復合鹽與干濕循環雙重因素作用下混凝土耐久性試驗

宿曉萍，王 清

1.吉林大學建設工程學院，長春 130026

2.長春工程學院土木工程學院，長春 130012

0 引言

混凝土面臨的環境條件直接影響其耐久性，國內外學者就此展開了不同環境條件下混凝土耐久性問題的研究［1－13］。混凝土在干濕交替作用下的性能是研究混凝土耐久性不可忽視的一個重要方面，處于干濕循環環境中的混凝土若受到鹽的腐蝕，破壞會更加嚴重。

松嫩平原鹽漬土分布十分廣泛，是我國蘇打鹽漬化土壤的最大分布區，也是世界三大蘇打鹽漬土集中分布區之一［14－16］。該區鹽漬土屬于內陸蘇打鹽漬型，鹽分組成中以大蘇打（Na2CO3）和小蘇打（NaHCO3）為主，并含有少量硫酸鹽和氯化物［17－19］。國內外學者關于氯鹽、硫酸鹽等對混凝土結構的破壞機理研究較多［3－12］，對于蘇打鹽漬土中的鹽類對混凝土材料的侵蝕破壞認識不足，這方面的研究不夠深入，相關研究和文獻資料很少。

吉林省西部地處松嫩平原中南部，土壤鹽漬化較嚴重，其中，吉林省大安市是松嫩平原土壤鹽漬化最嚴重的縣市之一。張靜［20］曾對大安市太山鎮高家窩棚村西1km處取樣點，進行了剖面取樣與土樣分析，詳細研究了這些地區鹽漬土的物質組成及物理化學性質，并對土樣中易溶鹽的成分進行了分析測定。李彬等［21］對大安市蘇打堿土區6～7m、20～30m和60～70m3種深度地下水的基本化學特征進行了測試，結果表明：地下不同深度地下水的化學特征與土壤相似，鈉質堿化現象較為普遍。可見，處于大安境內的混凝土工程，如不斷提起放下的閘門、水位變化區的橋墩、為防水滲漏的混凝土水渠等，會長期受到鹽蝕與干濕交替的反復作用，混凝土的耐久性受到嚴重影響。

筆者根據大安鹽漬土中主要易溶鹽的種類與含量，配制了不同質量分數的復合鹽侵蝕溶液，制備了5種配合比的混凝土試件，進行復合鹽－干濕循環試驗，研究在干濕交替作用下蘇打鹽漬土中的鹽類對混凝土耐久性的影響。目的是進一步完善不同環境條件下混凝土耐久性研究的理論基礎與試驗依據，以減少鹽堿土中鹽類對混凝土工程的潛在威脅，提高混凝土工程對環境的適應性與服役期的安全性。

1 試驗原材料與試驗方案

1.1 復合鹽侵蝕溶液的配制

根據張靜［20］對大安地區春季土樣中易溶鹽含量的實測結果，按照取樣深度30cm處土中Na＋、、Cl－的離子濃度配制了質量分數為3.4%的復合鹽侵蝕溶液，以此作為混凝土侵蝕溶液的基準質量分數；考慮對比與試驗速度，又分別配制了基準質量分數侵蝕溶液中各種易溶鹽用量3倍、5倍、10倍的侵蝕溶液；此外設置了1組水溶液以進行試驗數據對比。5組侵蝕溶液的質量分數分別為0（A組）、3.4%（B 組）、10%（C 組）、15%（D 組）、26%（E組）。5組侵蝕溶液中各類鹽的質量濃度如表1所示。根據自來水的化學分析結果可知，水中氯離子的質量濃度為30mg／L，硫酸鹽的質量濃度為19mg／L，水中有害物不會影響試驗結果，故本文忽略不計。

