高濃度鹽侵蝕與凍融耦合作用下混凝土宏微觀性能劣化規(guī)律研究*

楚建勛 賀建國 孫 勛

(1.新疆路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司 烏魯木齊 830063; 2.長安大學(xué)公路學(xué)院 西安 710064)

青藏高原地區(qū)環(huán)境季節(jié)性變化顯著,當(dāng)?shù)販夭钶^大,水分在溫度變化過程中會(huì)發(fā)生凍結(jié)、融化及遷移等現(xiàn)象[1-2]。此外,當(dāng)?shù)睾此星治g性鹽離子濃度較高且土體次生鹽漬化嚴(yán)重,使得混凝土長期暴露于侵蝕性環(huán)境中[3-4]。在長期反復(fù)的鹽分侵蝕與凍融循環(huán)作用下,混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生顯著劣化,致使其耐久性能受損,進(jìn)而引發(fā)工程病害、災(zāi)害[5-10]。多因素耦合作用使混凝土性能的劣化損傷損率顯著加劇,但目前關(guān)于高濃度鹽分侵蝕和凍融循環(huán)作用下混凝土宏、微觀性能劣化規(guī)律及劣化機(jī)理的研究相對(duì)較少。為此,本研究開展鹽蝕-凍融循環(huán)耦合試驗(yàn),分析混凝土力學(xué)強(qiáng)度及宏、微觀形貌劣化特征,并揭示其劣化機(jī)理。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

針對(duì)青藏高原地區(qū)惡劣的自然環(huán)境,考慮混凝土長期服役于特殊的自然條件,選取強(qiáng)度等級(jí)為C30的混凝土作為研究對(duì)象。試驗(yàn)混凝土所用粗骨料為新疆葉城產(chǎn)級(jí)配碎石,粒徑5～30 mm;所用細(xì)骨料為天然河砂,取自新疆葉城;水泥選用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,其化學(xué)成分見表1,符合標(biāo)準(zhǔn)GB 175-2007 《通用硅酸鹽水泥》;外加劑選用新疆西建新材料有限公司生產(chǎn)的DF-7型萘系減水劑,采用“外摻法”添加。

表1 水泥的化學(xué)組成質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

1.2 配合比設(shè)計(jì)

工程現(xiàn)場所用混凝土配合比見表2。對(duì)表2中初步確定的混凝土配合比進(jìn)行拌和并檢驗(yàn)坍落度、含氣量是否達(dá)到工程設(shè)計(jì)要求,對(duì)試配后各配合比混凝土進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)。

表2 試驗(yàn)配合比

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1力學(xué)試驗(yàn)

力學(xué)性能的測定依據(jù)GB/T 50081-2002 《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。采用混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn),加載速率為3 kN/s,每次選取3個(gè)試樣為1組進(jìn)行測量,試驗(yàn)前擦干試樣表面水分并嚴(yán)格測量其尺寸及承壓面積,取3個(gè)試件測定值的算術(shù)平均值作為該組試件的抗壓強(qiáng)度值。

1.3.2鹽蝕-凍融循環(huán)試驗(yàn)

依據(jù)青藏高原區(qū)工程現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果,發(fā)現(xiàn)工程當(dāng)?shù)睾醇巴馏w中均含有較高濃度的侵蝕性硫酸鹽。因此,本研究選取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的 Na2SO4溶液作為凍融介質(zhì),開展鹽蝕-凍融循環(huán)試驗(yàn),并與清水凍融試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。依據(jù)設(shè)計(jì)配合比制備尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的混凝土試件,在不同凍融循環(huán)次數(shù)后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和宏、微觀形貌的測定。參照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)》中“快凍法”,設(shè)計(jì)了混凝土鹽蝕-凍融循環(huán)試驗(yàn),具體試驗(yàn)步驟如下。

1) 試驗(yàn)前,將養(yǎng)護(hù)28 d后試樣分別放入10%的Na2SO4溶液和清水溶液中浸泡飽水4 d備用。并測量試驗(yàn)前的抗壓強(qiáng)度和表觀形貌。

2) 將試樣放入凍融試驗(yàn)箱中開始試驗(yàn),每進(jìn)行完25次凍融循環(huán)后,將試樣取出,擦去試件表面的水分并測定其抗壓強(qiáng)度和表觀形貌,測量完畢后將試件裝入試模中繼續(xù)試驗(yàn)。

