吳俊臣，申向東

（1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018；2. 內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術學院建筑工程學院，呼和浩特 010070）

風積沙混凝土的抗凍性與凍融損傷機理分析

吳俊臣1,2，申向東1※

（1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018；2. 內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術學院建筑工程學院，呼和浩特 010070）

為探討沙漠沙（又名風積沙）替代河砂對低溫環(huán)境下混凝土的耐久性能影響，按照風積沙替代河砂質(zhì)量的20%、40%、60%、80%、100%共設計了5種強度等級為C25的風積沙混凝土（aeolian sand concrete，ASC）。采用加速試驗方法研究了風積沙混凝土在凍融條件下的損傷失效規(guī)律，借助環(huán)境電鏡掃描（environmental scanning electron microscope，ESEM）、應變監(jiān)測和核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）等測試手段得到了風積沙混凝土的損傷機理。研究發(fā)現(xiàn)風積沙摻量80%以上的混凝土凍融次數(shù)超過200次，凍融損傷殘余應變小，內(nèi)部封閉小孔隙數(shù)量多對凍融損傷的抑制阻礙作用增強。結(jié)果表明風積沙混凝土的抗凍性能隨著風積沙摻量的增加而提高，摻量為100%的風積沙混凝土的抗凍性最好。該研究可為風積沙混凝土大范圍應用于寒區(qū)渠道襯砌及水利設施建設提供理論依據(jù)。

灌溉；混凝土；核磁共振；風積沙；凍融；損傷；應變

吳俊臣，申向東. 風積沙混凝土的抗凍性與凍融損傷機理分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33(10)：184－190.

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.024 http://www.tcsae.org

Wu Junchen, Shen Xiangdong. Analysis on frost resistance and damage mechanism of aeolian sand concrete[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(10): 184－190. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.024 http://www.tcsae.org

0 引 言

作為中國設計灌溉面積最大的內(nèi)蒙古西部巴彥淖爾市河套灌區(qū)，2015年僅節(jié)水改造工程[1-4]投資近6.5億元，其中需要消耗40萬m3混凝土用于渠道襯砌與配套水利設施建設。數(shù)量眾多的混凝土水利設施服役環(huán)境屬于干旱、寒冷地區(qū)，遭受反復熱脹冷縮后相當一部分出現(xiàn)凍脹破壞、剝落[5-11]，惡劣的混凝土服役環(huán)境導致大量水工混凝土結(jié)構的實際使用壽命普遍低于設計使用壽命。天然河砂的過度開采導致資源緊缺和環(huán)境的破壞，土地快速的沙漠化和在防沙固沙方面的巨額投入[12]，混凝土水利設施的低耐久性造成的重復建設，用儲量豐富的沙漠沙（又名風積沙）作為河砂的替代產(chǎn)品應用于混凝土行業(yè)并提高其耐久性能是擺在科研工作者面前的一個重要課題。國內(nèi)外許多專家與學者已經(jīng)對風積沙的工程特性[13-16]、對砂漿和混凝土物理與力學性能的影響[17-19]以及在工程上的應用[20-23]方面展開了研究，取得了許多有價值有意義的成果。但是對風積沙混凝土的耐久性能研究的成果目前很少[24]，這極大地限制與阻礙了風積沙混凝土在工程上的應用。

本文按照內(nèi)蒙古河套灌區(qū)在渠道襯砌中廣泛使用的模袋混凝土的性能要求[9]，按照風積沙替代普通河砂質(zhì)量的20%、40%、60%、80%和100%設計配制了5種強度等級均為C25不同風積沙替代量的混凝土，采用加速試驗模擬自然環(huán)境對普通混凝土（ordinary Portland cement concrete，OPC）和風積沙混凝土（aeolian sand concrete，ASC）的抗凍性能進行了研究；測試了不同摻量風積沙混凝土在水中凍融后的內(nèi)部應變損傷；運用X射線衍射分析技術（X-ray diffractometer，XRD）、環(huán)境電鏡掃描（environmental scanning electron microscope，ESEM）及核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）技術深入探討了風積沙混凝土的凍融損傷機理。

1 材料與方法

1.1 材料

采用冀東牌42.5級普通硅酸鹽水泥，內(nèi)蒙古呼和浩特市金橋電廠生產(chǎn)的粉煤灰；普通河砂為中砂（細度模數(shù) 2.9），風積沙為內(nèi)蒙古西部庫布齊沙漠地區(qū)的沙漠沙（細度模數(shù)0.7）；粒度范圍在5～12 mm連續(xù)級配的卵石。水泥的主要性能指標均滿足要求，其 28d抗壓強度為49.1 MPa；風積沙與石子的含泥量均為0.4%，河砂的含泥量為3.5%、泥塊質(zhì)量分數(shù)為0.3%。減水劑采用聚羧酸類母液sc-40型高效減水劑，減水率達20%；拌和用水為飲用水。原材料的主要化學成分見表1。

