西北高寒鹽堿地區(qū)混凝土耐久性能研究

金自強(qiáng)，朱炎寧，劉向楠，艾洪祥

（中建西部建設(shè)股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

西北高寒鹽堿地區(qū)混凝土耐久性能研究

金自強(qiáng)，朱炎寧，劉向楠，艾洪祥

（中建西部建設(shè)股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

針對(duì)西北地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)遭受硫酸鹽侵蝕和凍融循環(huán)雙重破壞的問題，采用相對(duì)動(dòng)彈性模量、質(zhì)量損失率、抗壓抗蝕系數(shù)為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究分析水膠比對(duì)混凝土耐久性能的影響。同時(shí)，采用微觀掃描電鏡（SEM）對(duì)混凝土侵蝕破壞機(jī)理進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，水膠比由 0.4 下降到 0.3 時(shí)，混凝土抗壓抗蝕系數(shù)明顯提高、質(zhì)量損失率明顯降低，降低水膠比可以有效提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能；混凝土破壞主要表現(xiàn)為表面剝蝕破壞，剝蝕層有侵蝕產(chǎn)物石膏生成。

凍融循環(huán)；硫酸鹽侵蝕；水膠比；混凝土

0 前言

眾所周知，西北地區(qū)冬季氣溫低，且地下水中硫酸鹽濃度非常高，因此具有高寒鹽堿的環(huán)境特點(diǎn)。在這種環(huán)境下，混凝土結(jié)構(gòu)承受著凍融循環(huán)破壞和硫酸鹽侵蝕的耦合作用，在這種耦合作用下，混凝土結(jié)構(gòu)極易發(fā)生破壞，導(dǎo)致出現(xiàn)工程質(zhì)量問題。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)抗硫酸鹽侵蝕性能[1-3]、抗凍融循環(huán)破壞性能[4-6]及其破壞機(jī)理做了大量研究，并提出了在單一侵蝕作用下，提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能的有效措施。但是，對(duì)于在凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕耦合作用下，混凝土的劣化過程及機(jī)理尚需要更加深入和系統(tǒng)的研究。本文針對(duì)西北地區(qū)環(huán)境特點(diǎn)，選用烏魯木齊當(dāng)?shù)氐脑牧希芯苛怂z比對(duì)混凝土在凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕耦合作用下劣化過程的影響。

1 試驗(yàn)原材料和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥：采用烏魯木齊天宇華鑫水泥廠生產(chǎn) P·O42.5R 普通硅酸鹽水泥。水泥技術(shù)性能和礦物成分見表1和表 2。

減水劑：采用河北同邦建材有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，固含量 25%，減水率不小于 35%。

砂：采用烏魯木齊地區(qū)常用Ⅱ級(jí)中砂，細(xì)度模數(shù) 2.9。

石子：采用烏魯木齊地區(qū)生產(chǎn)碎石，最大粒徑 16mm。

粉煤灰：采用烏魯木齊紅雁池電廠生產(chǎn)Ⅱ級(jí)粉煤灰。

水：采用實(shí)驗(yàn)室自來水。

表2　水泥的礦物成分 %

1.2 試驗(yàn)方法

表1　水泥的技術(shù)指標(biāo)

主要參照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于“混凝土抗凍試驗(yàn)方法中快凍法”的相關(guān)步驟進(jìn)行試驗(yàn)；同時(shí)參照混凝土耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于“抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)”、“K 值法”的相關(guān)步驟。以抗壓抗蝕系數(shù)、質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)；混凝土試件尺寸為 100mm×100mm×300mm；以硫酸鈉侵蝕溶液代替淡水進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，模擬高寒鹽堿地區(qū)混凝土實(shí)際環(huán)境。

采用微觀掃描電鏡（SEM）對(duì)混凝土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)，探究水膠比對(duì)混凝土抗凍、抗侵蝕性能的影響機(jī)理。

1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

參照 CECS207:2006《高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》和JGJ/T 283—2012《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》配合比設(shè)計(jì)要求，立方體混凝土試件設(shè)計(jì)水膠比為 0.30、0.35、0.40。具體配合比設(shè)計(jì)見表 3。

表3　混凝土配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)新疆地區(qū)土壤、地下水中硫酸鹽離子濃度調(diào)查結(jié)果及年平均凍融循環(huán)次數(shù)調(diào)查結(jié)果[7]，并參照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)要求，設(shè)定硫酸根離子濃度等級(jí)為 0mg/L 和 20250mg/ L；設(shè)定最大凍融循環(huán)次數(shù)為 400 次，每 50 次凍融循環(huán)后對(duì)混凝土性能進(jìn)行檢測(cè)，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)見表 4、表 5。

