混合砂混凝土加速鹽侵蝕作用的孔隙結(jié)構(gòu)分析

摘要： 為探究不同環(huán)境工況條件下加速硫酸鹽侵蝕混合砂混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，通過初始損傷、復(fù)合鹽、凍融循環(huán)、干濕循環(huán)、多倍濃度和高溫環(huán)境工況條件下硫酸鹽侵蝕混合砂混凝土試驗，結(jié)果表明：不同環(huán)境工況下硫酸鹽侵蝕作用對混合砂混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)變化規(guī)律影響不同，隨著侵蝕周期的增加，除多倍濃度與復(fù)合鹽工況下無害孔呈現(xiàn)略有增加外，其余工況下無害孔和少害孔占比總體均呈現(xiàn)降低趨勢；與對照組相比，多倍濃度、初始損傷和凍融循環(huán)工況下無害孔占比減少，而復(fù)合鹽、高溫和干濕循環(huán)工況下無害孔占比相對增多，初始損傷和高溫工況下多害孔占比大幅增多而其余工況多害孔占比均減少；與對照組相比，干濕循環(huán)工況條件下孔隙度最大提升32%，多倍濃度工況條件下平均孔徑最大提升3 255.4%，初始損傷工況條件下，束縛流體飽和度損傷量和自由流體飽和度的增大量最大.

關(guān)鍵詞： 硫酸鹽侵蝕；多工況；孔徑分布；孔隙度；平均孔徑

中圖分類號： S277.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1674-8530（2025）01-0053-07

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.23.0120

高猛，姚占全，王海龍.混合砂混凝土加速鹽侵蝕作用的孔隙結(jié)構(gòu)分析［J］.排灌機(jī)械工程學(xué)報，2025，43（1）：53-59.

GAO Meng， YAO Zhanquan， WANG Hailong. Study on pore structure of mixed sand concrete to accelerate salt erosion［J］. Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME），2025，43（1）：53-59.（in Chinese）

Study on pore structure of mixed sand concrete to accelerate salt erosion

GAO Meng， YAO Zhanquan*， WANG Hailong

（College of Water Conservancy and Civil Engineering， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot， Inner Mongolia 010018，China）

Abstract： In order to explore the change law of internal pore structure of mixed sand concrete under accelerated sulfate attack under different environmental conditions， the experimental study on sulfate attack mixed sand concrete under initial injury， mix salt， freeze-thaw cycle， dry-wet cycle， multiple concentrations and high temperature environmental conditions shows that the effect of sulfate attack on the change law of internal pore structure of mixed sand concrete under different environmental conditions is different. With the increase of erosion period， the proportion of harmless pores and less harmful pores under other conditions shows a decreasing trend except that the harmless pores under multiple concentration and composite salt conditions show a slight increase. Compared with the control group， the proportion of harmless holes decreases under the conditions of multiple concentration， initial damage and freeze-thaw cycle， while the proportion of harmless holes increases under the conditions of compound salt， high temperature and dry-wet cycle. The proportion of harmful holes increases significantly under the conditions of initial damage and high temperature， while the proportion of harmful holes decreases under the other conditions. Compared with the control group， the porosity increases by 32 % under the condition of dry-wet cycle， the average pore diameter increases by 3 255.4% under the condition of multiple concentration， and the increase of bound fluid saturation damage and free fluid saturation under the condition of initial damage was the largest.

Key words： sulfate erosion;multi-working conditions;pore diameter distribution;porosity;average pore diameter

隨著中國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展和環(huán)境保護(hù)力度的加強(qiáng)，優(yōu)質(zhì)的天然河砂資源逐漸短缺，可利用的天然河砂資源日趨匱乏，已經(jīng)不能滿足工程建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大的需求，造成嚴(yán)重的工程用沙供需矛盾［1-3］.利用風(fēng)積沙和機(jī)制砂組成混合砂替代河砂制備混凝土是解決這一矛盾的有效途徑之一［4-5］.中國西部地區(qū)土壤和地下水中含有高濃度的SO2－4，Mg2+和Cl－等侵蝕性離子，混合砂混凝土服役過程中上述侵蝕性離子會進(jìn)入混凝土內(nèi)部，發(fā)生一系列物理和化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土微觀結(jié)構(gòu)破壞，在混凝土表面產(chǎn)生裂紋從而使表皮脫落，破壞混凝土保護(hù)層，最終造成結(jié)構(gòu)破壞.