表1 材料主要化學成分Table 1 Main chemical compositions of materials %

1.2 試驗設計

按照風積沙替代天然河砂量（質(zhì)量計）不同，共設計了5組ASC，替代量分別為20%、40%、60%、80%、100%，OPC作為對比組。6組混凝土水灰比均為0.55、砂率為0.48；1m3混凝土中膠凝材料質(zhì)量為418 kg、引氣劑質(zhì)量為0.02 kg；6組混凝土內(nèi)摻粉煤灰采用等量替代法，摻量均為膠凝材料的20%，即84 kg/m3。配合比見表2。

表2 6種混凝土配合比及物理力學性能Table2 Mix proportions and physical and mechanical properties of concrete

嚴格按照粗細骨料-膠凝材料的先后順序投入攪拌機干拌30 s，然后邊攪拌邊緩慢均勻分散的加水再攪拌2 min，根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T 50080-2002），試件成型尺寸為100 mm′100 mm′100 mm的立方體試件和40 mm′40 mm′160 mm的棱柱體試件[25-26]，將制作好的試塊保濕養(yǎng)護1 d后拆模，在標準狀態(tài)下養(yǎng)護28 d。

1.3 試驗方法

按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082-2009）中“快凍法”，將標養(yǎng)到24 d的棱柱體試件浸入（全浸泡）溫度為15～20 ℃的水中，4 d后放入快速凍融機中進行快速凍融循環(huán)試驗，在-18 ℃±2 ℃條件下凍結(jié)2 h，在8 ℃±2 ℃條件下融化2 h為一個凍融循環(huán)，1 d完成6個凍融循環(huán)。具體為：由8 ℃降到-18℃凍結(jié)用時 1 h，保持-18 ℃ 1 h，由-18 ℃升到8 ℃融化過程為1 h，保持8 ℃為1 h。試驗過程中每25個循環(huán)結(jié)束后觀測凍融試驗箱中橡膠桶內(nèi)液面高度并及時補充，要保證液面高度始終高于試件的高度。試驗開始時先測取每組混凝土的初始質(zhì)量與動彈性模量，然后每隔25個凍融循環(huán)（4 d后）后測定每組3個試件的質(zhì)量與動彈性模量，并取其平均值。當凍融循環(huán)次數(shù)達到300次、試件的質(zhì)量損傷率達5%或者相對動彈模量下降到60%時，即可停止試驗[27]。

X射線衍射分析（XRD）：樣品的物相分析采用日本理學公司的UltimaIV型X射線衍射儀測定，條件為Cu靶，λ=1.540 6A，管壓40 kV，管流40 mA，掃描速度4°/min，掃描范圍 5°～90°。

應變采集：試驗開始前已經(jīng)對6種不同風積沙摻量的混凝土試塊內(nèi)部埋置了BX120-50AA型電阻應變片[28]，電阻值為（120±0.2）W，靈敏系數(shù)為（2.08±1）%。采用江蘇東華測試技術股份有限公司產(chǎn)的 DH3818靜態(tài)應變測試系統(tǒng)，其采樣頻率為2 Hz。

核磁共振（NMR）：采用上海紐邁科技有限公司生產(chǎn)的 MiniMR－60型核磁共振儀，在測試試件的過程中H質(zhì)子共振頻率23.320 MHz，磁體強度0.55 T，磁體溫度為32 ℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 OPC與ASC凍融后的動彈模量與質(zhì)量變化

由圖1 a可見，6種混凝土在凍融循環(huán)時，摻量為20%與40%的ASC相對動彈性模量快速降低，在經(jīng)歷100次凍融循環(huán)試驗時即達到破壞標志；OPC與摻量在60%及以上的ASC動彈性模量先增加后減小，動彈性模量增加到一定程度后快速降低，100%的ASC降低段進行的非常緩慢，即使在凍融至 300次后其動彈性模量仍然達到初始值的80%。

圖1 不同風積沙摻量混凝土在不同凍融次數(shù)時的相對動彈模量與質(zhì)量損失Fig.1 Relative dynamic elasticity modulus and mass loss of concrete with different aeolian sand content in different times of freeze-thaw cycles

