高浓度盐侵蚀与冻融耦合作用下混凝土宏微观性能劣化规律研究*

楚建勋 贺建国 孙 勋

(1.新疆路桥建设集团有限公司 乌鲁木齐 830063; 2.长安大学公路学院 西安 710064)

青藏高原地区环境季节性变化显著,当地温差较大,水分在温度变化过程中会发生冻结、融化及迁移等现象[1-2]。此外,当地湖泊水中侵蚀性盐离子浓度较高且土体次生盐渍化严重,使得混凝土长期暴露于侵蚀性环境中[3-4]。在长期反复的盐分侵蚀与冻融循环作用下,混凝土结构会产生显著劣化,致使其耐久性能受损,进而引发工程病害、灾害[5-10]。多因素耦合作用使混凝土性能的劣化损伤损率显著加剧,但目前关于高浓度盐分侵蚀和冻融循环作用下混凝土宏、微观性能劣化规律及劣化机理的研究相对较少。为此,本研究开展盐蚀-冻融循环耦合试验,分析混凝土力学强度及宏、微观形貌劣化特征,并揭示其劣化机理。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

针对青藏高原地区恶劣的自然环境,考虑混凝土长期服役于特殊的自然条件,选取强度等级为C30的混凝土作为研究对象。试验混凝土所用粗骨料为新疆叶城产级配碎石,粒径5～30 mm;所用细骨料为天然河砂,取自新疆叶城;水泥选用P·O 42.5普通硅酸盐水泥,其化学成分见表1,符合标准GB 175-2007 《通用硅酸盐水泥》;外加剂选用新疆西建新材料有限公司生产的DF-7型萘系减水剂,采用“外掺法”添加。

表1 水泥的化学组成质量分数 %

1.2 配合比设计

工程现场所用混凝土配合比见表2。对表2中初步确定的混凝土配合比进行拌和并检验坍落度、含气量是否达到工程设计要求,对试配后各配合比混凝土进行强度试验。

表2 试验配合比

1.3 试验方案

1.3.1力学试验

力学性能的测定依据GB/T 50081-2002 《普通混凝土力学性能试验方法标准》中的相关规定进行。采用混凝土抗压强度试验机进行试验,加载速率为3 kN/s,每次选取3个试样为1组进行测量,试验前擦干试样表面水分并严格测量其尺寸及承压面积,取3个试件测定值的算术平均值作为该组试件的抗压强度值。

1.3.2盐蚀-冻融循环试验

依据青藏高原区工程现场调研结果,发现工程当地湖泊及土体中均含有较高浓度的侵蚀性硫酸盐。因此,本研究选取质量分数为10%的 Na2SO4溶液作为冻融介质,开展盐蚀-冻融循环试验,并与清水冻融试验结果进行对比。依据设计配合比制备尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的混凝土试件,在不同冻融循环次数后进行抗压强度和宏、微观形貌的测定。参照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中“快冻法”,设计了混凝土盐蚀-冻融循环试验,具体试验步骤如下。

1) 试验前,将养护28 d后试样分别放入10%的Na2SO4溶液和清水溶液中浸泡饱水4 d备用。并测量试验前的抗压强度和表观形貌。

2) 将试样放入冻融试验箱中开始试验,每进行完25次冻融循环后,将试样取出,擦去试件表面的水分并测定其抗压强度和表观形貌,测量完毕后将试件装入试模中继续试验。

3) 当试样疏松破碎无法继续试验时,即停止试验。

盐蚀-冻融循环试验所用仪器为混凝土冻融循环试验机,冻结与融化终了时试件中心温度应控制在(-18±2)℃和(5±2)℃,每个试件从5 ℃降至-18 ℃,再从-18 ℃升至5 ℃为1个周期,每次冻融应在2～5 h内完成。

盐蚀-冻融过程中,混凝土的相对抗压强度计算公式如式(1)所示。

f=(fn/f0)×100%

(1)

式中:f为n次循环后的相对抗压强度,%;f0为试样初始抗压强度,Pa;fn为经历n次盐蚀-冻融作用后的抗压强度,Pa。

1.3.3电镜扫描(SEM)测试

本研究中SEM测试所用仪器为赛默飞Quattro S热场发射扫描电子显微镜,取冻融循环和盐蚀-冻融循环试验后的混凝土试样,在各试样内部相同位置处取1 cm3大小的样品备用,之后对试样表面进行喷金处理和扫描分析。