3) 當(dāng)試樣疏松破碎無法繼續(xù)試驗(yàn)時(shí),即停止試驗(yàn)。

鹽蝕-凍融循環(huán)試驗(yàn)所用儀器為混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī),凍結(jié)與融化終了時(shí)試件中心溫度應(yīng)控制在(-18±2)℃和(5±2)℃,每個(gè)試件從5 ℃降至-18 ℃,再從-18 ℃升至5 ℃為1個(gè)周期,每次凍融應(yīng)在2～5 h內(nèi)完成。

鹽蝕-凍融過程中,混凝土的相對(duì)抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式如式(1)所示。

f=(fn/f0)×100%

(1)

式中:f為n次循環(huán)后的相對(duì)抗壓強(qiáng)度,%;f0為試樣初始抗壓強(qiáng)度,Pa;fn為經(jīng)歷n次鹽蝕-凍融作用后的抗壓強(qiáng)度,Pa。

1.3.3電鏡掃描(SEM)測試

本研究中SEM測試所用儀器為賽默飛Quattro S熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡,取凍融循環(huán)和鹽蝕-凍融循環(huán)試驗(yàn)后的混凝土試樣,在各試樣內(nèi)部相同位置處取1 cm3大小的樣品備用,之后對(duì)試樣表面進(jìn)行噴金處理和掃描分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 相對(duì)抗壓強(qiáng)度演化規(guī)律

以試樣28 d抗壓強(qiáng)度為基準(zhǔn)計(jì)算凍融試驗(yàn)過程中混凝土的相對(duì)抗壓強(qiáng)度,混凝土分別在清水凍融與鹽蝕-凍融作用下的相對(duì)抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律見圖1。

圖1 混凝土抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

由圖1可知,普通混凝土在清水凍融與鹽蝕-凍融作用下,抗壓強(qiáng)度均隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而顯著降低,且混凝土在鹽蝕-凍融作用下抗壓強(qiáng)度劣化速度較清水凍融作用下明顯加快。清水凍融與鹽蝕-凍融試驗(yàn)中,混凝土試樣分別在200次和150次凍融循環(huán)之后嚴(yán)重破損無法繼續(xù)試驗(yàn)。經(jīng)歷150次凍融循環(huán)后,QPC組與PC組混凝土抗壓強(qiáng)度分別降低31.12%和61.20%。由此可見,當(dāng)采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的Na2SO4溶液作為凍融介質(zhì)時(shí),鹽分侵蝕與凍融循環(huán)的雙重作用會(huì)顯著加劇混凝土抗壓強(qiáng)度的劣化。而采用引氣混凝土進(jìn)行鹽蝕-凍融循環(huán)試驗(yàn)時(shí),混凝土抗壓強(qiáng)度在前150次循環(huán)內(nèi)無明顯降低,這是因?yàn)樵嚇右环矫媸軆鋈谘h(huán)的破壞作用,另一方面鹽分結(jié)晶對(duì)混凝土內(nèi)部孔隙和裂紋的填充作用增加了混凝土密實(shí)性,而鹽結(jié)晶疏松多孔的性質(zhì)導(dǎo)致了混凝土動(dòng)彈性模量明顯下降。

此外還可以發(fā)現(xiàn),在前50次凍融循環(huán)中,清水與硫酸鈉溶液中凍融的混凝土抗壓強(qiáng)度降低幅度相差不大,50次凍融循環(huán)之后,在10%的Na2SO4溶液中凍融的混凝土抗壓強(qiáng)度下降速率明顯加快。這是因?yàn)樵趦鋈谇捌谥饕员w膨脹所造成的劣化為主,因此兩者抗壓強(qiáng)度降低幅度較為相近,而隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,侵蝕性硫酸鹽溶液不斷向混凝土內(nèi)部深入,在孔隙內(nèi)部生成的鹽類結(jié)晶與水分結(jié)晶的雙重作用下,膨脹應(yīng)力較大,因而混凝土損傷劣化加劇,抗壓強(qiáng)度顯著下降。