通過圖1b可以看出，各混凝土質(zhì)量在凍融前期均有不同程度的增長，增長的原因主要是因為內(nèi)部的微裂紋的發(fā)展導致孔隙溶液增多所致；摻量為 80%及以下的ASC與OPC在遭受凍融時直觀表現(xiàn)為表面的層狀剝離與內(nèi)部微裂縫不斷發(fā)展并發(fā)展到表面，因此表現(xiàn)為相對動彈性模量的減小與質(zhì)量損失率的增加；100%的風積沙混凝土遭受225次與300次凍融后直觀從表面看損傷差異非常小，只觀察到表面層狀剝離，到 300次后質(zhì)量損失率才達到5%，其內(nèi)部微裂縫的發(fā)展非常緩慢。這主要是因為其內(nèi)部分布有很多的封閉小孔洞，在凍結(jié)階段這些孔洞內(nèi)的溶液冰點較低未結(jié)冰，大孔內(nèi)的水結(jié)冰形成的凍脹應力被封閉孔洞所抑制與釋放。

從圖1中也可以看出，20%與40%的ASC抗凍性最差，而OPC與摻量60%以上的ASC抗凍性依次增強，100%摻量的ASC的抗凍性最好。從前面表2可知6種混凝土的28 d抗壓強度逐漸減小，由于ASC的風積沙摻量越大，則內(nèi)部封閉孔隙越多，孔隙多則會降低混凝土的強度；而孔隙越多，孔隙間距減小，則遭受凍融時內(nèi)部孔隙水結(jié)冰產(chǎn)生的凍脹作用力的抑制效果就越好，因此抗凍性越來越好。

2.2 機理分析

圖2為OPC、60% ASC和100% ASC標養(yǎng)28 d的XRD物相分析曲線，圖3為3種不同風積沙摻量的ASC在遭受50次凍融循環(huán)后的ESEM照片?？梢钥闯?，經(jīng)過28 d標準養(yǎng)護后，3種混凝土內(nèi)部均觀察到有針棒狀物質(zhì)與片狀物質(zhì)存在，通過XRD物相分析證實除了SiO2和未水化的硅酸三鈣（3CaO·SiO2，縮寫 C3S）外，存在較多的水化硅酸鈣（xCaO·SiO2·yH2O，縮寫C-S-H）凝膠和鈣礬石（3CaO·Al2O3．3CaSO4·32H2O，縮寫 AFt），還有少量的單硫型水化硫鋁酸鈣（3CaO·Al2O3·3SO4·12H2O，縮寫AFm）。60% ASC的基體組織結(jié)構最為緊密，集料周圍完全被水化產(chǎn)物所包裹；而100% ASC在放大1 000倍后可看到基體內(nèi)分布有許多圓形封閉的毛細孔洞。摻量在80%以下的ASC經(jīng)過凍融后在內(nèi)部與表面形成了很多裂紋，這些裂紋最終在表面形成裂紋網(wǎng)，水進入混凝土提供了通道，為AFm轉(zhuǎn)變?yōu)锳Ft提供了條件。凍融初期，AFt相的增加密實了混凝土結(jié)構；而在凍融后期，內(nèi)部凍脹力導致微裂紋與微孔不斷擴展，這也證實了摻量在60%以上的ASC凍融后不僅表現(xiàn)為表面的層狀剝離，也表現(xiàn)為動彈模量先增加然后減小，證明內(nèi)部的損傷逐漸在加劇。而100% ASC內(nèi)部分布有大量的封閉的毛細孔洞，雖然水化初期與經(jīng)過凍融后混凝土內(nèi)部也有一定的微裂紋，由于封閉毛細孔的緩沖作用這些微裂紋不會進一步發(fā)展，只是在表面形成一定的裂紋并最終發(fā)展成裂紋網(wǎng)，表現(xiàn)為300次凍融后質(zhì)量損失到5%，而動彈模量下降很少。

圖2 3種混凝土在標準養(yǎng)護28 d后的X射線衍射分析Fig.2 Analysis of X-ray diffraction after 28 days of standard maintenance on three types of concrete

圖3 不同風積沙摻量混凝土在不同凍融次數(shù)時的環(huán)境電鏡掃描照片F(xiàn)ig.3 ESEM photographs of concrete with different aeolian sand content in different times of freeze-thaw cycles