目前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對不同單一工況下加速鹽侵蝕混凝土進(jìn)行大量研究，王家濱等［6］研究表明，復(fù)合鹽工況下侵蝕噴射混凝土，其物理力學(xué)性能退化速度明顯小于硫酸鹽侵蝕.貢力等［7］研究表明，凍融工況下再生骨料取代率為60%的混凝土和普通混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能相近.董瑞鑫等［8］研究表明，干濕循環(huán)工況下40%風(fēng)積沙取代河砂制備的混凝土受硫酸鹽侵蝕抗壓耐蝕系數(shù)與普通混凝土相比多下降3%.YAO等［9］和GAN等［10］分析和探究了凍融工況下混凝土受硫酸鹽侵蝕后內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)變化及其損傷機(jī)理分析.XIA等［11］研究表明在凍融循環(huán)和復(fù)合鹽耦合工況下，鹽凍融循環(huán)對混雜纖維混凝土的物理力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響，但纖維的加入緩解了混凝土的損傷程度.SHU等［12］研究表明在凍融循環(huán)工況下，鹽侵作用對水泥土的動態(tài)力學(xué)性能存在不利影響，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)超過9次時，動態(tài)抗壓強(qiáng)度開始急速下降.

目前對于不同工況下混合砂混凝土受鹽侵蝕作用的研究大多集中在凍融循環(huán)、復(fù)合鹽以及干濕循環(huán)工況，同時鮮見多工況加速鹽侵蝕作用對比分析的相關(guān)報道.

文中采取初始損傷、復(fù)合鹽、凍融循環(huán)、干濕循環(huán)、多倍濃度和高溫6種工況加速硫酸鹽侵蝕混合砂混凝土，通過場發(fā)射掃描電鏡和EDS能譜分析對混凝土受到硫酸鹽侵蝕破壞的損傷機(jī)理進(jìn)行研究，結(jié)合核磁共振試驗對混凝土在不同工況下受到硫酸鹽侵蝕后內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)變化規(guī)律進(jìn)行研究.

1 試驗概況

1.1 試驗材料

水泥：內(nèi)蒙古地區(qū)冀東水泥（PO 42.5），細(xì)度1.4%，初凝時間180 min，終凝時間385 min，體積安定性合格；粉煤灰：二級粉煤灰，其需水量比為101%，燒失量為7.9%，活性為79%；細(xì)骨料：包括選自庫布齊沙漠的風(fēng)積沙、玄武巖機(jī)制砂，風(fēng)積沙、機(jī)制砂按1∶1比例配制成混合砂作為細(xì)骨料.通過激光粒度試驗測得風(fēng)積沙主要粒徑分布區(qū)間為4.5～255.0 μm，吸水率和含泥量分別為16.95%和1.390%；機(jī)制砂堅固性指標(biāo)為7%，吸水率和含泥量分別為11.97%和0.872%；細(xì)骨料的顆粒級配如圖1所示，圖中Δ為累積篩分余量，d為粒徑.堆積密度、表觀密度和細(xì)度模數(shù)分別為1 578.68 kg/m3，2 764.21 kg/m3和1.64；粗骨料：5.0～31.5 mm碎石，堆積密度1 550 kg/m3，表觀密度2 680 kg/m3；拌和水：內(nèi)蒙古地區(qū)自來水，pH值為7.0；外加劑：選用外觀呈白色粉末狀的聚羧酸減水劑，減水率為20%.

混凝土配合比ω及基本力學(xué)性能見表1，表中fcu為抗壓強(qiáng)度.

1.2 試驗方法

采用6種不同工況進(jìn)行加速硫酸鹽浸泡侵蝕混凝土試驗，并以此進(jìn)行不同工況對混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)變化影響規(guī)律的研究，6種工況分別為初始損傷（initial injury，II）、復(fù)合鹽（mix salt，MS）、凍融循環(huán)（freeze-thaw cycle，F(xiàn)C）、干濕循環(huán)（dry-wet cycle，DC）、多倍濃度（multiple concentrations，MC）和高溫（high temperature，HT），其中除多倍濃度和復(fù)合鹽工況外，其余工況浸泡介質(zhì)硫酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為3.00%，分別在浸泡侵蝕0，7，14，21，28 d后利用紐邁MesoMR23-060V-Ⅰ型核磁共振儀進(jìn)行微觀孔隙結(jié)構(gòu)測試，具體試驗參數(shù)如下：

