程寧寧,王懷義,楊桂權(quán),王深圳
(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052;2.新疆水利水電科學(xué)研究院,新疆 烏魯木齊 830049;3.新疆水利水電材料工程技術(shù)研究中心,新疆 烏魯木齊 830049)
現(xiàn)代混凝土技術(shù)中添加一定量礦物摻合料是業(yè)界的共識(shí),其不僅可以替代部分水泥,減少碳排放,而且也能改善混凝土的工作性能和耐久性能[1]。但對(duì)于類(lèi)似新疆和田地區(qū),無(wú)人工礦物摻合料可用,異地運(yùn)輸成本過(guò)大,卻有著普魯火山帶這樣豐富的天然火山巖資源的地區(qū),開(kāi)發(fā)利用當(dāng)?shù)氐奶烊换鹕綆r資源,使其成為質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的混凝土礦物摻合料,無(wú)疑對(duì)當(dāng)?shù)毓こ探ㄔO(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。本研究團(tuán)隊(duì)趙明等[2]已對(duì)新疆和田磨細(xì)天然火山巖作為混凝土摻合料的可行性進(jìn)行了論證。并且應(yīng)用于和田吉音水利樞紐工程的發(fā)電廠尾水重力擋墻等實(shí)際混凝土工程中[3]。對(duì)于火山巖粉混凝土在當(dāng)?shù)睾淝矣写罅苛蛩猁}侵蝕介質(zhì)環(huán)境水土中的耐久性變化是本研究團(tuán)隊(duì)及工程使用者所關(guān)注的問(wèn)題。
混凝土在硫酸鹽環(huán)境下的凍融(以下簡(jiǎn)稱硫酸鹽凍)耐久性問(wèn)題很多學(xué)者均進(jìn)行相關(guān)研究。姜磊和牛荻濤[4-5]研究了硫酸鹽侵蝕與凍融循環(huán)共同作用下,混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量、抗壓強(qiáng)度、損傷層厚度及損傷層混凝土抗壓強(qiáng)度等的損傷劣化規(guī)律,并結(jié)合SEM分析了混凝土在硫酸鹽和凍融循環(huán)作用下的復(fù)合損傷機(jī)理,基于連續(xù)損傷力學(xué)理論和Ottosen四參數(shù)破壞準(zhǔn)則,建立了考慮凍融循環(huán)次數(shù)的混凝土損傷破壞準(zhǔn)則。YANG等[6]研究了在Na2SO4溶液環(huán)境下素混凝土、粉煤灰及硅粉混凝土、鋼纖維混凝土、再生骨料混凝土的抗凍性,通過(guò)質(zhì)量變化、相對(duì)動(dòng)彈性模量、孔隙率變化、抗壓強(qiáng)度及損傷深度厚度等指標(biāo)評(píng)價(jià)了混凝土的損傷程度。巴恒靜等[7]則基于寒區(qū)鹽湖等環(huán)境,針對(duì)Na2SO4、MgSO4為主進(jìn)行凍融條件下的研究,得出了宏觀力學(xué)和動(dòng)彈性模量等性能的變化規(guī)律。葛勇[8]的研究提出了一個(gè)全新的定義——“凍害因子δ”,根據(jù)凍害的程度,可以分為以下3種:加速凍害型鹽(δ>1)、減速凍害型鹽(δ<1)和無(wú)助凍害型鹽(δ≈1),通過(guò)分析凍害因子的影響因素,并利用凍害因子對(duì)混凝土進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。張立群等[9]通過(guò)在混凝土中摻加不同種類(lèi)及摻量的礦物摻合料進(jìn)行抗鹽凍試驗(yàn),結(jié)果表明,摻加5%~10%硅灰能提高混凝土的抗鹽凍性能。