圖4為OPC與ASC在第8個凍融循環(huán)的應變隨溫度變化曲線，圖 5為殘余應變隨風積沙摻量變化情況。對于經(jīng)過凍融循環(huán)的 6種混凝土，隨著溫度的降低，混凝土內(nèi)部的大孔先結(jié)冰、小孔后結(jié)冰，大孔中的水結(jié)冰后體積膨脹產(chǎn)生凍脹力，應力導致混凝土基體變形，因此變形逐漸增大，在最低溫度時應變達最大值；隨著溫度的逐漸升高，大孔中的冰先融化導致凍脹力減小，應變也減小。最終第8個凍融循環(huán)期內(nèi)的降溫和升溫階段混凝土內(nèi)部應變變化路徑并不重合。60% ASC在降溫和升溫階段的應變變化非常大，這種現(xiàn)象也與前面提到的該混凝土的相對動彈性模量變化速度最大是一致的。這是因為60%的ASC內(nèi)部一旦出現(xiàn)微裂縫，由于內(nèi)部孔隙率比較小，混凝土基體出現(xiàn)的這種損傷具有不可逆轉(zhuǎn)性，因此，隨著凍融次數(shù)的增加，裂縫發(fā)展越來越大，導致其在凍融到150次時質(zhì)量雖然在增加，但是相對動彈性模量已經(jīng)降低到60%，表示混凝土已經(jīng)達到破壞。對于設計強度等級為 C25的混凝土其彈性模量為 28 GPa，抗拉強度為1.27 MPa，則混凝土的極限拉應變?yōu)?5.4′10-6。從圖 5可看出經(jīng)過相同的凍融循環(huán)作用后，60% ASC的殘余應變最大，經(jīng)過8次循環(huán)，6組混凝土的殘余應變（e）分別為 299′10-6、129′10-6、519′10-6、5324′10-6、85′10-6、177′10-6，說明 6 種混凝土在第 8次凍融循環(huán)作用下內(nèi)部產(chǎn)生的應力足以導致基體出現(xiàn)裂紋；經(jīng)過8次循環(huán)后60% ASC的基體內(nèi)部損傷最嚴重。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因就是風積沙的摻量在很大程度上影響了混凝土的內(nèi)部孔隙結(jié)構，摻量越大，混凝土內(nèi)部的孔隙含量越多，但是封閉型的小孔所占體積比例較大，凍融過程中內(nèi)部孔隙結(jié)構最不合理的裂紋產(chǎn)生擴展的速度就快，損傷就更大。因此，風積沙摻量是影響ASC抗凍性的主要因素之一。

圖4 不同風積沙摻量混凝土在第8次凍融循環(huán)時應變隨溫度的變化Fig.4 Strain along with the temperature variation at 8th freeze-thaw cycle with different aeolian sand content of concrete

圖5 第8次凍融循環(huán)時混凝土內(nèi)殘余應變隨風積沙摻量的變化Fig.5 Residual strain of concrete with different aeolian sand content at 8th freeze-thaw cycle

通過NMR的T2譜圖與孔徑分布曲線可進一步說明。核磁共振T2分布與孔隙尺寸相關，在多孔介質(zhì)中，孔徑越大，存在于孔中的水弛豫時間越長；孔徑越小，存在于孔中的水受到的束縛程度越大，弛豫時間越短，即峰的位置與孔徑大小有關，峰的面積大小與對應孔徑的多少有關。由圖6可知，經(jīng)過50次凍融后的風積沙混凝土核磁共振T2譜主要表現(xiàn)為3～4個峰值，且依次4個峰值的信號強度存在較大差異，說明在經(jīng)過凍融后及不同凍融次數(shù)后風積沙混凝土內(nèi)部的孔隙分布不同。風積沙摻量為40%的混凝土第一、第二峰值最大，100%風積沙混凝土第一峰值最小，說明風積沙摻量的提高可以緩解混凝土內(nèi)部的裂紋的進一步發(fā)展； 100%風積沙混凝土的T2譜首峰峰值明顯小于摻量為 0～80%的風積沙混凝土第一峰值，說明100%風積沙混凝土內(nèi)部的孔隙尺寸明顯小于其他摻量的風積沙混凝土。100% ASC內(nèi)部的孔徑最小，大孔數(shù)量也最少。

圖6 不同風積沙摻量混凝土在凍融50次時的孔結(jié)構變化Fig.6 Variation of pore structure in 50th freeze-thaw with different aeolian sand content of concrete