表1 復合鹽侵蝕溶液的質量分數Table 1 Quality score of the multi－salt liquor

1.2 混凝土原材料

混凝土的主要原材料有：P·O 42.5普通硅酸鹽水泥（性能指標見表2），其礦物組分有硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣、游離氧化鈣，質量分數分別為 55.7%、22.09%、5.12%、16.79%、0.29%；粗骨料，采用粒徑5～10mm連續級配、表面粗糙且質地堅硬的碎石；細骨料，為細度模數為3.0～2.4的中砂，平均粒徑為0.5～0.35mm，含泥量為1.2%，堆積密度為1 468kg／m3，表觀密度為2 650kg／m3，且顆粒級配良好；外加劑有Ⅱ級粉煤灰、引氣劑（上海楓楊實業有限公司生產，SJ－2摻量以滿足設計所要求的含氣量為準）和萘系高效減水劑（非引氣型，摻量以滿足設計所要求的坍落度為準，摻量為0.75%～1.5%，減水率為14%～25%）；配制侵蝕溶液的無水硫酸鈉、氯化鈉及碳酸氫鈉試劑以及自來水。

1.3 混凝土配合比

考慮吉林省西部地區的氣候特點、研究區內土壤與環境水中腐蝕離子含量較高以及混凝土工程的實際施工要求，筆者設計了低水泥用量、不同含氣量、粉煤灰摻量的同一強度等級的5種混凝土配合比，即：Ⅰ（Z－Ⅰ）組為基準混凝土，Ⅱ（Z－Ⅱ）、Ⅲ（Z－Ⅲ）組混凝土分別摻加3／10 000、6／10 000水泥用量的引氣劑，Ⅳ（Z－Ⅳ）、Ⅴ（Z－Ⅴ）組混凝土分別摻加水泥用量10%、20%的粉煤灰。混凝土的強度等級均為C30，水膠比為0.48，砂率為0.35。混凝土的配合比及其28d立方體抗壓強度見表3。

1.4 試驗方案

綜合其他學者的試驗制度與方法，考慮試驗的可操作性和便于試驗結果對比，本文試驗制度為1d完成一次干濕循環，即將浸泡后的試件放入烘箱（70℃±2℃）中烘12h，取出后冷卻1h至室溫，再浸泡11h，如此循環重復試驗。試件尺寸為40mm×40mm×160mm，采用立式半浸泡方式。

本文采用無損傷試驗，以質量損失、動彈性模量變化作為評價指標。當試件的質量損失大于5%，或者動彈性模量降到初始值的60%時，即終止試驗。因濃度較高的侵蝕溶液中的試件脫落、動彈性模量變化較快，加快試驗數據的測定頻率，測得干濕循環0、5、10、15…次時試件的質量與動彈性模量，所得數據取3個試件的平均值。

2 試驗結果與數據分析

2.1 試驗的宏觀現象

混凝土的破壞程度與侵蝕溶液的濃度有關。在水中的試件外觀變化不大，混凝土脫落不多，而在鹽溶液中的試件變化較明顯。隨著鹽浸－干濕循環次數的增加，鹽溶液中的試件表面開始出現多條微細裂紋，錯綜布列的裂紋慢慢開展、擴大，最后貫通起來，4個棱邊的裂紋尤為明顯；而且試件浸泡的一端體積發生膨脹，試件表面混凝土出現剝落（圖1）。

另外，在距浸泡溶液面（即試件中間）以上20～40mm處，試件表面吸附一層白色鹽類晶體，鹽漬清晰可見，此處混凝土剝落得比較嚴重（圖2），導致此處構件的截面尺寸明顯減少，有的試件就在此處斷掉；這主要是由于干濕循環作用下鹽類結晶膨脹造成的，從干燥后斷裂面及混凝土內部孔隙中發現白色結晶產物也證明了這一點。對于質量分數較高的D、E組溶液中的試件，其下端直接接觸因溶解度低而未溶解的鹽顆粒，脫落得最早、破壞得最嚴重。

混凝土試件的破壞情況還與混凝土配合比有關。相同質量分數的鹽溶液中，引氣混凝土與粉煤灰混凝土均比基準混凝土表現好，而且引氣混凝土耐鹽蝕－干濕循環作用的效果更顯著。可見，對于引氣混凝土，引氣產生的氣孔極大地緩解了混凝土的膨脹應力造成的開裂，耐久性良好；而粉煤灰的密實填充效應和火山灰效應，能夠降低混凝土孔隙率并改善其孔隙特征，但是對混凝土抗鹽蝕－干濕循環的能力提高有限。