上述關(guān)于硫酸鹽凍的研究成果均集中于普通混凝土及摻加常規(guī)的摻合料(粉煤灰、礦粉、硅粉、鋼渣等),但以天然火山巖粉為礦物摻合料的混凝土在硫酸鹽凍侵蝕耐久性的研究尚為空白。本課題組基于對(duì)硫酸鹽溶液低溫下冰點(diǎn)、凍結(jié)時(shí)間及膨脹特性等進(jìn)行試驗(yàn)研究,并將摻加火山巖粉混凝土通過(guò)與普通混凝土、粉煤灰混凝土在硫酸鹽凍環(huán)境下耐久性進(jìn)行了比對(duì)試驗(yàn),對(duì)細(xì)觀孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,探究了天然火山巖粉混凝土在硫酸鹽環(huán)境下凍融耐久性的變化規(guī)律。
水泥:新疆天山水泥廠P·Ⅰ42.5水泥,比表面積為316 m2/kg,主要技術(shù)性能見(jiàn)表1;粉煤灰:Ⅱ級(jí),微觀形貌見(jiàn)圖1(a),主要化學(xué)成分見(jiàn)表2;火山巖粉:選用新疆和田地區(qū)天然火山巖,經(jīng)巖礦分析為多孔玄武巖,顏色呈深灰色氣孔構(gòu)造,主要礦物成分為中拉長(zhǎng)石和普通輝石及少量橄欖石和磁鐵礦,本試驗(yàn)將火山巖磨細(xì)至比表面積為480~520 m2/kg的火山巖粉使用,此細(xì)度范圍的火山巖粉不僅可起到微粉填充作用,而且研磨成本較低,火山巖粉的微觀形貌見(jiàn)圖1(b),主要化學(xué)成分見(jiàn)表2;砂:天然粗砂,細(xì)度模數(shù)3.23;石:粒徑5~20 mm的天然卵石;拌合水:烏魯木齊地下水,符合JGJ63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》的要求;外加劑:聚羧酸高性能減水劑(減水率26.7%,固含量16.1%)、消泡劑(醚類(lèi)),均為五家渠格輝新材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)。
表1 水泥的主要技術(shù)性能
圖1 粉煤灰及和田火山灰?guī)r粉的SEM照片
表2 水泥、粉煤灰和火山巖粉的主要化學(xué)成分 %
1.2.1 配合比
為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性,所有混凝土均為一級(jí)配,基準(zhǔn)配合比(kg/m3)為:m(水泥)∶m(水)∶m(砂)∶m(石)=333∶150∶991∶922,分別采用粉煤灰和火山巖粉等質(zhì)量取代30%水泥進(jìn)行試驗(yàn),配合比及拌合物性能見(jiàn)表3。
表3 試驗(yàn)用混凝土配合比及拌合物性能
1.2.2 試驗(yàn)方案
參考本研究團(tuán)隊(duì)前期研究[2],本試驗(yàn)中火山巖粉的摻量選取為30%。試驗(yàn)中硫酸鹽溶液濃度的選擇不僅考慮了新疆地區(qū)環(huán)境水土中最大的硫酸鹽濃度約為1%,而且參考了GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)對(duì)Na2SO4溶液5%濃度的要求。本試驗(yàn)從對(duì)硫酸鹽溶液低溫性質(zhì)和狀態(tài)變化規(guī)律的研究開(kāi)始,通過(guò)對(duì)摻與不摻火山巖粉的混凝土硫酸鹽凍宏觀物理性能的對(duì)比,及細(xì)觀孔結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)分析,揭示天然火山巖粉混凝土在硫酸鹽環(huán)境下凍融耐久性的變化規(guī)律。試驗(yàn)方案主要分為3部分:
(1)研究?jī)鼋Y(jié)過(guò)程中不同濃度硫酸鹽溶液凍結(jié)速率、冰點(diǎn)、體積膨脹率的變化規(guī)律。本試驗(yàn)溶液包括清水、1%Na2SO4溶液、5%Na2SO4溶液,溶液質(zhì)量均為1000 g,降溫過(guò)程均采用放置溶液于低溫試驗(yàn)箱中,從室溫降至(-17±1)℃,測(cè)試頻次采用自動(dòng)電測(cè)溫度計(jì)按每5 min記錄1次進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集,計(jì)算分析其中凍結(jié)速率和冰點(diǎn)的變化。在進(jìn)行低溫硫酸鹽溶液的體積膨脹試驗(yàn)時(shí),為了對(duì)比及減小試驗(yàn)誤差,筆者分別用25 ml量筒和50 ml的量筒進(jìn)行試驗(yàn)。此試驗(yàn)中,將溶液從室溫移入(-17±1)℃的低溫試驗(yàn)箱中,25 ml的量筒中分別加入15 ml的不同濃度溶液(每組3個(gè)),50 ml量筒中分別加入40 ml的不同濃度溶液(每組3個(gè)),并在溶液上層加入1 ml防凍油(防止溶液蒸發(fā)以及減少在讀數(shù)上造成的誤差)。觀察液面的變化可以得到溶液的變化,然后按照公式計(jì)算體積膨脹率。
(2)按GB/T 50082—2009中快凍法進(jìn)行硫酸鹽凍融條件下的混凝土試件耐久性試驗(yàn)。其中,引氣型混凝土試件每20個(gè)凍融循環(huán)后,非引氣型混凝土試件每10個(gè)凍融循環(huán)后,分別測(cè)試其質(zhì)量損失率及相對(duì)動(dòng)彈性模量。
(3)進(jìn)行硫酸鹽凍前后混凝土試件的孔結(jié)構(gòu)測(cè)試和分析。本試驗(yàn)根據(jù)SL 352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中硬化混凝土氣泡參數(shù)試驗(yàn)進(jìn)行。其中,用黑色記號(hào)筆涂去大于2000 μm的夾雜大氣孔,然后采用了RapidAir457型氣孔結(jié)構(gòu)分析儀測(cè)試硬化混凝土的含氣量、氣孔間距系數(shù)、平均氣泡直徑、氣孔比表面積等孔結(jié)構(gòu)參數(shù)。測(cè)試時(shí)根據(jù)張輝[10]的經(jīng)驗(yàn),導(dǎo)線長(zhǎng)度4000 mm,測(cè)試面積60 mm×60 mm,根據(jù)目測(cè)及經(jīng)驗(yàn)設(shè)定儀器測(cè)試閾值為190~200。
對(duì)不同濃度硫酸鹽溶液在低溫下的凍結(jié)特征進(jìn)行了研究,結(jié)果見(jiàn)圖2。
圖2 清水及不同濃度Na2SO4溶液凍結(jié)特征曲線
由圖2可知:Na2SO4溶液濃度越高,其降溫速度越快,依次為:5%Na2SO4溶液>1%Na2SO4溶液>清水,而且在降溫過(guò)程中,溶液達(dá)到冰點(diǎn)至完全凍結(jié)(溶液溫度下降至-15℃)所用時(shí)長(zhǎng)依次為:清水>1%Na2SO4溶液>5%Na2SO4溶液。即相同條件下,硫酸鹽溶液的濃度越大,降溫速度越快,達(dá)到冰點(diǎn)所用時(shí)間越短,完全凍結(jié)所用時(shí)長(zhǎng)也越短。本試驗(yàn)中不同溶液的冰點(diǎn)略有不同,清水、1%Na2SO4溶液、5%Na2SO4溶液的冰點(diǎn)分別為0、-0.2、-1.2℃,隨著溶液濃度變大,溶液冰點(diǎn)呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。低溫環(huán)境下,混凝土孔隙中液相向固相轉(zhuǎn)化過(guò)程中,通常伴隨著體積膨脹,這也是混凝土凍融破壞的主因。由式(1)計(jì)算出清水、1%Na2SO4溶液、5%Na2SO4溶液的體積膨脹率分別為9.0%、9.7%、9.5%,低溫凍結(jié)后,硫酸鹽溶液膨脹率大于清水,且溶液濃度越大,體積膨脹率相對(duì)越小。
式中:E——體積膨脹率,%;
