毛細(xì)作用下風(fēng)積沙混凝土水分和氯離子傳輸特性試驗(yàn)

董 偉,付前旺,劉 鑫,薛慧君,肖 陽

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010;2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018;3.鄂爾多斯應(yīng)用技術(shù)學(xué)院土木工程系,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

混凝土作為一種應(yīng)用廣泛的人造石材,隨著消耗量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì),混凝土原材料資源匱乏逐漸凸顯。風(fēng)積沙是經(jīng)受風(fēng)吹、積淀作用形成的一種特細(xì)砂,主要存在于沙漠和戈壁,其特點(diǎn)是天然含水率低,顆粒均勻細(xì)小,主要化學(xué)成分是SiO2和Al2O3。若將風(fēng)積沙替代普通河砂制備混凝土,可以產(chǎn)生良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。混凝土材料是由氣體、液體和固體三相組合而成的混合物,內(nèi)部存在大量孔隙,環(huán)境中的有害離子會(huì)滲透到混凝土內(nèi)部與混凝土水化產(chǎn)物發(fā)生一系列物理、化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)性能劣化,進(jìn)而影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性[1-2]。氯離子在混凝土中的遷移與內(nèi)部孔隙和水分密切相關(guān),隨著氯離子在混凝土中的遷移,部分氯離子會(huì)改變混凝土水化產(chǎn)物的微觀形貌及其孔結(jié)構(gòu),某種程度上對(duì)氯離子在混凝土中的傳輸存在一定影響[3-4]?；炷恋哪途眯阅芰踊尸F(xiàn)形式多種多樣,而大多數(shù)混凝土耐久性能與凍融、干濕循環(huán)、碳化、干燥收縮等劣化現(xiàn)象的發(fā)生和機(jī)理都在某種程度上與水分存在和遷移密切相關(guān)。氯離子等有害離子滲透到混凝土材料孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)部是通過水分子作為運(yùn)載體,進(jìn)而引起一系列混凝土材料性能劣化反應(yīng)。羅大明等[5-6]研究表明:混凝土種類、水膠比、養(yǎng)護(hù)條件等因素對(duì)混凝土水分傳輸?shù)挠绊懼饕且驗(yàn)樗嗨突炷敛牧系目紫堵什煌斐?建立了孔結(jié)構(gòu)與毛細(xì)吸收系數(shù)的函數(shù)關(guān)系。ZHANG Peng[7]發(fā)現(xiàn)夾帶空氣會(huì)大大降低毛細(xì)管吸水率和氯離子滲透;溶解在水中的氯離子從滲透的鹽溶液中過濾出來,并保持濃縮在表面附近。由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)大多數(shù)都處于非飽和狀態(tài),然而非飽和狀態(tài)下毛細(xì)吸附力的存在,使得氯離子更容易侵入混凝土材料空隙內(nèi)部?；炷敛牧显诜秋柡蜖顟B(tài)下毛細(xì)吸附力起主導(dǎo)作用,然而混凝土材料孔隙液中毛細(xì)吸附力的大小是由混凝土材料內(nèi)部相對(duì)濕度決定[8-9]。近年來,風(fēng)積沙混凝土的工作性能、物理力學(xué)性能和耐久性能得到廣泛研究。風(fēng)積沙摻量在20%～30%時(shí),對(duì)混凝土的性能提升較為明顯;當(dāng)風(fēng)積沙全部替代普通河砂時(shí),混凝土的性能下降較為顯著[10]。產(chǎn)生這樣的原因主要是因?yàn)轱L(fēng)積沙顆粒有別于普通河砂,適量的風(fēng)積沙摻入使得混凝土的孔結(jié)構(gòu)和界面區(qū)得到改善。而過多的風(fēng)積沙加入使得孔隙率和有害孔數(shù)量增加,進(jìn)而降低了混凝土的性能[11]。風(fēng)積沙混凝土及水分和氯離子在普通混凝土中的傳輸已經(jīng)得到了廣泛研究并取得了豐碩的研究成果,但是針對(duì)水分和氯離子在風(fēng)積沙混凝土中的傳輸特性鮮有報(bào)道。為此,筆者對(duì)毛細(xì)吸收作用下水分和氯離子在風(fēng)積沙混凝土中的遷移規(guī)律進(jìn)行研究,探討風(fēng)積沙摻量、氯鹽濃度對(duì)水分和氯離子侵入深度的影響規(guī)律。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥:P·O42.5普通硅酸鹽水泥。粗骨料:5～25 mm連續(xù)級(jí)配普通碎石。細(xì)骨料包括普通河砂和風(fēng)積沙,其中普通河砂取自內(nèi)蒙古包頭市周邊砂廠,細(xì)度模數(shù)為2.9;風(fēng)積沙取自內(nèi)蒙古鄂爾多斯市庫布齊沙漠腹地,主要粒徑為0.075～0.25 mm,細(xì)骨料主要物理性能如表1所示。粉煤灰:Ⅱ級(jí)粉煤灰。水:普通自來水。外加劑:聚羧酸復(fù)合高效減水引氣劑,減水率為23%。