表3為6組混凝土50次凍融后的的孔隙度、滲透率、束縛水飽和度和自由水飽和度，通過 4個參數(shù)的變化來分析遭受凍融的混凝土內(nèi)部的孔隙發(fā)育情況，并評價 6組混凝土的抗凍性能[29-30]。已經(jīng)知道，混凝土內(nèi)部的自由水是賦存于大孔與裂縫中，而束縛水是賦存于毛細孔內(nèi)的。對比 6組混凝土，隨著強度的減小，束縛流體飽和度增加，而自由流體飽和度減小，表明在反復凍脹力的作用下，混凝土的內(nèi)部新出現(xiàn)的微小裂紋與微孔；強度最低的100% ASC束縛流體飽和度最大，表明大摻量的風積沙混凝土內(nèi)部含有的封閉孔隙最多，而這些微孔隙與微裂紋可以起到對孔隙中未凍水的“卸壓”作用[31-32]，因此很大程度上起到了緩解凍融損傷。

對比孔隙度與滲透率發(fā)現(xiàn)，20%和40%的ASC孔隙度較大，滲透率也較大，說明這 2種混凝土內(nèi)部大孔隙比較多；對6種混凝土而言，60%以上的ASC孔隙度相對來說偏小，隨著摻量增加孔隙度增加，說明是因為混凝土內(nèi)部的封閉孔隙數(shù)量多而導致的，這也是其滲透率越來越小的原因。因此，合理的混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構，低滲透率的混凝土，可以明顯改善其抗凍性能，風積沙摻量越大，內(nèi)部的孔隙結(jié)構對抗凍性越有利。

表3 50次凍融后的孔隙度與滲透率Table 3 Porosity and permeability after 50 times’ freeze-thaw cycles

3 結(jié)論

1）在凍融作用下，OPC與不同摻量的ASC的凍蝕性存在明顯差異，OPC與摻量在風積沙摻量80%以下的ASC破壞特征是由于水凍脹壓導致的膨脹開裂；風積沙摻量60%的ASC凍融前期表現(xiàn)僅為層狀剝離，在凍融到接近 150次時表現(xiàn)為不僅有表面剝落，還有內(nèi)部的裂縫的不斷擴展導致的動彈性模量的快速下降；而100% ASC的破壞特征則是表面的層狀剝離。

2）OPC、風積沙摻量為20%和40%的ASC的抗凍性很差，風積沙摻量在60%～100%的ASC的抗凍性明顯要優(yōu)于不摻風積沙或者摻量少的混凝土。即摻量越大混凝土的抗凍性越好。

3）通過XRD、應變損傷以及NMR試驗，分析得到了OPC與ASC的凍融破壞機理。風積沙摻量60%的風積沙混凝土由于內(nèi)部致密的組織結(jié)構及孔隙率較小，凍融導致混凝土的應變不可逆轉(zhuǎn)，因此凍結(jié)階段與融化階段應變變化較大。風積沙摻量100%的ASC的應變雖然比20% ASC和80% ASC的應變大，但是因為100% ASC內(nèi)部的封閉孔隙最多，因此對混凝土內(nèi)部損傷的發(fā)展起到了抑制與釋放作用。

4）ASC的凍融損傷規(guī)律與風積沙摻量、凍融次數(shù)及內(nèi)部孔隙分布情況有關。風積沙摻量在 80%以下的混凝土抗凍性低于100% ASC。

綜上所述，100%摻量風積沙混凝土在水中的抗凍性最好，損傷程度最小，在西部寒區(qū)農(nóng)田灌溉工程中用風積沙全部代替河砂拌制混凝土用于渠道襯砌或者模袋混凝土是完全可行的，從實際效果、施工成本和材料使用壽命上看作為寒區(qū)渠道襯砌的替代材料意義重大。但是該文對風積沙混凝土的抗凍性研究和分析僅僅是建立在水中凍融基礎上的，沒有考慮水或土壤中含有的腐蝕性易溶鹽、大氣中的CO2、干濕等對風積沙混凝土的影響，實際混凝土工程的服役環(huán)境往往是幾種因素共同作用。因此，還需要對風積沙混凝土在復合因素作用下的抗凍性能進行更多的室內(nèi)外試驗，借助最新的宏觀與微觀測試手段進行更深入的分析探討。

[1]程滿金，申利剛，步豐湖，等. 內(nèi)蒙古河套灌區(qū)節(jié)水改造工程綜合節(jié)水技術研究[J]. 灌溉排水學報，2011，30(6)：69－72.Cheng Manjin, Shen Ligang, Bu fenghu, et al. Integrated water-saving technology for water-saving alteration project in Hetao irrigation district of inner mongolia[J]. Journal of Irrigation and Drainage. 2011, 30(6): 69－72. (in Chinese with English abstract)