ΔV——液面變化值,ml;
V0——初始液面,ml。
2.2.1 混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量
硫酸鹽凍融循環(huán)條件下,混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化是反應(yīng)混凝土內(nèi)部損傷程度的重要指標(biāo),相對(duì)動(dòng)彈性模量下降越快,說(shuō)明混凝土內(nèi)部損傷越嚴(yán)重。本試驗(yàn)依照GB/T50082—2009的規(guī)定,設(shè)定試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量小于60%或質(zhì)量損失率達(dá)5%時(shí)即為破壞。非引氣和引氣混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化分別見(jiàn)圖3、圖4。
圖3 非引氣混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化
圖4 引氣混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化
由圖3、圖4可見(jiàn):無(wú)論純水泥混凝土、摻火山巖粉混凝土和摻粉煤灰混凝土,在硫酸鹽凍循環(huán)過(guò)程中,其相對(duì)動(dòng)彈性模量總體呈初期緩慢降低,然后加速下降的規(guī)律。其中,非引氣粉煤灰混凝土試件,在5%Na2SO4環(huán)境下經(jīng)過(guò)100次循環(huán)達(dá)到破壞,而引氣粉煤灰混凝土試件可達(dá)280次循環(huán);當(dāng)其處于1%Na2SO4環(huán)境時(shí),非引氣粉煤灰混凝土試件經(jīng)過(guò)90次循環(huán)達(dá)到破壞,引氣粉煤灰混凝土試件達(dá)到260次循環(huán);而其處于清水中時(shí)非引氣粉煤灰混凝土經(jīng)過(guò)80次循環(huán),引氣試件可達(dá)到260次循環(huán),相對(duì)動(dòng)彈性模量才低于60%。非引氣純水泥混凝土與火山巖粉混凝土試件的硫酸鹽凍性能類(lèi)似,在5%Na2SO4溶液環(huán)境中,都經(jīng)過(guò)80次循環(huán)達(dá)到破壞;在1%Na2SO4溶液環(huán)境中,均經(jīng)過(guò)70次循環(huán)達(dá)到破壞;僅純水泥混凝土試件在清水中70次破壞,而火山巖粉混凝土試件則60次循環(huán)時(shí)達(dá)到破壞狀態(tài)。相比而言,引氣混凝土的抗凍性較非引氣混凝土有明顯的提升,非引氣混凝土在硫酸鹽凍20個(gè)循環(huán)后,相對(duì)動(dòng)彈性模量下降出現(xiàn)較明顯的拐點(diǎn)。
綜合而言,在硫酸鹽凍融循環(huán)下,各混凝土動(dòng)彈性模量下降從小到大依次為:粉煤灰混凝土<純水泥混凝土≈火山巖粉混凝土;相同混凝土試件在不同的溶液中的動(dòng)彈性模量下降從小到大依次為:5%Na2SO4<1%Na2SO4<清水。
2.2.2 混凝土的質(zhì)量損失率
非引氣和引氣混凝土的質(zhì)量損失率分別見(jiàn)圖5、圖6。
圖5 非引氣混凝土的質(zhì)量損失率
圖6 引氣混凝土的質(zhì)量損失率
由圖5、圖6可見(jiàn):混凝土試樣的質(zhì)量損失率總體呈初期為負(fù)值(質(zhì)量增加),隨后小幅下降,而后期質(zhì)量損失率為正值(質(zhì)量減?。┣页恃杆僭龃蟮内厔?shì)。無(wú)論是引氣還是非引氣混凝土,由于凍融前期,混凝土吸水量增加,故在初始階段試件質(zhì)量會(huì)有所增大。