表1 細(xì)骨料主要物理性能指標(biāo)

1.2 風(fēng)積沙混凝土配合比及試驗(yàn)方法

根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55—2011)的規(guī)定進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。以0%、25%、50%、75%、100%的風(fēng)積沙替代等質(zhì)量的普通河砂配制風(fēng)積沙混凝土,風(fēng)積沙混凝土配合比如表2所示。試驗(yàn)根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50080—2016)中混凝土制備工藝,采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)進(jìn)行風(fēng)積沙混凝土的攪拌制作,并依照規(guī)范進(jìn)行混凝土拌合物工作性能的測(cè)試,而后將混凝土拌合物注入試模,用塑料薄膜覆蓋防止水分蒸發(fā),待24 h后脫模、編號(hào),將混凝土試件放入溫度(20±2)℃、濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 d。

表2 風(fēng)積沙混凝土配合比及基本性能

試驗(yàn)選用長(zhǎng)寬高為100 mm×100 mm×100 mm立方體試件,將試件放置(85±5)℃烘箱烘干至恒重,然后冷卻至室溫,最后用鋁箔膠帶將試件4個(gè)側(cè)面封閉僅留成型面和底面。各試件毛細(xì)吸收之前用精度0.01 g電子秤稱量并記錄琪初始質(zhì)量,試件接觸水分開始計(jì)時(shí),毛細(xì)吸收不同時(shí)間點(diǎn)稱量試塊的重量并記錄,3個(gè)試塊為1組取平均值。毛細(xì)吸鹽試驗(yàn)中,將試塊澆筑面向上未密封面朝下放置于尼龍棒上,緩慢加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%和10%的NaCl溶液腐蝕溶液,直至液面高出試塊底面(4±1)mm,然后分別在毛細(xì)吸收1 d、7 d、14 d、28 d時(shí)間點(diǎn)劈開試件,用直尺測(cè)量水分侵入深度,接著在劈開的表面噴灑濃度為0.1 mol/L的硝酸銀溶液,然后測(cè)量氯離子的平均侵入深度。

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)積沙摻量對(duì)混凝土毛細(xì)吸收量的影響

圖1為不同風(fēng)積沙摻量下混凝土毛細(xì)吸收量隨時(shí)間平方根的變化關(guān)系。從圖1可知,隨著風(fēng)積沙摻量的增大,毛細(xì)吸收量呈先減小后增大的趨勢(shì)。同一溶液作用下,風(fēng)積沙摻量100%和75%的風(fēng)積沙混凝土毛細(xì)吸收量較大,而風(fēng)積沙摻量25%和50%的風(fēng)積沙混凝土毛細(xì)吸收量較小。各組風(fēng)積沙混凝土毛細(xì)吸收量隨著時(shí)間平方根增長(zhǎng)而增大,毛細(xì)吸收前24 h,混凝土毛細(xì)吸收量隨時(shí)間平方根呈現(xiàn)線性增加,而在毛細(xì)吸收24 h之后,隨著毛細(xì)吸收的進(jìn)行,混凝土毛細(xì)吸收量增長(zhǎng)緩慢,毛細(xì)吸收曲線逐漸趨向水平。原因是在烘干試塊至恒重后,試塊剛接觸到不同濃度鹽溶液時(shí),水分和氯離子在毛細(xì)吸附力作用下快速滲入混凝土內(nèi)部,而隨著毛細(xì)吸收時(shí)間的推移,試塊孔隙內(nèi)部相對(duì)濕度逐漸增大,毛細(xì)管作用力減小,同時(shí)由于溶液自身重量的存在,導(dǎo)致毛細(xì)吸收速度減緩,毛細(xì)吸收曲線逐向趨于水平。水分吸入后在水和空氣界面區(qū)會(huì)形成穩(wěn)定或半穩(wěn)定的半月板形態(tài),阻礙水分的進(jìn)入,且作為親水材料的混凝土隨著水分不斷侵入,毛細(xì)孔壁和水摩擦力增大,使得吸水減緩[12]。

