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲面圖如圖1(a)所示，質(zhì)量損失率如圖1(b)所示。

圖1 試件質(zhì)量與納米SiO2摻量和凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系圖

從圖1(a)可以看出，試件質(zhì)量隨著凍融循環(huán)次數(shù)變化主要分為兩個(gè)階段，即在凍融循環(huán)初期質(zhì)量呈現(xiàn)增長趨勢，在后期質(zhì)量呈現(xiàn)下降趨勢。未經(jīng)凍融循環(huán)與硫酸鹽耦合作用時(shí)，第4#組試件質(zhì)量最大，為2.139 kg，第1#試件質(zhì)量最小，為2.135 kg，總體上相差不大，伴隨著凍融循環(huán)與硫酸鹽侵蝕耦合作用的進(jìn)行，各組試件質(zhì)量均開始增長，結(jié)合圖1(b)中的各組試件質(zhì)量損失率可以看出，當(dāng)耦合作用試驗(yàn)30次時(shí)，第1#～5#試件質(zhì)量相較于未經(jīng)耦合作用的試件分別增長 5%、5.6%、6.2%、5.8%、6.1%；第1#、2#、5#組試件在耦合作用試驗(yàn)進(jìn)行到60次、90次時(shí)質(zhì)量仍在繼續(xù)增長，在耦合作用試驗(yàn)進(jìn)行到120次及之后，試件質(zhì)量開始出現(xiàn)下降；綜合5組試件的質(zhì)量損失率來看，第3#組試件的質(zhì)量增長最大，當(dāng)耦合作用試驗(yàn)進(jìn)行到90次時(shí)，質(zhì)量增長12.5%且在凍融循環(huán)進(jìn)行到150次時(shí)試件質(zhì)量才開始出現(xiàn)下降。這表明：當(dāng)納米SiO2摻量為4.0 kg/m3時(shí)，試件質(zhì)量在耦合作用試驗(yàn)時(shí)初期質(zhì)量增長較快，同時(shí)在后期試件質(zhì)量下降較慢。

利用Matlab的多元回歸模塊對(duì)凍融循環(huán)與硫酸鹽耦合作用下納米SiO2混凝土質(zhì)量變化進(jìn)行了多項(xiàng)式曲面公式擬合，結(jié)果如下式所示：

式中：m——混凝土質(zhì)量，kg；

x——耦合作用次數(shù)；

y——納米 SiO2摻量，kg/m3；

r2——決定系數(shù)。

2.2 抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度

試件抗壓強(qiáng)度與納米SiO2摻量和凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲面圖如圖2(a)所示，抗壓強(qiáng)度損失率如圖2(b)所示。試件劈裂抗拉強(qiáng)度與納米SiO2摻量和凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲面圖如圖3(a)所示，劈裂抗拉強(qiáng)度損失率如圖3(b)所示。

圖2 試件抗壓強(qiáng)度變化圖

圖3 試件劈裂抗壓強(qiáng)度變化圖

由圖2(a)和圖3(a)可以看出，未經(jīng)耦合作用的試件即標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的試件，隨著納米SiO2摻量的增加，其抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增長后降低的趨勢，當(dāng)納米SiO2摻量為0時(shí)，試件抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別為42.1 MPa和4.68 MPa，當(dāng)納米SiO2摻量為4 kg/m3時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，為49.2 MPa，增幅為16.94%，當(dāng)納米SiO2摻量為6 kg/m3時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值，為6.23 MPa，增幅為33.12%，這表明在混凝土中摻入納米SiO2有利于提升其抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，且對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的提升效果大于抗壓強(qiáng)度。伴隨著耦合作用的進(jìn)行，第1#～5#組試件抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降趨勢，由圖2(b)和圖3(b)可知，當(dāng)經(jīng)歷30次耦合作用時(shí)，第1#～5#組試件抗壓強(qiáng)度分別下降1%、0.4%、0.4%、0.6%、1.2%，劈裂抗拉強(qiáng)度分別下降 3.21%、2.92%、2.25%、2.73%、3.94%；當(dāng)經(jīng)歷60次耦合作用時(shí)，第1#～5#組試件抗壓強(qiáng)度分別下降3.8%、2.4%、1.6%、2.1%、4.1%，劈裂抗拉強(qiáng)度分別下降8.55%、7.39%、5.53%、6.9%、9.27%；當(dāng)經(jīng)歷120次耦合作用時(shí)，第1#～5#組試件抗壓強(qiáng)度分別下降14%、10.1%、8.1%、10.4%、15.7%，劈裂抗拉強(qiáng)度分別下降 24.57%、21.21%、15.72%、18.62%、25.64%；當(dāng)經(jīng)歷180次耦合作用時(shí)，第1#～5#組試件抗壓強(qiáng)度分別下降32.1%、23%、19.3%、24%、35%，劈裂抗拉強(qiáng)度分別下降54.91%、47.28%、36.1%、40.93%、55.62%。