2.1 水膠比對(duì)混凝土質(zhì)量損失的影響

混凝土試件質(zhì)量損失主要表現(xiàn)在混凝土表面膠凝材料和骨料的剝蝕，質(zhì)量損失率能較好的體現(xiàn)混凝土試件在凍融破壞和硫酸鹽侵蝕雙重作用下使用功能的保持性。圖 1 為混凝土試件在水和硫酸鈉溶液經(jīng)不同凍融循環(huán)次數(shù)后的質(zhì)量損失率。從圖中可以看出，當(dāng)混凝土試件的水膠比低于 0.35 時(shí)，經(jīng) 300 次凍融循環(huán)后，試件幾乎不發(fā)生質(zhì)量損失；當(dāng)水膠比提高到 0.4 時(shí)，經(jīng) 300 次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失率高于 5%，發(fā)生明顯的破壞。

對(duì)比圖 1 可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混凝土試件在硫酸鈉溶液中發(fā)生凍融循環(huán)時(shí)，在水灰比較低的時(shí)候（≤0.35），即使發(fā)生 400次凍融循環(huán)，其質(zhì)量損失幾乎沒有變化（接近于 0），而在水溶液中發(fā)生凍融循環(huán)時(shí)，350 次循環(huán)以上，混凝土的質(zhì)量損失率明顯增加（接近 1%）。當(dāng)水膠比為 0.4 時(shí)，在硫酸鈉溶液中隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土質(zhì)量損失率增加得非?？?，明顯高于在水中的凍融過程。

圖1　混凝土質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線

2.2 水膠比對(duì)混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量的影響

表4　試驗(yàn)結(jié)果 1

動(dòng)彈性模量是通過混凝土的諧振頻率經(jīng)一定的換算關(guān)系得到的，相對(duì)動(dòng)彈性模量主要是通過檢測(cè)混凝土的內(nèi)部損傷情況來評(píng)價(jià)混凝土抗凍、抗侵蝕性能的。圖 2 為混凝土在不同侵蝕溶液中相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線。當(dāng)水膠比從 0.4 降低到 0.35 時(shí)，混凝土的密實(shí)度提高，硫酸根離子和水向混凝土內(nèi)部滲透的通道減少，硫酸鹽侵蝕和凍融循環(huán)對(duì)混凝土的破壞作用降低，混凝土表現(xiàn)出較好的耐久性能。當(dāng)進(jìn)一步降低水膠比時(shí)，由于混凝土試件成型更加困難，混凝土內(nèi)部不可避免的出現(xiàn)質(zhì)量缺陷；同時(shí)，由于混凝土的密實(shí)性進(jìn)一步增加，進(jìn)入混凝土內(nèi)部的水結(jié)冰和鹽離子結(jié)晶導(dǎo)致的膨脹應(yīng)力對(duì)混凝土內(nèi)部的破壞作用更加明顯。因此，水膠比為 0.3 的混凝土試件相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線低于水膠比為 0.35 的混凝土試件。

相對(duì)于在水中受凍融循環(huán)作用的混凝土試件，在硫酸鈉溶液中發(fā)生凍融循環(huán)的試件其相對(duì)動(dòng)彈模量的下降幅度略低，與質(zhì)量損失率的變化相類似。從表面上看，似乎在硫酸鈉溶液中受到凍融循環(huán)作用的試件破壞的程度較低，但實(shí)際上并不是如此，因?yàn)樵诹蛩徕c侵蝕過程中，會(huì)出現(xiàn)鹽結(jié)晶現(xiàn)象，而且侵蝕產(chǎn)物中有石膏出現(xiàn)，在侵蝕過程初期，鹽結(jié)晶和侵蝕產(chǎn)物會(huì)堵塞混凝土的毛細(xì)孔，使得混凝土更加致密，導(dǎo)致其在凍融過程中質(zhì)量損失率下降，相對(duì)動(dòng)彈模量下降的幅度也較低。但是，隨著侵蝕過程的持續(xù)進(jìn)行，侵蝕產(chǎn)物會(huì)發(fā)生膨脹，最終導(dǎo)致混凝土表面出現(xiàn)大面積剝落。

圖2　混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線

2.3 水膠比對(duì)混凝土抗壓抗蝕系數(shù)的影響

表5　試驗(yàn)結(jié)果 2

混凝土的抗壓強(qiáng)度既受到混凝土截面尺寸的影響，又受到混凝土內(nèi)部完好程度的影響。因此，抗壓抗蝕系數(shù)可以作為評(píng)價(jià)混凝土耐久性能的綜合性指標(biāo)?；炷猎诓煌治g溶液中抗壓抗蝕系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)變化見表3和圖 3。參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》，對(duì)于不同的凍融環(huán)境，水膠比為 0.4 的混凝土試件 250次凍融循環(huán)后抗壓抗蝕系數(shù)均低于 0.8，發(fā)生破壞；水膠比為0.3 的混凝土試件 400 次凍融循環(huán)抗壓抗蝕系數(shù)仍高于 0.8，未發(fā)生破壞。降低水膠比可以有效提高混凝土抗凍、抗侵蝕雙重破壞作用。