1） 對照組：采用硫酸鈉溶液進(jìn)行室溫浸泡；

2） 初始損傷：通過對混凝土施加0.7倍的立方體抗壓強(qiáng)度來創(chuàng)造初始損傷后進(jìn)行硫酸鹽室溫浸泡；

3） 復(fù)合鹽：配置硫酸鈉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.00%）、氯化鈉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.47%）的復(fù)合鹽溶液進(jìn)行室溫浸泡；

4） 凍融循環(huán)：依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009）和內(nèi)蒙古地區(qū)冬季的環(huán)境溫度變化，利用TDR-16快速凍融機(jī)采用快凍法進(jìn)行試驗，試驗設(shè)計：試件中心溫度區(qū)間為-16 ℃到+3 ℃，單次循環(huán)時間為2～4 h，每天進(jìn)行2次凍融循環(huán)且2次循環(huán)間隔5 h，停止循環(huán)期間將試塊浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.00%的硫酸鈉溶液中；

5） 干濕循環(huán)：依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009）采用LYS-18B型干濕循環(huán)機(jī)進(jìn)行試驗侵蝕，一個干濕循環(huán)周期為24 h，采用配置好的鹽溶液浸泡16 h，80±5 ℃鼓風(fēng)烘干6 h，最后冷卻2 h至室溫，共進(jìn)行28個循環(huán)周期；

6） 多倍濃度：利用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.00%的硫酸鈉溶液進(jìn)行室溫浸泡；

7） 高溫加速：采用恒溫水浴鍋（HH-4）將硫酸鈉溶液加熱至44 ℃進(jìn)行浸泡.

利用場發(fā)射掃描電鏡試驗（JSM-7610FPlus）和EDS能譜分析（ULTIM MAX 40）進(jìn)行硫酸鹽侵蝕混合砂混凝土內(nèi)部微觀形貌研究，并與微觀孔隙結(jié)構(gòu)結(jié)合分析得出混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的變化機(jī)理.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 微觀形貌

對照組混凝土經(jīng)過硫酸鹽侵蝕破壞前后的微觀形貌掃描照片和EDS能譜分析如圖2所示，圖2a為混凝土未經(jīng)硫酸鹽侵蝕破壞的微觀形貌掃描照片，通過EDS能譜分析結(jié)合不同水化產(chǎn)物的形狀特點(diǎn)觀察到微觀形貌圖中存在大量的水化硅酸鈣凝膠、氫氧化鈣和鈣礬石等水化產(chǎn)物且水化產(chǎn)物之間結(jié)合形成致密的團(tuán)狀結(jié)構(gòu)；圖2c為混凝土經(jīng)過硫酸鹽浸泡28 d侵蝕破壞的微觀形貌掃描照片，圖中觀察到明顯的微觀裂縫和孔隙，且產(chǎn)生的鈣礬石使混凝土內(nèi)部水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)變得疏松，鈣礬石為膨脹性產(chǎn)物［13］，其由硫酸根離子通過孔隙進(jìn)入混凝土內(nèi)部與水化產(chǎn)物反應(yīng)生成，隨著侵蝕周期的不斷增加，混凝土內(nèi)部的鈣礬石不斷增多，膨脹體積不斷增大，對混凝土產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力也不斷增大，當(dāng)膨脹應(yīng)力超過混凝土的承受極限時，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生新孔隙的同時小孔隙之間不斷連通形成大孔隙和較大的微觀裂縫，使混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)被破壞.

2.2 孔隙結(jié)構(gòu)

2.2.1 T2圖譜

不同工況下混凝土T2譜隨侵蝕周期變化呈現(xiàn)多峰構(gòu)造，如圖3所示，圖中A為信號幅值，由文獻(xiàn)［14］可知T2譜峰位置與孔隙大小有關(guān)，峰面積與孔隙數(shù)量有關(guān)，隨著侵蝕周期的增加，不同工況下主峰即小孔隙對應(yīng)峰位置幾乎均逐漸向右移動，小孔隙對應(yīng)峰面積不斷減小、大孔隙對應(yīng)峰面積不斷增多，表明混凝土內(nèi)部小孔隙在不斷向大孔隙轉(zhuǎn)化，孔隙結(jié)構(gòu)在不斷被弱化.

圖3h為不同工況下硫酸鹽侵蝕28 d的T2譜對比圖，不同工況下小孔隙對應(yīng)峰面積和大孔隙對應(yīng)峰面積存在不同程度的減小和增加，小孔隙損失分為2個梯度，第一梯度為高溫、多倍濃度和初始損傷，其中，高溫作用下?lián)p失最為嚴(yán)重，第二梯度為干濕循環(huán)、復(fù)合鹽和凍融循環(huán).