上述對(duì)凍融循環(huán)與硫酸鹽侵蝕耦合作用下的不同摻量納米SiO2的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分析可知：1）在混凝土中摻入適量的納米SiO2有利于混凝土抗耦合作用，但過量的納米SiO2摻入混凝土反而效果較差；2）本文設(shè)計(jì)的納米SiO2混凝土在正常環(huán)境下抗壓強(qiáng)度最佳摻量為4.0 kg/m3，劈裂抗拉強(qiáng)度的最佳摻量為6.0 kg/m3，在耦合作用下的最佳摻量為4.0 kg/m3。

利用Matlab的多元回歸模塊分別對(duì)凍融循環(huán)與硫酸鹽耦合作用下納米SiO2混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度變化進(jìn)行了多項(xiàng)式曲面公式擬合，結(jié)果如下式所示：

式中：fc——混凝土抗壓強(qiáng)度，MPa；

fu——混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa。

2.3 相對(duì)動(dòng)彈性模量

通常采用相對(duì)動(dòng)彈性模量表示混凝土內(nèi)部的損傷程度，從而評(píng)定混凝土的劣化程度[11-12]。本文采用超聲波測定儀測試聲波聲速法計(jì)算相對(duì)動(dòng)彈性模量，試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量計(jì)算方法為：

式中：E——試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量；

V0——未受耦合作用試件的超聲波聲速，km/s；

Vn——耦合作用n次試件的超聲波聲速，km/s。

試件相對(duì)動(dòng)彈性模量與納米SiO2摻量和凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲面圖如圖4所示?？梢钥闯龅?#～5#組試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量均呈現(xiàn)降低的趨勢，當(dāng)耦合作用60次之前，試件相對(duì)動(dòng)彈性模量下降較為緩慢，表明此時(shí)混凝土內(nèi)部損傷不嚴(yán)重；在耦合作用90次時(shí)，第1#～5#組試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為 0.90、0.95、0.97、0.94、0.89，第 1#組和第 5#組試件內(nèi)部損傷很接近且較為嚴(yán)重，但第5#組試件損傷相較第1#組更嚴(yán)重，第3#組試件即納米SiO2摻量為4.0kg/m3的試件損傷較輕，伴隨著耦合作用的繼續(xù)進(jìn)行，試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量繼續(xù)降低，表明混凝土內(nèi)部損傷越來越嚴(yán)重；當(dāng)耦合作用為180次時(shí)，第1#～5#組試件相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為0.41、0.52、0.65、0.57、0.39，分別降低 59%、48%、35%、43%、61%，由此可以看出，第3#組試件在耦合作用下，試件劣化損傷程度最小，第5#組的相對(duì)動(dòng)彈性模量與第1#組混凝土較為接近，但略小于普通混凝土，這表明其劣化損傷程度比普通混凝土嚴(yán)重，這也從側(cè)面驗(yàn)證了抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 試件相對(duì)動(dòng)彈性模量變化曲面圖

利用Matlab的多元回歸模塊對(duì)凍融循環(huán)與硫酸鹽耦合作用下納米SiO2混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量變化進(jìn)行了多項(xiàng)式曲面公式擬合，結(jié)果如下式所示：