另外，從圖 3 可以明顯地看出，在硫酸鈉溶液中發(fā)生凍融循環(huán)的試件，其抗壓抗蝕系數(shù)明顯低于在水中凍融循環(huán)的試件，說明硫酸鹽和凍融循環(huán)的耦合作用對(duì)混凝土的破壞是非常大的，遠(yuǎn)高于單一因素的影響。同時(shí)也說明，在耦合破壞作用下，單純采用質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈模量作為混凝土破壞的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是不準(zhǔn)確的。

圖3　混凝土抗壓抗蝕系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線

3 微觀結(jié)構(gòu)分析

圖 4 為不同水膠比試件的微觀結(jié)構(gòu)照片。從圖中可以看出，混凝土試件的水膠比由 0.3 增加到 0.4 時(shí)，混凝土試件內(nèi)部水泥石密實(shí)性明顯降低。這是由于水膠比增大，混凝土硬化時(shí)水分散失較多，導(dǎo)致水泥石結(jié)構(gòu)孔隙率增大，連通的毛細(xì)孔增多，混凝土密實(shí)性下降。進(jìn)而導(dǎo)致滲透性增大，混凝土抗凍、抗侵蝕性能降低。

圖 5 為混凝土試件侵蝕產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出，在凍融循環(huán)破壞和硫酸鹽侵蝕破壞耦合作用下，混凝土表面出現(xiàn)明顯的剝蝕破壞現(xiàn)象。進(jìn)一步觀察表面剝蝕層，在混凝土剝蝕疏松層發(fā)現(xiàn)侵蝕產(chǎn)物石膏生成，混凝土的硫酸鹽侵蝕破壞形態(tài)為石膏型硫酸鹽侵蝕。

圖4　不同水膠比條件下混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)性對(duì)比分析

圖5　混凝土表層侵蝕破壞分析

4 結(jié)論

（1）水膠比由 0.4 降低到 0.3 時(shí)，混凝土試件抗壓、抗侵蝕性能明顯提高，400 次凍融循環(huán)抗壓抗蝕系數(shù)大于 0.8 未發(fā)生破壞。降低水膠比可以有效提高混凝土的密實(shí)程度，降低混凝土的滲透性，提高混凝土的抗凍抗侵蝕性能。

（2）在硫酸鹽侵蝕、凍融循環(huán)作用下，混凝土破壞以表面出現(xiàn)剝蝕為主，侵蝕層有侵蝕產(chǎn)物石膏生成。

[1] 高小建，馬保國(guó)，鄧紅衛(wèi)．膠凝材料組成對(duì)混凝土TSA硫酸鹽侵蝕的影響[J]．哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007,39(10): 1554-1558．

[2] 馬保國(guó)，羅忠濤，李相國(guó)，等．含碳硫硅酸鈣腐蝕產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)與生成機(jī)理[J]．硅酸鹽學(xué)報(bào)，2006,34(12): 1503-1507．

[3] 高禮雄，姚燕，王玲．溫度對(duì)碳硫硅鈣石形成的影響[J]．硅酸鹽學(xué)報(bào)，2005,33(4): 525-527．

[4]金雁南，周雙喜．混凝土硫酸鹽侵蝕的類型及作用機(jī)理[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006,23(5): 4-8．

[5] 鄧德華，肖佳，元強(qiáng)，等．石灰石粉對(duì)水泥基材料抗硫酸鹽侵蝕性的影響及其機(jī)理[J]．硅酸鹽學(xué)報(bào)，2006,34(10): 1243-1248．

[6] 彭放復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下多種混凝土材料的破壞準(zhǔn)則及本構(gòu)模型研究[D]．大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文[A]，1990．

[7] 卡米力江．新疆水環(huán)境中心喀什分中心分析測(cè)試結(jié)果報(bào)告[R]．2014,09．

［通訊地址］新疆烏魯木齊市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)丹霞山街 666號(hào)（830000）

Study on the durability of concrete in the northwest alpine and saline-alkaline area

Jin Ziqiang, Zhu Yanning, Liu Xiangnan, Ai Hongxiang
(China West Construction Group Company, Xinjiang Urumqi 830000)

For the problem of the concrete structure damaged by sulfate erosion and freeze-thaw cycle in the northwest alpine and salinealkaline area, the study researched and analysed the influence of water-binder ratio on concrete durability. It took the relative dynamic elastic modulus, mass loss, coefficient of compressive strength as the main evaluation index. At the same time, microstructure of concrete was analyzed analysis using scanning electron microscope (SEM). The results showed that, when water/cement ratio dropped from 0.4 to 0.3, the concrete compressive resistance coefficient increased obviously and loss rate significantly reduced quality, and reducing the waterbinder ratio could improve the compactness of concrete effectively. Concrete destruction mainly for surface erosion damage and dihydrate gypsum, the product of sulfate attack was found in denudation layer.

freeze-thaw cycle; sulfate erosion; water/cement raito; concrete

金自強(qiáng) （1960—），男，本科學(xué)歷， 工程師，現(xiàn)任中建西部建設(shè)新疆有限公司董事長(zhǎng)，長(zhǎng)期從事混凝土生產(chǎn)質(zhì)量管理和混凝土技術(shù)的研究工作。