[2]何武全，邢義川，蔡明科，等. 渠道防滲抗凍新材料與新技術[J]. 節(jié)水灌溉，2003 (1)：4－6.He Wuquan, Xing Yichuan, Cai Mingke, et al. New material and new technology for canal seepage control and antifreeze[J]. Journal of Water Saving Irrigation, 2003 (1): 4－6.(in Chinese with English abstract)

[3]何武全，劉群昌，蔡明科，等. 我國渠道襯砌與防滲技術發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2009 (6)：3－6.He Wuquan, Liu Qunchang, Cai Mingke, et al. The present development status and trends of canal lining and seepage control techniques in china[J]. China’s rural water conservancy and hydropower, 2009 (6): 3－6. (in Chinese with English abstract)

[4]Ran I, Williams J. Delineating ground water recharge from leaking irrigation canal using water chemistry and isotopes[J]. Ground-water. Westerville, Ohio: National Ground Water Association, 2001, 39 (3): 408－421.

[5]王正中，李甲林，陳濤，等. 弧底梯形渠道砼襯砌凍脹破壞的力學模型研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2008，24(1)：18－23.Wang Zhengzhong, Li Jialin, Chen Tao, et al. Mechanics models of frost-heaving damage of concrete lining trapezoidal canal with arc-bottom[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2008, 24(1): 18－23. (in Chinese with English abstract)

[6]肖旻，王正中，劉銓鴻，等. 開放系統(tǒng)預制混凝土梯形渠道凍脹破壞力學模型及驗證[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報. 2016，32(19)：100－105.Xiao Min, Wang Zhengzhong, Liu Quanhong, et al.Mechanical model and validation of frost heave damage of precast concrete slab lining trapezoidal canal in open system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016，32(19): 100－105. (in Chinese with English abstract)

[7]李甲林. 渠道襯砌凍脹破壞力學模型及防凍脹結(jié)構研究[D]. 楊凌：西北農(nóng)林科技大學，2008.Li Jialing. Frost-heaving Mechanics Models and Research on the Anti-frost Heave Structure for Lining Canal[D]. Yangling:Northwest A&F University, 2008. (in Chinese with English abstract)

[8]申向東，張玉佩，王麗萍，等. 混凝土預制板襯砌梯形斷面渠道的凍脹破壞受力分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2012，28(16)：80－85.Shen Xiangdong, Zhang Yupei, Wang Liping, et al. Stress analysis of frost heave for precast concrete panel lining trapezoidal cross-section channel[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2012, 28(16): 80－85. (in Chinese with English abstract)

[9]李亞童，申向東，高矗，等. 大型灌區(qū)現(xiàn)役襯砌模袋混凝土渠道力學性能檢驗[J]. 中國農(nóng)村水利水電. 2016(1)：105－108.Li Yatong, Shen Xiangdong, Gao Chu, et al. Testing of channel mechanical properties of active duty lining mold-bag- concrete in large irrigation areas[J]. China’s rural water conservancy and hydropower. 2016 (1): 105－108. (in Chinese with English abstract)

[10]王正中，蘆琴，郭利霞，等. 基于晝夜溫度變化的混凝土襯砌渠道凍脹有限元分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2009，25(7)：1－7.Wang Zhengzhong, Lu Qin, Guo Lixia, et al. Finite element analysis of the concrete lining channel frost heaving basedon the changing temperature of the whole day[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2009, 25(7): 1－7. (in Chinese with English abstract)

[11]劉旭東，王正中，閆長城，等. 基于數(shù)值模擬的雙層薄膜防滲襯砌渠道抗凍脹機理探討[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2011，27(1)：29－35.Liu Xudong, Wang Zhengzhong, Yan Changcheng, et al.Exploration on anti-frost heave mechanism of lining canal with double films based on computer simulation[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(1): 29－35. (in Chinese with English abstract)

[12]王濤，中國沙漠與沙漠化[M]. 石家莊：河北科學技術出版社，2003.

[13]Maria G M Elipe, Susana Lopez-Querol, Aeolian sands:Characterization, options of improvement and possible employment in construction–The State-of-the-art. Construction and Building Materials[J], 2014, 73: 728－739.

[14]Duan Hanchen, Wang Tao, Xue Xian, et al. Dynamics of aeolian desertification and its driving forces in the Horqin sandy land,Norhern China[J], Environ Monit Assess, 2014,186: 6083–6096.

[15]Dong Zhibao, Hu Guangyin, Yan Changzhen,et al. Aeolian desertification and its causes in the Zoige Plateau of China’s Qinghai–Tibetan Plateau[J]. Environ Earth Sci, 2010, 59:1731–1740.