表2 P·O42.5普通硅酸鹽水泥性能指標Table 2 P·O42.5ordinary portland cement performance

表3 混凝土配合比與性能Table 3 Concrete mixture ratio and performance

圖1 復合鹽浸－干濕循環試驗前（左）與破壞后（右）的試件外觀對比Fig.1 Specimens appearance before（left）test and after（right）damage

圖2 試件的典型破壞形態Fig.2 Typical failure form of specimens

2.2 復合鹽浸－干濕循環作用與質量損失的關系

參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》的規定，用電子天平稱得試件的初始質量與達到試驗要求循環次數時的質量，可以得到混凝土在各組溶液中的質量損失率，其隨鹽浸－干濕循環作用的變化規律見圖3。

由圖3可以看出，在B、C、D 3組鹽溶液中的試件，其變化規律基本一致，即試驗前期試件質量略有增加，但隨著干濕循環次數的增加，混凝土剝落越來越嚴重，導致質量損失加快。在試驗前期，干濕循環作用導致試件表面淺層開始出現裂隙，使得鹽溶液不斷地滲透結晶，使混凝土質量有所增加；隨著混凝土開始慢慢剝落，質量也隨之開始下降。而對于E組溶液中的試件，由于復合鹽溶液質量分數較高，試件破壞過程迅速，在干濕循環超過5次后，混凝土開始剝落，質量損失率曲線較陡，很快質量損失便達到初始質量的5%。對于水中的混凝土試件，其質量隨著干濕交替作用呈緩慢下降趨勢，由于水的吸入與蒸發反復循環作用，使混凝土表面孔隙增大、增多，可見混凝土由表及內逐漸剝落，質量隨之慢慢下降，但是質量增加段并不明顯。這也證明了鹽溶液中的試件，質量出現增加段是由于鹽溶液在混凝土內不斷地滲透與結晶導致的。可見，內陸蘇打鹽漬土區環境中的溫度濕度反復變化對混凝土工程具有腐蝕破壞作用。

混凝土的質量損失與侵蝕溶液的質量分數有很大關系。侵蝕溶液的質量分數越大，質量損失得越快，破壞得越早，所能經受的干濕循環次數越少；但是大部分試件都未等質量損失率達到5%，便因為動彈性模量先降到初始值的60%而停止了試驗。僅以Ⅰ組混凝土為例：A組溶液（水）中的混凝土隨干濕循環次數的增加質量損失比較緩慢，未現增加段；而在B、C、D組溶液中的試件，質量開始有所增加，鹽溶液的質量分數越大，質量增加越明顯，而后隨著干濕循環次數的增加質量損失加劇，鹽溶液的質量分數越大，質量損失率的曲線越陡；E組溶液中的試件，未等出現質量增加段便在鹽溶液較強的腐蝕作用下出現剝落，質量損失很快。

混凝土試件的質量損失情況還與含氣量、粉煤灰摻量有關。含氣量越大的試件，其經受干濕循環作用的次數越多。以B組溶液中的混凝土為例，當動彈性模量降到初始值的60%時，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ組混凝土所經受的干濕循環次數分別為70、110、140次，其質量損失率分別為2.80%、3.46%、2.11%。但是在Ⅰ組混凝土達到70次干濕循環次數時，Ⅱ、Ⅲ組混凝土的質量損失率僅為1.30%和0.64%。可見，引氣混凝土的耐久性要好于普通混凝土，原因在于引氣極大地改善了混凝土的孔結構，緩解了熱壓力。因此，處于鹽漬土地區的混凝土工程，可適當增大混凝土的含氣量，以提高混凝土抗鹽蝕－干濕循環破壞的能力。又如B組溶液中的Ⅳ、Ⅴ組粉煤灰混凝土，抗干濕循環的次數分別為90、110次左右，此時的質量損失率分別為1.78%、1.00%，其抗鹽蝕－干濕循環破壞的效果比Ⅰ組混凝土雖有一定提高，但改善的效果不如引氣混凝土明顯。

圖3 復合鹽－干濕循環作用下混凝土質量損失率的變化規律Fig.3 Loss ratio of mass of concrete versus multi－salt and dry－wet cycles