圖1 不同風(fēng)積沙摻量下混凝土的毛細(xì)吸收量

混凝土膠凝材料水泥水化過程中,由于水化過程產(chǎn)物比反應(yīng)物要大,反應(yīng)產(chǎn)物會(huì)占據(jù)一定的充水空間,反應(yīng)完成后未填充的空間就變成毛細(xì)孔。隨著混凝土二次水化及水分的蒸發(fā)作用消耗了混凝土中部分水分,毛細(xì)孔處于非飽水狀態(tài)。適量風(fēng)積沙摻入混凝土之中,會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部更加密實(shí),堵塞了水分傳輸通道,而隨著風(fēng)積沙摻量越來越多,混凝土中膠凝材料不足以覆蓋細(xì)骨料,產(chǎn)生較多孔洞,水分侵入通道增多,毛細(xì)吸收作用更加明顯[13]。

2.2 氯鹽溶液濃度對(duì)混凝土毛細(xì)吸收量的影響

為了更佳直觀的表述氯鹽溶液質(zhì)量濃度對(duì)風(fēng)積沙混凝土毛細(xì)吸收速率的影響規(guī)律,選取3組A0、A25、A100混凝土進(jìn)行分析(見圖2)。從圖2可知,相同吸收時(shí)間,相對(duì)于NaCl溶液濃度為0%的清水溶液中的毛細(xì)吸附作用,在3.5%NaCl溶液和10%NaCl溶液作用下,風(fēng)積沙混凝土毛細(xì)吸附量較大。其原因是NaCl溶液密度大于清水的密度,當(dāng)水分通過毛細(xì)吸附力作用下進(jìn)入混凝土孔隙內(nèi)部時(shí),水分作為載體把氯離子運(yùn)輸?shù)交炷量紫秲?nèi)部,一方面氯離子通過物理吸附在混凝土的毛細(xì)孔壁和C-S-H上;另一方面氯離子與水化產(chǎn)物化學(xué)結(jié)合生成Friedel’s鹽,而其他侵入的氯離子則繼續(xù)向混凝土內(nèi)部深處侵入。從圖2可知,相同風(fēng)積沙摻量混凝土中,毛細(xì)吸收前期10%NaCl溶液中毛細(xì)吸收量大于3.5%NaCl溶液,而后期3.5%NaCl溶液和10%NaCl溶液兩者對(duì)混凝土毛細(xì)吸收量的影響不大,甚至在部分風(fēng)積沙摻量的混凝土中,10%NaCl溶液中毛細(xì)吸收量小于3.5%NaCl溶液中毛細(xì)吸收量。分析其原因是隨著NaCl溶液濃度的提高,后期隨著溶液侵入量的累積,溶液易在混凝土內(nèi)部孔隙中產(chǎn)生結(jié)晶,阻礙NaCl溶液的進(jìn)一步傳輸,因而毛細(xì)吸收量減小。

圖2 不同NaCl溶液濃度對(duì)混凝土毛細(xì)吸收的影響

2.3 風(fēng)積沙混凝土毛細(xì)吸收系數(shù)的變化規(guī)律

毛細(xì)吸收系數(shù)是評(píng)價(jià)混凝土材料耐久性能優(yōu)劣的重要指標(biāo),表示外界侵蝕介質(zhì)進(jìn)入混凝土速率的快慢。圖3為不同溶液中各摻量風(fēng)積沙混凝土毛細(xì)吸收系數(shù)。從圖3可知,各摻量風(fēng)積沙混凝土隨著毛細(xì)吸收NaCl溶液濃度的增大,其毛細(xì)吸收系數(shù)也逐漸增大。氯鹽溶液作用下混凝土的毛細(xì)吸收系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于清水溶液,10%NaCl溶液較3.5%NaCl溶液作用下毛細(xì)吸收系數(shù)增長(zhǎng)不大,部分試件的毛細(xì)吸收系甚至小于3.5%NaCl溶液。在NaCl溶液中,氯離子隨著水分侵入混凝土內(nèi)部,并慢于水分,因而在濃度梯度驅(qū)使下氯離子繼續(xù)向內(nèi)部侵入,導(dǎo)致在NaCl溶液中毛細(xì)吸收系數(shù)比清水作用下大。在10%NaCl溶液與混凝土試塊接觸時(shí),混凝土內(nèi)部孔隙會(huì)迅速充滿氯離子和鈉離子,一部分離子物理吸附在毛細(xì)孔內(nèi)壁和C-S-H上,導(dǎo)致毛細(xì)孔通道縮小甚至堵塞,水分和氯離子侵入量減少。而3.5%NaCl溶液作用下的混凝土試塊,由于溶液中離子較少,雖然沒有10%NaCl溶液中濃度梯度大,但所受阻礙較小,因而導(dǎo)致10%NaCl溶液中毛細(xì)吸收系數(shù)略大于甚至小于3.5%NaCl溶液中毛細(xì)吸收系數(shù)。