[16]Ameta N K, Wayal A S, Hiranandani P . Stabilization of dune sand with ceramic tile waste as admixture[J]. Am J Eng Res, 2013, 2(9): 133－9.

[17]張國學，宋建夏，楊維武，等. 沙漠沙對水泥砂漿和混凝土性能的影響[J]. 寧夏大學學報，2003，24(1)：63－65.Zhang Guoxue, Song Jianxia, Yang Weiwu, et al. Effects of different desert sand on properties of cement mortar and concrete[J]. Journal of Ningxia University(Natural Science Edition). 2003, 24(1): 63－65. (in Chinese with English abstract)

[18]董偉，申向東. 不同風積沙摻量對水泥砂漿流動度和強度的影響[J]. 硅酸鹽通報，2013，32(9)：1900－1904.Dong Wei, Shen Xiangdong. Study on cement mortar fluidity and compressive strength by different Aeolian sand dosage[J].Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2013, 32(9):1900－1904. (in Chinese with English abstract)

[19]王娜，李斌. 撒哈拉沙漠砂高強度混凝土配合比設計及研究[J]. 混凝土，2014，291(1)：139－146.Wang Na, Li Bin. Cooperating ratio design and research of Sahara desert sand high-strength concrete[J]. Concrete, 2014,291(1): 139－146. (in Chinese with English abstract)

[20]Sherman, Swann, Barron. A high-efficiency, low-cost aeolian sand trap[J], Aeolian Research, 2014, (13): 31－34.

[21]Albusoda B S, Salman R. Bearing capacity of shallow footing on compacted filling dune sand over reinforced gypseous soil[J]. J Eng, 2013; 19(5): 532－42.

[22]張長民，周偉，丁新龍，等. 沙漠超細砂配制混凝土的應用研究[J]. 新型建筑材料，2001 (9)：28－29.Zhang Changmin, Zhou Wei, Ding Xinlong, et al.Application research on concrete mixed super fine desert sand[J]. New building materials, 2001 (9): 28－29. (in Chinese with English abstract)

[23]王朝杰. 風積沙圍巖隧道施工新技術研究[J]. 交通標準化，2014，42(4)：32－35.Wang Chaojie. Wind-blown sand surrounding rock tunnel construction technology[J]. Transportation Standardization,2014, 42(4): 32－35. (in Chinese with English abstract)

[24]吳俊臣, 申向東，董偉，等. 風積沙水泥基混凝土的工程應用與耐久性能研究現(xiàn)狀[J]. 硅酸鹽通報，2015，34(10)：2845－2850.Wu Junchen, Shen Xiangdong, Dong Wei, et al. Aeolian sand cement concrete in engineering application and durability research[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2015,34 (10): 2845－2850. (in Chinese with English abstract)

[25]夏寧，于孝民，任青文. 混凝土結(jié)構耐久性研究現(xiàn)狀[J].水利水電科技進展. 2005，25(4)：63－70.Xia Ning, Yu Xiaomin, Ren Qingwen. Current situation of research on durability of concrete structures[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources. 2005, 25(4):63－70. (in Chinese with English abstract)

[26]余紅發(fā)，孫偉，麻海燕，等. 凍融和腐蝕因素作用下混凝土的損傷劣化參數(shù)分析[J]. 建筑科學與工程學報. 2011，28(4)：1－8.Yu Hongfa, Sun Wei, Ma Haiyan, et al. Analysis of damage degradation parameters of concrete subjected to freezingthawing cycles and chemical attack[J]. Journal of Architeture and Civil Engineering, 2011, 28(4): 1－8. (in Chinese with English abstract)

[27]孫偉. 現(xiàn)代結(jié)構混凝土耐久性評價與壽命預測[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

[28]杜鵬. 多因素耦合作用下混凝土的凍融損傷模型與壽命預測[D]. 北京：中國建筑材料科學研究總院，2014.Du Peng. Freeze-thaw Damage Model and Service Life Prediction of Concrete under Multifactor Coupling[D].Beijing: China Building Materials Science Research Institute.

[29]張永存，李青寧. 基于孔結(jié)構分析的混凝土抗凍融性研究[J]. 公路，2016，3：182－186.Zhang Yongcun, Li Qingning. Resisting freezing-thawing research is based on the analysis of the pore structure of concrete[J]. highway, 2016, 3: 182－186. (in Chinese with English abstract)

[30]王蕭蕭. 寒冷地區(qū)鹽漬溶液環(huán)境下天然浮石混凝土耐久性研究[D]，呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學，2015.Wang Xiaoxiao. Research on the Durability of Natural Pumice Concrete in Saline Solution Environment of Cold Regions[D]. Huhhot: Inner Mongolia Agricultural University.2015. (in Chinese with English abstract)

[31]P·庫馬爾·梅塔，保羅·J·M 蒙蒂羅著，歐陽東譯. 混凝土微觀結(jié)構、性能和材料[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.