2.3 復合鹽浸－干濕循環作用與動彈性模量的關系

用超聲波檢測儀測得混凝土試件的橫向基頻，計算得到不同復合鹽浸－干濕循環次數的動彈性模量，本文用相對動彈性模量來分析混凝土性能的變化。經復合鹽浸－干濕循環作用后混凝土相對動彈性模量的變化規律如圖4所示。

從圖4結果來看：在不同質量分數的侵蝕溶液中的混凝土，經干濕循環作用后動彈性模量的變化規律基本一致，即干濕循環前期，試件的動彈性模量呈增長趨勢，達到一定循環次數后，呈下降趨勢；對于E組溶液中的各組混凝土，由于侵蝕溶液濃度較大，相對動彈性模量曲線未現上升段便很快降到初始值的60%而終止試驗。

相對動彈性模量曲線出現上升段，是由于混凝土的進一步水化與鹽類滲透，混凝土內部更加密實而使得前期強度有所增長。侵蝕溶液的質量分數越大，相對動彈性模量曲線下降段就越陡，混凝土所能承受的干濕循環作用的次數就越少，破壞得越嚴重。如基準混凝土，當動彈性模量達到初始值的60%終止試驗時，在A、B、C、D、E組侵蝕溶液中所遭受的干濕循環次數分別為130、70、50、20、15次。即使在清水中的混凝土經過一定次數的干濕循環作用后，動彈性模量也呈緩慢衰減趨勢。可見，干濕交替作用對混凝土有一定的破壞作用，而且在鹽蝕與干濕交替雙重因素作用下，混凝土破壞情況更嚴重。

動彈性模量的變化還與混凝土的含氣量、粉煤灰摻量有關。混凝土的含氣量越大，試件經受干濕循環作用的次數越多，曲線下降得越慢。如：B組溶液中的混凝土，非引氣的基準混凝土在干濕循環達80次時，動彈性模量就已降到初始值的56.97%（此時試件的質量損失率僅為2.8%）；而對于Ⅱ、Ⅲ組引氣混凝土，干濕循環次數分別超過110、140次時動彈性模量才達到初始值的60%；對于Ⅳ、Ⅴ組粉煤灰混凝土，所能經受的干濕循環次數分別為90、110次。可見，摻加適當的引氣劑、粉煤灰對提高混凝土抗鹽蝕－干濕循環破壞能力有一定的效果。

綜上所述，隨著混凝土含氣量與粉煤灰摻量的提高，混凝土抗干濕循環作用的能力均有所提高，但粉煤灰對提高混凝土耐干濕作用的效果低于引氣作用。因此，鹽漬土地區混凝土應適當提高混凝土的引氣劑摻量。同時也驗證了：鹽蝕－干濕循環條件下動彈性模量指標比質量損失指標更敏感，動彈性模量的變化比質量損失更能反映混凝土的受損程度。

圖4 復合鹽－干濕循環作用與混凝土相對動彈性模量的關系Fig.4 Relative dynamic modulus of elasticity of concrete versus multi－salt and dry－wet cycles

3 結論

1）在干濕循環條件下，復合鹽對混凝土材料有較強的腐蝕性，對于吉林西部鹽漬土區內處于干濕交替作用環境下的混凝土工程，其耐久性應引起足夠重視。

2）經鹽蝕－干濕循環作用后，試驗前期試件質量有所增加，而后隨著干濕循環次數的增加，質量損失加快。在距浸泡溶液面以上20～40mm處，混凝土剝落嚴重，有的試件在此處斷掉破壞。

3）經鹽蝕－干濕循環作用后，混凝土的動彈性模量先呈增長趨勢，達到一定循環次數后，呈下降趨勢，而且鹽溶液的質量分數越大，下降得越快。當鹽溶液質量分數大于26%時，混凝土的動彈性模量未出現上升段，整體呈下降趨勢，而且破壞較快、較嚴重。

4）含氣量、粉煤灰能夠提高混凝土抗鹽蝕－干濕循環的破壞能力，但是引氣混凝土提高效果更明顯。內陸蘇打鹽漬土地區在干濕作用的惡劣環境下，混凝土工程應考慮摻加一定量的引氣劑。

5）鹽蝕－干濕循環條件下，動彈性模量指標比質量損失指標更敏感，說明混凝土的動彈性模量能夠較好地反映混凝土的耐久性能。

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