圖3 不同溶液中風(fēng)積沙混凝土毛細(xì)吸收系數(shù)

從圖3中可以看出,相同毛細(xì)吸收溶液作用下,隨著風(fēng)積沙摻量的增加,風(fēng)積沙混凝土毛細(xì)吸收系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì),最大值在風(fēng)積沙摻量100%時(shí),最小值在風(fēng)積沙摻量25%時(shí)。在3.5%NaCl溶液作用下,A0的毛細(xì)吸收系數(shù)為1.110 9 kg/(m2·h1/2),而A25和A100混凝土的毛吸系數(shù)分別為0.831 8 kg/(m2·h1/2)和1.379 8 kg/(m2·h1/2),相對(duì)于基準(zhǔn)組A0分別增長(zhǎng)了-36.21%、24.21%?；炷撩?xì)吸收系數(shù)取決于混凝土砂漿中毛細(xì)孔的數(shù)量及孔徑大小,適宜摻量的風(fēng)積沙混凝土內(nèi)部孔隙率較低,毛細(xì)孔之間連接性較差,水分不易于在混凝土內(nèi)部遷移,因而導(dǎo)致風(fēng)積沙摻量25%和50%的混凝土毛細(xì)吸收系數(shù)減小,而隨著風(fēng)積沙摻量的逐漸增大,砂漿顯得不足,混凝土內(nèi)部孔隙增多,混凝土密實(shí)性較差,導(dǎo)致毛細(xì)吸收系數(shù)增大[11]。

2.4 風(fēng)積沙混凝土中水分和氯離子侵入深度

水分和氯離子侵入深度隨時(shí)間平方根變化關(guān)系如圖4所示。

圖4 水分和氯離子侵入深度隨時(shí)間平方根變化關(guān)系

從圖4(a)、(b)中可以看出,隨著毛細(xì)吸收時(shí)間的增長(zhǎng),水和氯離子侵入深度逐漸增大,前期增長(zhǎng)較快,而后期增長(zhǎng)緩慢。且A75和A100試驗(yàn)組后期水分侵入曲線比其他試驗(yàn)組平緩,這是因?yàn)轱L(fēng)積沙摻量較大時(shí),混凝土內(nèi)部大孔隙較多,有更多的溶液被吸入,產(chǎn)生結(jié)晶堵塞孔洞。相同毛吸時(shí)間下,A25混凝土水分和氯離子侵蝕深度最小,而A100侵蝕深度最大。如毛細(xì)吸收28 d時(shí),基準(zhǔn)組A0水分侵入深度為55.3 mm,而A25和A100水分侵入深度分別為47.1 mm、61.8 mm。這是因?yàn)轱L(fēng)積沙摻量100%試驗(yàn)組混凝土內(nèi)部密實(shí)性較差,孔隙率較大,孔隙之間的連通性較好,水分和氯離子更加容易在其內(nèi)部傳輸。而風(fēng)積沙摻量25%時(shí)混凝土內(nèi)部較為密實(shí),孔隙率較低,孔徑較小,阻礙了水分和氯離子的侵入[14]。對(duì)比圖4(a)、4(b)可以發(fā)現(xiàn),相同毛細(xì)吸收時(shí)間,氯離子較水分入侵深度較淺,且相同摻量風(fēng)積沙混凝土,隨著毛細(xì)吸收時(shí)間的推移,前期水分和氯離子侵入深度曲線呈線性增長(zhǎng),后期水分和氯離子侵入深度曲線呈較為平緩增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)風(fēng)積沙混凝土試件剛開始接觸鹽溶液時(shí),水分和氯離子前期快速侵入風(fēng)積沙混凝土內(nèi)部。后期隨著水分的不斷侵入,風(fēng)積沙混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度不斷增大,其內(nèi)部孔隙逐漸趨于飽和,使得其孔隙液毛細(xì)吸附力變小,水分侵入深度增加緩慢,水分侵入深度曲線趨于平緩,然而氯離子在濃度梯度作用下持續(xù)向風(fēng)積沙混凝土孔隙內(nèi)部侵入。當(dāng)水分侵入風(fēng)積沙混凝土孔隙內(nèi)部,由于自身重力和毛細(xì)吸附力相當(dāng)時(shí),此時(shí)水分以擴(kuò)散的方式向風(fēng)積沙混凝土孔隙內(nèi)部遷移。隨著風(fēng)積沙毛細(xì)吸收時(shí)間的增加,風(fēng)積沙混凝土孔隙內(nèi)部生成氯化鈉結(jié)晶導(dǎo)致風(fēng)積沙混凝土內(nèi)部孔隙更加密實(shí),使水分和氯離子在風(fēng)積沙混凝土內(nèi)部侵入速度變慢。相反,氯離子在濃度梯度作用下主要以擴(kuò)散的方式不斷向風(fēng)積沙混凝土內(nèi)部侵入。原因是在混凝土和砂漿中,氯離子擴(kuò)散速率大于鈉離子擴(kuò)散速率,然而氯離子不能完全獨(dú)立存在與混凝土和砂漿孔隙液中,周圍鈉、鉀等陽離子不斷與氯離子結(jié)合,保持孔隙液的電中性,當(dāng)氯離子在混凝土砂漿中不斷向前移動(dòng)時(shí),周圍移動(dòng)相對(duì)較緩的鈉、鉀等陽離子會(huì)和氯離子間形成反向電場(chǎng),由于電場(chǎng)力作用使氯離子向相反方向移動(dòng)[15],因此水分和氯離子在風(fēng)積沙混凝土中遷移出現(xiàn)不同步性。