[32]姚燕. 水泥與混凝土研究進展-第14屆國際水泥化學大會論文綜述[M]. 北京：中國建材工業(yè)出版社，2016.

Analysis on frost resistance and damage mechanism of aeolian sand concrete

Wu Junchen1,2，Shen Xiangdong1※
(1.College of Water Conservancy and Civil Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot010018,China;2.College of Civil Engineering and Architecture, Inner Mongolia Technical College of Construction profession, Huhhot010070,China)

At present, the insufficient storage of the river sand and the rising cost of the construction have been unable to meet the requirements of the concrete projects in the desert area and the surrounding irrigated area. However, this condition can be greatly alleviated by the use of the rich desert sand in the surrounding irrigated area in Hetao region of Inner Mongolia, which is also known as the aeolian sand. Therefore, it is of great significance to conduct the research on the frost resistance of aeolian sand concrete (ASC), which can be an type of alternative material widely used in the construction of water conservancy projects in the cold northwest region, such as irrigated canal lining and the dam. In this paper, 5 types of C25 aeolian sand concretes were designed according to the percentage of the river sand quality replaced by aeolian sand, i.e. 20%, 40%, 60%,80%, and 100%, which were compared with the ordinary Portland cement concrete (OPC) with the same strength. The frost resistance of these 6 types of concretes was studied through the acceleration test method in the Structure Laboratory of Inner Mongolia Agricultural University, and finally the damage laws of ordinary concrete and aeolian sand concrete were demonstrated. In addition, the damage mechanism of aeolian sand concrete under freeze-thaw conditions was analyzed by using the testing measures such as environmental scanning electron microscope (ESEM), strain monitoring, X-ray diffraction analysis (XRD), nuclear magnetic resonance (NMR), and so on. At the beginning of freeze-thaw, the increase of ettringite did make the structure of concrete dense, but the internal frost heaving force caused the continuous extension of micro cracks and pores at the end of freeze-thaw. As a result, the ASC containing 60% aeolian sand showed the layered dissection on the surface,and the dynamic modulus of elasticity increased first and then decreased, which proved the internal damage was growing gradually. After the freeze-thaw cycle worked, the residual strain of ASC of 60% was the largest and the residual strain of the 6 groups of concretes was 60%＞40%＞0%＞100%＞20%＞80%. This result indicated that the internal stress caused by the 6 types of concretes through freeze-thaw cycle of 8 times was sufficient to lead to cracks in the matrix. What was more, the porosity and permeability of ASC of 20% and 40% were much larger. As for 6 types of concretes, the porosity of ASC of 60%was relatively small. However, the phenomenon of porosity increasing appeared with the increasing of the amount of mixed aeolian sand, which indicated the more the closed pore in the concrete, the lower the permeability. All the results indicated that the damage occurred when the freeze-thaw cycle of aeolian sand concrete whose amount was no more than 40% reached 100 times, while the ordinary concrete could withstand 125 times. Both of them showed the expansion of cracking and the rapid decline of quality and dynamic modulus of elasticity. Nevertheless, the freeze-thaw time that the aeolian sand concrete could withstand increased when the mixing amount of aeolian sand reached 60%-100%. At the same time, the frost resistance of concrete was improved obviously and the damage was characterized by a layered dissection on the surface. Besides, the frost resistance was the best when the mixing amount of aeolian sand reached 100%, because the aeolian sand concrete had a mass of closed capillaries and an inhibiting effect on suffering freeze-thaw damage. For this reason, it can certainly withstand the highest freeze-thaw cycle times.

irrigation; concrete; nuclear magnetic resonance; aeolian sand; freeze-thaw; damage; stain

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.024

S277; TV431; TU528

A

1002-6819(2017)-10-0184-07

2016-10-19

2017-04-15

國家自然科學基金（51569021）；教育部創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃（IRT13069）

吳俊臣，男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，博士生，副教授，一級注冊結(jié)構工程師，主要研究方向為混凝土耐久性。呼和浩特 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院 010018。Email：35190575@qq.com

※通信作者：申向東，男，教授，博導。從事混凝土耐久性及水工新材料研究。呼和浩特 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院 010018。

Email：ndsxd@163.com