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(huán)境條件直接影響其耐久性，國內外學者就此展開了不同環(huán)境條件下混凝土耐久性問題的研究［1－13］?；炷猎诟蓾窠惶孀饔孟碌男阅苁茄芯炕炷聊途眯圆豢珊鲆暤囊粋€重要方面，處于干濕循環(huán)環(huán)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(qū)，也是世界三大蘇打鹽漬土集中分布區(qū)之一［14－16］。該區(qū)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(zhèn)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(qū)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(qū)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(xiàn)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(qū)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(huán)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(huán)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(huán)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(qū)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(xù)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(yè)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(qū)的氣候特點、研究區(qū)內土壤與環(huán)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?；炷恋膹姸鹊燃壘鶠镃30，水膠比為0.48，砂率為0.35?；炷恋呐浜媳燃捌?8d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(huán)，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(huán)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(huán)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(xiàn)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(huán)次數的增加，鹽溶液中的試件表面開始出現(xiàn)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(fā)生膨脹，試件表面混凝土出現(xiàn)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(huán)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(fā)現(xiàn)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(xiàn)好，而且引氣混凝土耐鹽蝕－干濕循環(huán)作用的效果更顯著?？梢?，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(huán)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(huán)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(tài)Fig.2 Typical failure form of specimens

2.2 復合鹽浸－干濕循環(huán)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(guī)定，用電子天平稱得試件的初始質量與達到試驗要求循環(huán)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(huán)作用的變化規(guī)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(guī)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(huán)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(huán)作用導致試件表面淺層開始出現(xiàn)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(huán)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(fā)反復循環(huán)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(xiàn)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?？梢?，內陸蘇打鹽漬土區(qū)環(huán)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(huán)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(huán)次數的增加質量損失比較緩慢，未現(xiàn)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(huán)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(xiàn)質量增加段便在鹽溶液較強的腐蝕作用下出現(xiàn)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(huán)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(huán)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(huán)次數時，Ⅱ、Ⅲ組混凝土的質量損失率僅為1.30%和0.64%?？梢?，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(qū)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(huán)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(huán)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(huán)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(huán)作用下混凝土質量損失率的變化規(guī)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(huán)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(huán)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(huán)作用后混凝土相對動彈性模量的變化規(guī)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(huán)作用后動彈性模量的變化規(guī)律基本一致，即干濕循環(huán)前期，試件的動彈性模量呈增長趨勢，達到一定循環(huán)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(xiàn)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(xiàn)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(huán)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(huán)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(huán)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?；炷恋暮瑲饬吭酱?，試件經受干濕循環(huán)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(huán)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(huán)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(huán)次數分別為90、110次?？梢?，摻加適當的引氣劑、粉煤灰對提高混凝土抗鹽蝕－干濕循環(huán)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(huán)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(qū)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(huán)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(huán)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(huán)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(qū)內處于干濕交替作用環(huán)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(huán)作用后，試驗前期試件質量有所增加，而后隨著干濕循環(huán)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(huán)作用后，混凝土的動彈性模量先呈增長趨勢，達到一定循環(huán)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(xiàn)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(huán)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(qū)在干濕作用的惡劣環(huán)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(huán)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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