2.2.2 孔徑分布

依據(jù)孔徑大小對混凝土內(nèi)部孔隙進(jìn)行分類，一般可分為4個等級：（0，0.01］ μm無害孔、（0.01，0.10］ μm少害孔、（0.10，1.00］ μm有害孔和（1.00，100.00］ μm多害孔［15］，通過式（1）利用T2譜計算出不同工況下隨著侵蝕周期的孔徑分布變化如圖4所示，圖中θp為孔隙占比.

1T2=ρ2×3rc，（1）

式中：T2為橫向弛豫時間，ms;ρ2為橫向表面弛豫強(qiáng)度;rc為混凝土內(nèi)部孔隙半徑，μm.

隨著侵蝕周期的增加，除多倍濃度與復(fù)合鹽工況下無害孔呈現(xiàn)略有增加，外其余工況下內(nèi)部無害孔和少害孔占比總體均呈現(xiàn)降低趨勢，分析原因：多倍濃度侵蝕工況下，存在足夠多的硫酸根離子與水化硅酸鈣和氫氧化鈣反應(yīng)，產(chǎn)生大量鈣礬石對混凝土內(nèi)部的大孔隙進(jìn)行填充進(jìn)而增加混凝土內(nèi)部無害孔的占比，但對混凝土的整體結(jié)構(gòu)存在不利影響，如在長期侵蝕條件下會導(dǎo)致混凝土表面剝落；在復(fù)合鹽工況下，氯離子與硫酸根離子相比具有更高的擴(kuò)散速率，可以先于硫酸根離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部，與水化產(chǎn)物反應(yīng)生成Friedel鹽，從而延緩鈣礬石的生成，抑制硫酸根離子對混凝土內(nèi)部的侵蝕［16］，同時增加了混凝土內(nèi)部無害孔的占比；圖4h為不同工況下硫酸鹽侵蝕28 d混凝土內(nèi)部孔徑分布對比圖，與對照組相比，多倍濃度、初始損傷和凍融循環(huán)工況下無害孔占比減少，而復(fù)合鹽、高溫和干濕循環(huán)工況下無害孔占比相對增多，初始損傷和高溫工況下多害孔占比大幅增多而其余工況多害孔占比減少.分析原因：混凝土施加初始損傷過后混凝土內(nèi)部產(chǎn)生一定量的微觀裂縫，對混凝土內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，當(dāng)混凝土受到硫酸鹽侵蝕時，內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重從而導(dǎo)致多害孔占比不斷增多；高溫作用在提高硫酸根離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部速率的同時加快了硫酸根離子與水化產(chǎn)物的反應(yīng)速率，相同時間內(nèi)產(chǎn)生更多的鈣礬石，對其孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞.

2.2.3 孔隙特征參數(shù)