其中E為混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量。

3 凍融循環(huán)與硫酸鹽侵蝕耦合作用混凝土損傷機(jī)理

為了研究凍融循環(huán)與硫酸鹽侵蝕耦合作用混凝土損傷機(jī)理，選取了納米SiO2摻量為4.0 kg/m3時(shí)的試件進(jìn)行SEM微觀掃描，如圖5所示。

圖5 SEM微觀掃描結(jié)果

從圖中可以看出，在凍融循環(huán)與硫酸鹽侵蝕耦合作用的初始階段，硫酸根離子通過試件的微孔隙和裂紋滲透進(jìn)混凝土內(nèi)部，針狀的腐蝕性產(chǎn)物會(huì)在水化產(chǎn)物層形成，造成水化產(chǎn)物（鈣礬石、石膏等）成蜂窩狀，使得試件內(nèi)部形成相互貫通的較大的孔隙，降低了混凝土的密實(shí)度，形成了一條侵蝕通道，隨著耦合作用的進(jìn)行，水化產(chǎn)物逐漸增多，造成大量的團(tuán)聚和良好的結(jié)晶，使得在初始階段試件質(zhì)量增加。但在侵蝕產(chǎn)物聚集較多的地方是混凝土的薄弱區(qū)，在耦合作用下，結(jié)晶壓力、滲透壓力和凍脹壓力導(dǎo)致混凝土產(chǎn)物微裂縫，硫酸根離子會(huì)大量進(jìn)入，侵蝕產(chǎn)物大量增長，這樣就形成了一種惡性循環(huán)，也會(huì)導(dǎo)致試件內(nèi)部形成更多的孔洞，試件力學(xué)性能下降。

4 結(jié)束語

1) 在未經(jīng)凍融循環(huán)與硫酸鹽侵蝕耦合作用下，當(dāng)納米SiO2摻量為4.0 kg/m3時(shí)，試件抗壓達(dá)到峰值，為49.2 MPa，當(dāng)納米SiO2摻量為6.0 kg/m3時(shí)，試件劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值，為6.23 MPa，相較于普通混凝土試件，增幅分別為16.94%和33.12%，表明適量的納米SiO2摻入混凝土中能提高混凝土的力學(xué)性能。

2) 5組試件質(zhì)量均隨耦合作用次數(shù)呈現(xiàn)先增長后降低的趨勢，其中當(dāng)納米SiO2摻量為4.0 kg/m3時(shí)，試件質(zhì)量在耦合作用試驗(yàn)時(shí)初期質(zhì)量增長較快，同時(shí)在后期試件質(zhì)量下降較慢，并根據(jù)質(zhì)量值進(jìn)行了公式擬合。

3) 各組試件的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度隨耦合作用次數(shù)的變化規(guī)律基本一致，均逐漸降低，但在凍融循環(huán)與硫酸鹽侵蝕耦合作用下，試件的劈裂抗拉強(qiáng)度劣化程度比抗壓強(qiáng)度嚴(yán)重的多，在耦合作用下混凝土中摻入4.0 kg/m3的納米SiO2有利于混凝土力學(xué)性能，但過量的納米SiO2摻入混凝土反而效果不佳。

4) 基于對(duì)試件相對(duì)動(dòng)彈性模量的分析可知，在耦合作用下當(dāng)納米SiO2摻量為4.0 kg/m3時(shí)試件劣化損傷程度最小，第5#組的相對(duì)動(dòng)彈性模量與第1#組混凝土較為接近，但略小于普通混凝土，并根據(jù)相對(duì)動(dòng)彈性模量值進(jìn)行了公式擬合。

5) 在耦合作用初始階段侵蝕產(chǎn)物填充了試件內(nèi)部空隙，隨著耦合持續(xù)進(jìn)行，試件內(nèi)部沒有足夠的孔隙能夠容納這些生成物，應(yīng)力增大導(dǎo)致力學(xué)性能降低，劣化程度嚴(yán)重。