由圖5可知,1%、5%Na2SO4溶液中火山巖粉混凝土有一定質(zhì)量損失,而水泥、粉煤灰混凝土在相對(duì)動(dòng)彈性模量達(dá)到破壞狀態(tài)時(shí),質(zhì)量幾乎未損失,其中火山巖粉混凝土在1%、5%Na2SO4溶液中質(zhì)量損失率分別為1.74%、1.33%;由圖6可知,在5%Na2SO4溶液中,火山巖粉、粉煤灰、水泥混凝土試件完全破壞時(shí)的質(zhì)量損失率分別為5.49%、1.57%、4.05%。在1%Na2SO4溶液及清水中試件達(dá)到破壞時(shí)的規(guī)律與5%Na2SO4溶液的基本一致,其中火山巖粉混凝土的質(zhì)量損失率最大。
由此可見(jiàn),引氣能顯著提高混凝土在硫酸鹽凍融循環(huán)中抗剝落的能力,在5%Na2SO4環(huán)境下,火山巖粉混凝土在160個(gè)凍融循環(huán)后,質(zhì)量損失率才超過(guò)了5%。
有研究表明[11]:硬化混凝土的孔結(jié)構(gòu)特征往往能夠表征混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性,其中硬化混凝土氣泡間距系數(shù)、平均氣泡直徑以及氣泡比表面積等孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)可表征混凝土抗凍性能的優(yōu)劣。本試驗(yàn)對(duì)標(biāo)養(yǎng)28 d及在5%Na2SO4溶液凍融破壞后的硬化混凝土進(jìn)行了上述孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 混凝土凍融前后的氣泡特征參數(shù)
由表4可知:(1)引氣與非引氣混凝土的孔結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì)大致相同,凍融后含氣量、平均氣泡直徑、氣泡間距系數(shù)均增大,氣泡比表面積減小。對(duì)于引氣及非引氣混凝土,硫酸鹽凍融后,平均氣泡直徑增長(zhǎng)量最小的為粉煤灰混凝土,分別為17.4%、72.7%,然后是純水泥和火山巖粉混凝土分別為35.0%、137.0%及34.9%、146.2%。(2)凍融后,非引氣混凝土的氣泡間距系數(shù)增長(zhǎng)率比引氣混凝土的大得多,其中純水泥混凝土的增長(zhǎng)率分別為93.4%、31.3%,粉煤灰混凝土的增長(zhǎng)率分別為68.3%、21.1%,火山巖粉混凝土的增長(zhǎng)率分別為97.7%、45.5%;可見(jiàn)在硫酸鹽凍融環(huán)境下,摻加一定量粉煤灰對(duì)混凝土孔結(jié)構(gòu)的改善優(yōu)于純水泥和摻天然火山巖粉的混凝土,而且引入微波氣泡對(duì)優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)明顯。
從硫酸鹽溶液的低溫性態(tài)進(jìn)行研究分析,溶液從室溫降溫至-17℃時(shí),這個(gè)降溫階段中隨著溶液濃度的升高,溶液的冰點(diǎn)降低、達(dá)到冰點(diǎn)時(shí)長(zhǎng)縮短(清水390 min、1%Na2SO4溶液325 min、5%Na2SO4溶液295 min),而且完全凍結(jié)所需時(shí)長(zhǎng)也縮短(清水1085 min、1%Na2SO4溶液1020 min、5%Na2SO4溶液985 min),可見(jiàn)溶液濃度不同時(shí),降溫至冰點(diǎn)時(shí)長(zhǎng)最大差距100 min左右、完全凍結(jié)時(shí)長(zhǎng)最大差距也是近100 min?;谏鲜鲆?guī)律,由于混凝土孔隙中高濃度的硫酸鹽溶液達(dá)到冰點(diǎn)快,冰點(diǎn)較低、體積膨脹率較小,故硫酸鹽溶液濃度越高,其釋放硫酸根離子的時(shí)間越短,必然使硫酸根離子與水泥石產(chǎn)生化學(xué)侵蝕時(shí)間相對(duì)縮短,因此混凝土在硫酸鹽凍融后,宏觀表現(xiàn)為硫酸鹽溶液濃度越高,反而對(duì)混凝土的破壞作用越小。