2.2 宏觀形貌劣化過程

混凝土在清水溶液及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的Na2SO4溶液中進(jìn)行凍融循環(huán)時(shí)試樣外觀變化圖分別見圖2、圖3。由圖2可見,清水凍融25次后,混凝土表面水泥漿體部分剝落,試樣相對(duì)完整、骨料尚未暴露,但試樣表面變得粗糙。50次凍融循環(huán)作用后試樣表面剝蝕進(jìn)一步加劇,砂漿基質(zhì)進(jìn)一步剝落,大量骨料暴露。100次凍融循環(huán)作用后,試樣開始出現(xiàn)粗骨料外露,同時(shí)出現(xiàn)輕微掉角的現(xiàn)象。150次凍融循環(huán)作用后,試樣剝蝕更加嚴(yán)重,出現(xiàn)明顯缺角的現(xiàn)象,粗、細(xì)骨料嚴(yán)重外露。

圖2 清水凍融循環(huán)作用下混凝土表觀形貌

圖3 鹽蝕-凍融循環(huán)作用下混凝土表觀形貌

如圖3所示,試樣在前25次循環(huán)作用下,試樣相對(duì)完整,也并未出現(xiàn)骨料外露,表面相對(duì)平整。50次循環(huán)作用后,試樣出現(xiàn)明顯的局部坑蝕現(xiàn)象,有明顯骨料外露和輕微掉角現(xiàn)象。100次循環(huán)作用后,試樣骨料嚴(yán)重外露,棱角也有明顯剝落。150次循環(huán)后,試樣嚴(yán)重剝蝕,大量骨料外露且有骨料剝落的現(xiàn)象出現(xiàn),外層砂漿基體幾乎全部掉落并出現(xiàn)較多貫通裂隙,試樣尺寸明顯減小。

綜上所述,高質(zhì)量分?jǐn)?shù)硫酸鹽溶液侵蝕與凍融循環(huán)耦合作用下試樣前期剝落量減少,但隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加,試樣裂隙貫通及表面剝落速率明顯增大,試樣加速損壞。

2.3 微觀形貌劣化過程

對(duì)清水凍融與硫酸鈉溶液侵蝕下凍融循環(huán)0次和100次時(shí)的混凝土試樣進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn),試驗(yàn)前、后混凝土微觀形貌的變化結(jié)果圖見圖4、圖5。

圖4 未經(jīng)凍融循環(huán)的混凝土微觀形貌

圖5 100次凍融循環(huán)后的混凝土微觀形貌

由圖4可見,未經(jīng)凍融循環(huán)前,試樣結(jié)構(gòu)較為密實(shí)、完整,同時(shí)可以觀察到大量水化硅酸鈣凝膠,氣孔壁也較為飽滿。由圖5可見,100次循環(huán)作用后,經(jīng)歷清水凍融的混凝土試樣(圖5a)結(jié)構(gòu)表面剝蝕較為普遍,孔隙邊緣已無明顯棱角,并產(chǎn)生很多損傷劣化后的碎屑顆粒。鹽蝕-凍融循環(huán)作用下,硫酸根離子不斷進(jìn)入混凝土內(nèi)部,硫酸根離子與水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng),生成鈣礬石晶體(圖5b)。此外,與清水凍融不同的是,鹽蝕-凍融作用下混凝土試樣破碎顆粒感較弱,但會(huì)產(chǎn)生較為明顯的裂縫,這是由于在硫酸鈉溶液中,隨著侵蝕性產(chǎn)物在孔隙及微裂紋中不斷積累,產(chǎn)生較大的張拉應(yīng)力,使得混凝土裂紋擴(kuò)張連通。

3 結(jié)論

1) 清水凍融與鹽蝕-凍融循環(huán)作用下,混凝土力學(xué)強(qiáng)度始終呈現(xiàn)劣化趨勢(shì)且鹽蝕-凍融作用下劣化速度更快。

2) 100次循環(huán)作用后,經(jīng)歷鹽蝕-凍融作用的混凝土試樣結(jié)構(gòu)表面剝蝕更加嚴(yán)重,大量骨料外露并產(chǎn)生大量碎屑顆粒,有明顯的裂縫貫通,試樣剝落量也更大。

3) 當(dāng)凍融介質(zhì)為硫酸鹽溶液時(shí),鹽蝕-凍融循環(huán)作用下,硫酸根離子不斷進(jìn)入混凝土內(nèi)部,硫酸根離子與水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng),生成鈣礬石晶體。冰體凍脹應(yīng)力及結(jié)晶膨脹壓力使得鹽蝕-凍融作用下混凝土?xí)a(chǎn)生大量貫通裂縫,加速混凝土損傷劣化。