2 结果与讨论

2.1 相对抗压强度演化规律

以试样28 d抗压强度为基准计算冻融试验过程中混凝土的相对抗压强度,混凝土分别在清水冻融与盐蚀-冻融作用下的相对抗压强度随冻融循环次数的变化规律见图1。

图1 混凝土抗压强度随冻融循环次数的变化规律

由图1可知,普通混凝土在清水冻融与盐蚀-冻融作用下,抗压强度均随冻融循环次数增加而显著降低,且混凝土在盐蚀-冻融作用下抗压强度劣化速度较清水冻融作用下明显加快。清水冻融与盐蚀-冻融试验中,混凝土试样分别在200次和150次冻融循环之后严重破损无法继续试验。经历150次冻融循环后,QPC组与PC组混凝土抗压强度分别降低31.12%和61.20%。由此可见,当采用质量分数为10%的Na2SO4溶液作为冻融介质时,盐分侵蚀与冻融循环的双重作用会显著加剧混凝土抗压强度的劣化。而采用引气混凝土进行盐蚀-冻融循环试验时,混凝土抗压强度在前150次循环内无明显降低,这是因为试样一方面受冻融循环的破坏作用,另一方面盐分结晶对混凝土内部孔隙和裂纹的填充作用增加了混凝土密实性,而盐结晶疏松多孔的性质导致了混凝土动弹性模量明显下降。

此外还可以发现,在前50次冻融循环中,清水与硫酸钠溶液中冻融的混凝土抗压强度降低幅度相差不大,50次冻融循环之后,在10%的Na2SO4溶液中冻融的混凝土抗压强度下降速率明显加快。这是因为在冻融前期主要以冰体膨胀所造成的劣化为主,因此两者抗压强度降低幅度较为相近,而随着冻融循环次数的增加,侵蚀性硫酸盐溶液不断向混凝土内部深入,在孔隙内部生成的盐类结晶与水分结晶的双重作用下,膨胀应力较大,因而混凝土损伤劣化加剧,抗压强度显著下降。

2.2 宏观形貌劣化过程

混凝土在清水溶液及质量分数为10%的Na2SO4溶液中进行冻融循环时试样外观变化图分别见图2、图3。由图2可见,清水冻融25次后,混凝土表面水泥浆体部分剥落,试样相对完整、骨料尚未暴露,但试样表面变得粗糙。50次冻融循环作用后试样表面剥蚀进一步加剧,砂浆基质进一步剥落,大量骨料暴露。100次冻融循环作用后,试样开始出现粗骨料外露,同时出现轻微掉角的现象。150次冻融循环作用后,试样剥蚀更加严重,出现明显缺角的现象,粗、细骨料严重外露。

图2 清水冻融循环作用下混凝土表观形貌

图3 盐蚀-冻融循环作用下混凝土表观形貌

如图3所示,试样在前25次循环作用下,试样相对完整,也并未出现骨料外露,表面相对平整。50次循环作用后,试样出现明显的局部坑蚀现象,有明显骨料外露和轻微掉角现象。100次循环作用后,试样骨料严重外露,棱角也有明显剥落。150次循环后,试样严重剥蚀,大量骨料外露且有骨料剥落的现象出现,外层砂浆基体几乎全部掉落并出现较多贯通裂隙,试样尺寸明显减小。

综上所述,高质量分数硫酸盐溶液侵蚀与冻融循环耦合作用下试样前期剥落量减少,但随冻融循环次数的增加,试样裂隙贯通及表面剥落速率明显增大,试样加速损坏。

2.3 微观形貌劣化过程

对清水冻融与硫酸钠溶液侵蚀下冻融循环0次和100次时的混凝土试样进行扫描电镜试验,试验前、后混凝土微观形貌的变化结果图见图4、图5。

图4 未经冻融循环的混凝土微观形貌

图5 100次冻融循环后的混凝土微观形貌

由图4可见,未经冻融循环前,试样结构较为密实、完整,同时可以观察到大量水化硅酸钙凝胶,气孔壁也较为饱满。由图5可见,100次循环作用后,经历清水冻融的混凝土试样(图5a)结构表面剥蚀较为普遍,孔隙边缘已无明显棱角,并产生很多损伤劣化后的碎屑颗粒。盐蚀-冻融循环作用下,硫酸根离子不断进入混凝土内部,硫酸根离子与水化产物发生反应,生成钙矾石晶体(图5b)。此外,与清水冻融不同的是,盐蚀-冻融作用下混凝土试样破碎颗粒感较弱,但会产生较为明显的裂缝,这是由于在硫酸钠溶液中,随着侵蚀性产物在孔隙及微裂纹中不断积累,产生较大的张拉应力,使得混凝土裂纹扩张连通。

3 结论

1) 清水冻融与盐蚀-冻融循环作用下,混凝土力学强度始终呈现劣化趋势且盐蚀-冻融作用下劣化速度更快。

2) 100次循环作用后,经历盐蚀-冻融作用的混凝土试样结构表面剥蚀更加严重,大量骨料外露并产生大量碎屑颗粒,有明显的裂缝贯通,试样剥落量也更大。

3) 当冻融介质为硫酸盐溶液时,盐蚀-冻融循环作用下,硫酸根离子不断进入混凝土内部,硫酸根离子与水化产物发生反应,生成钙矾石晶体。冰体冻胀应力及结晶膨胀压力使得盐蚀-冻融作用下混凝土会产生大量贯通裂缝,加速混凝土损伤劣化。