但當(dāng)循環(huán)次數(shù)增加,時(shí)間延長(zhǎng),侵蝕介質(zhì)隨凍脹產(chǎn)生裂隙進(jìn)入水泥石內(nèi)部,化學(xué)侵蝕作用逐步顯現(xiàn),則加速了混凝土劣化,這解釋了在本試驗(yàn)中,各混凝土在硫酸鹽凍融循環(huán)環(huán)境下,相對(duì)動(dòng)彈性模量及質(zhì)量損失率在后期均出現(xiàn)加速變化的過(guò)程。
通過(guò)對(duì)凍融前后硬化混凝土孔結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn):首先,引氣與非引氣混凝土孔結(jié)構(gòu)的差異較大,正是因?yàn)橐龤饣炷林兴氲木鶆蛭⑿馀莶粌H阻斷了混凝土內(nèi)部的毛細(xì)通道,而且細(xì)化、均化了內(nèi)部孔結(jié)構(gòu);其次,硫酸鹽凍融破壞后,混凝土孔結(jié)構(gòu)參數(shù)中的含氣量、平均氣泡直徑、氣泡間距系數(shù)都有所增大,氣泡比表面積相對(duì)減小,這是由于凍融過(guò)程中,溶液的體積膨脹、溶解度下降后鹽結(jié)晶析出,不斷對(duì)孔隙產(chǎn)生往復(fù)拉應(yīng)力,致使內(nèi)部微裂紋逐漸擴(kuò)展,使小孔之間逐漸形成連通孔隙,SO42-向混凝土內(nèi)部侵入,逐步發(fā)生化學(xué)侵蝕,產(chǎn)物不斷填充混凝土中孔隙,但當(dāng)鈣礬石、石膏這些侵蝕產(chǎn)物富集到一定程度,其產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力、硫酸鹽溶液結(jié)晶應(yīng)力和凍融的凍脹應(yīng)力共同作用于孔壁時(shí),使得孔隙微裂隙擴(kuò)展并互相連通,故而造成內(nèi)部孔隙會(huì)呈現(xiàn)“小孔少而相連,大孔多而不均”;最后,由于粉煤灰的填充效應(yīng)和火山灰效應(yīng)的特點(diǎn),其在本試驗(yàn)中對(duì)改善孔結(jié)構(gòu)和抑制硫酸鹽凍融循環(huán)劣化作用均有所幫助,表現(xiàn)最佳,而火山巖粉前期研究中發(fā)現(xiàn)其火山灰活性較低[2],但由于其較小的顆粒粒徑分布,不僅對(duì)混凝土孔隙有填充作用,而且改善了孔結(jié)構(gòu),所以火山巖粉混凝土的抗硫酸鹽凍性能與純水泥混凝土相當(dāng)。
(1)隨著硫酸鹽濃度的升高,其冰點(diǎn)降低、凍結(jié)加速、完全凍結(jié)時(shí)間縮短、體積膨脹率變小,故在宏觀混凝土層面,表現(xiàn)為硫酸鹽溶液濃度越高,其對(duì)抵抗鹽凍破壞起到有利作用。
(2)硫酸鹽凍環(huán)境下,宏觀火山巖粉混凝土與純水泥混凝土的耐久性基本相當(dāng),最佳為粉煤灰混凝土,試件在5%Na2SO4溶液中的耐久性要高于1%Na2SO4溶液與清水溶液;在5%Na2SO4溶液中即使是火山巖粉混凝土在引氣后,抗硫酸鹽凍性能也可接近200個(gè)循環(huán)。
(3)硫酸鹽凍前后混凝土的含氣量、平均氣泡直徑、氣泡間距系數(shù)都有所增大,氣泡比表面積相對(duì)減小。
(4)建議今后在對(duì)火山巖粉等礦物摻合料混凝土硫酸鹽凍耐久性研究中,可以以鹽溶液在低溫下的性質(zhì)和狀態(tài)變化的規(guī)律為切入點(diǎn),綜合分析鹽溶液及凍融環(huán)境對(duì)混凝土劣化機(jī)理的影響。