圖5為水分和氯離子侵入深度的關(guān)系,從圖5中可以看出,隨著風(fēng)積沙混凝土中水分滲透深度的增加,風(fēng)積沙混凝土中氯離子的滲透深度也逐漸增大,且水分和氯離子滲透深度近似呈現(xiàn)出線性關(guān)系。通過擬合得出水分和氯離子侵入深度的性函數(shù)方程,各組擬合結(jié)果如表3所示。從表3數(shù)據(jù)可以用看出,隨著風(fēng)積沙摻量的增大水分和氯離子侵入深度的線性關(guān)系先增強(qiáng)后減弱,擬合相關(guān)系數(shù)均大于0.9,線性相關(guān)性良好。毛細(xì)吸收前期,混凝土內(nèi)部水分和氯離子具有同步性,隨著毛細(xì)吸收的進(jìn)行氯離子和混凝土中水泥水化產(chǎn)物結(jié)合,而水分則繼續(xù)向內(nèi)部遷徙,導(dǎo)致二者出現(xiàn)非同步性。風(fēng)積沙摻量25%的混凝土,由于內(nèi)部密實(shí),孔隙率較低,所以吸收溶液較少,故而氯化鈉結(jié)晶較少[14]。而100%摻量試件由于內(nèi)部孔隙較多,吸收大量的溶液,內(nèi)部產(chǎn)生較多氯化鈉結(jié)晶消耗氯離子,致使水分和氯離子侵入深度線性關(guān)系較弱。

圖5 水分和氯離子侵入深度關(guān)系曲線

表3 水分和氯離子侵入關(guān)系擬合方程

3 結(jié) 論

(1)各組混凝土毛細(xì)吸收曲線前期均呈線性增長(zhǎng),而后由于溶液自身重量和孔隙壁的摩擦,毛細(xì)吸收曲線逐漸趨向于水平。風(fēng)積沙摻量大于75%時(shí),混凝土的毛細(xì)吸收量較大;而風(fēng)積沙摻量小于50%時(shí),混凝土的毛細(xì)收量較小,且變化幅度差異較小。

(2)混凝土在氯鹽溶液中的毛細(xì)吸收量和毛細(xì)吸收系數(shù)大于清水溶液,且隨氯鹽濃度的增加而增大,但增幅較小。毛細(xì)吸收系數(shù)隨風(fēng)積沙摻量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),最小值在風(fēng)積沙摻量為25%時(shí)。

(3)風(fēng)積沙混凝土中水分和氯離子傳輸非同步,水分滲透速率大于氯離子滲透速率。當(dāng)水分滲透逐漸穩(wěn)定時(shí),氯離子會(huì)繼續(xù)向混凝土內(nèi)部滲透。