混凝土基于核磁共振技術(shù)的孔隙特征參數(shù)包括孔隙度（P）、平均孔徑（R）、束縛流體飽和度（Swi）和自由流體飽和度（Swf）等，其中孔隙度和平均孔徑可以分別對混凝土內(nèi)部孔隙體積大小和大孔數(shù)量進(jìn)行表征［17］，孔隙度越大孔隙體積越大、平均孔徑越大混凝土內(nèi)部的大孔數(shù)量越多，而束縛流體飽和度和自由流體飽和度在一般情況下可以反映混凝土內(nèi)部孔徑的大小，束縛水運(yùn)動性較弱存在于小孔隙中，自由水具有較強(qiáng)的運(yùn)動性存在于較大的孔隙中.圖5為不同工況下混合砂混凝土孔隙特征變化，圖中ΔP，ΔR分別為孔隙度損傷百分比和平均孔徑增長百分比.由圖可知，在不同工況下，孔隙度和自由流體飽和度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，束縛流體飽和度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，平均孔徑整體呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢；由圖5d可知，不同工況下混凝土內(nèi)部孔隙度增加量從大到小排列依次為干濕循環(huán)、凍融循環(huán)、高溫、多倍濃度、初始損傷、復(fù)合鹽和對照組，干濕循環(huán)工況條件下較初始孔隙度最大提升32%，分析原因：干濕循環(huán)工況下，總共分為3個階段，分別為浸泡階段、干燥階段和冷卻階段，硫酸根離子在浸泡階段進(jìn)入混凝土內(nèi)部，存在于孔隙和水泥基質(zhì)中，與水化產(chǎn)物反應(yīng)生成鈣礬石，破壞了水化產(chǎn)物的致密結(jié)構(gòu)，降低了混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力承載能力，干燥階段混凝土內(nèi)部水分蒸發(fā)后，硫酸鹽晶體析出產(chǎn)生結(jié)晶壓，隨著試驗的不斷進(jìn)行，水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)逐漸變得疏松，結(jié)晶壓不斷增大，超過混凝土結(jié)構(gòu)所能承受的臨界值時使得混凝土內(nèi)部孔隙體積不斷增大，孔隙結(jié)構(gòu)遭到破壞；平均孔徑增加量從大到小排列依次為多倍濃度、高溫、復(fù)合鹽、初始損傷、對照組、干濕循環(huán)和凍融循環(huán)，多倍濃度工況條件下，相比于初始平均孔徑提升3 255.4%，分析原因：在多倍濃度工況下，大量硫酸根離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部，與水化產(chǎn)物反應(yīng)生成大量鈣礬石，對混凝土內(nèi)部孔隙填充的同時進(jìn)行破壞，使得混凝土內(nèi)部產(chǎn)生新孔隙的同時小孔隙不斷向大孔隙轉(zhuǎn)化，進(jìn)而增加了混凝土內(nèi)部大孔隙含量；束縛流體飽和度減少量從大到小排列依次為初始損傷、高溫、多倍濃度、干濕循環(huán)、對照組、凍融循環(huán)和復(fù)合鹽，自由流體飽和度增加量從大到小排列依次為初始損傷、高溫、多倍濃度、干濕循環(huán)、對照組、凍融循環(huán)和復(fù)合鹽，表明混凝土內(nèi)部大孔隙不斷增多，小孔隙不斷減少，即混凝土內(nèi)部小孔隙不斷向大孔隙轉(zhuǎn)化，在初始損傷工況條件下束縛流體飽和度損傷量和自由流體飽和度的增大量最大，可能原因為在給混凝土施加0.7倍的立方體抗壓強(qiáng)度時，混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定量的微觀裂縫，使得混凝土結(jié)構(gòu)抵抗拉應(yīng)力能力降低，硫酸鹽侵蝕產(chǎn)生的膨脹性產(chǎn)物鈣礬石隨著侵蝕周期的不斷增多而增多，鈣礬石的含量會過早超過臨界值導(dǎo)致其對混凝土孔隙內(nèi)壁產(chǎn)生的拉應(yīng)力過早超過混凝土的承載極限，破壞了孔隙結(jié)構(gòu)，使小孔隙破壞變?yōu)榇罂紫?

3 結(jié) 論

1） 混合砂混凝土經(jīng)硫酸鹽侵蝕為鈣礬石型破壞，破壞原因：SO2－4進(jìn)入混凝土內(nèi)部與水化產(chǎn)物反應(yīng)生成大量膨脹性產(chǎn)物鈣礬石，使得水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)變疏松的同時鈣礬石體積膨脹對混凝土孔隙結(jié)構(gòu)造成破壞.

2） 隨著硫酸鹽侵蝕周期的增加，不同工況條件下硫酸鹽侵蝕作用對混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)存在不同的影響；

3） 與對照組相比，多倍濃度、初始損傷和凍融循環(huán)工況下無害孔占比減少，而復(fù)合鹽、高溫和干濕循環(huán)工況下無害孔占比相對增多，初始損傷和高溫工況下多害孔占比大幅增多而其余工況多害孔占比減少.

4） 與對照組相比，干濕循環(huán)工況條件下孔隙體積增長最高，多倍濃度工況條件下大孔隙占比提升最高，初始損傷工況條件下大孔隙轉(zhuǎn)化量最高.

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（責(zé)任編輯 談國鵬）

收稿日期： 2023-06-15； 修回日期： 2023-09-08； 網(wǎng)絡(luò)出版時間： 2025-01-06

網(wǎng)絡(luò)出版地址： https：//link.cnki.net/urlid/32.1814.TH.20250106.1329.006

基金項目： 國家自然科學(xué)基金資助項目（52069024）

第一作者簡介： 高猛（1998—），男，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生（2205828959@qq.com），主要從事新型建筑材料研究.

通信作者簡介： 姚占全（1971—），男，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，教授（ndyzq@imau.edu.cn），主要從事建筑材料、磁性功能材料研究.