董 偉,付前旺,劉 鑫,薛慧君,肖 陽

(1.內(nèi)蒙古科技大學土木工程學院,內(nèi)蒙古 包頭 014010;2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018;3.鄂爾多斯應用技術(shù)學院土木工程系,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

混凝土作為一種應用廣泛的人造石材,隨著消耗量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢,混凝土原材料資源匱乏逐漸凸顯。風積沙是經(jīng)受風吹、積淀作用形成的一種特細砂,主要存在于沙漠和戈壁,其特點是天然含水率低,顆粒均勻細小,主要化學成分是SiO2和Al2O3。若將風積沙替代普通河砂制備混凝土,可以產(chǎn)生良好的社會效益和經(jīng)濟效益?；炷敛牧鲜怯蓺怏w、液體和固體三相組合而成的混合物,內(nèi)部存在大量孔隙,環(huán)境中的有害離子會滲透到混凝土內(nèi)部與混凝土水化產(chǎn)物發(fā)生一系列物理、化學反應,導致混凝土結(jié)構(gòu)性能劣化,進而影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性[1-2]。氯離子在混凝土中的遷移與內(nèi)部孔隙和水分密切相關(guān),隨著氯離子在混凝土中的遷移,部分氯離子會改變混凝土水化產(chǎn)物的微觀形貌及其孔結(jié)構(gòu),某種程度上對氯離子在混凝土中的傳輸存在一定影響[3-4]。混凝土的耐久性能劣化呈現(xiàn)形式多種多樣,而大多數(shù)混凝土耐久性能與凍融、干濕循環(huán)、碳化、干燥收縮等劣化現(xiàn)象的發(fā)生和機理都在某種程度上與水分存在和遷移密切相關(guān)。氯離子等有害離子滲透到混凝土材料孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)部是通過水分子作為運載體,進而引起一系列混凝土材料性能劣化反應。羅大明等[5-6]研究表明:混凝土種類、水膠比、養(yǎng)護條件等因素對混凝土水分傳輸?shù)挠绊懼饕且驗樗嗨突炷敛牧系目紫堵什煌斐?建立了孔結(jié)構(gòu)與毛細吸收系數(shù)的函數(shù)關(guān)系。ZHANG Peng[7]發(fā)現(xiàn)夾帶空氣會大大降低毛細管吸水率和氯離子滲透;溶解在水中的氯離子從滲透的鹽溶液中過濾出來,并保持濃縮在表面附近。由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)大多數(shù)都處于非飽和狀態(tài),然而非飽和狀態(tài)下毛細吸附力的存在,使得氯離子更容易侵入混凝土材料空隙內(nèi)部?；炷敛牧显诜秋柡蜖顟B(tài)下毛細吸附力起主導作用,然而混凝土材料孔隙液中毛細吸附力的大小是由混凝土材料內(nèi)部相對濕度決定[8-9]。近年來,風積沙混凝土的工作性能、物理力學性能和耐久性能得到廣泛研究。風積沙摻量在20%～30%時,對混凝土的性能提升較為明顯;當風積沙全部替代普通河砂時,混凝土的性能下降較為顯著[10]。產(chǎn)生這樣的原因主要是因為風積沙顆粒有別于普通河砂,適量的風積沙摻入使得混凝土的孔結(jié)構(gòu)和界面區(qū)得到改善。而過多的風積沙加入使得孔隙率和有害孔數(shù)量增加,進而降低了混凝土的性能[11]。風積沙混凝土及水分和氯離子在普通混凝土中的傳輸已經(jīng)得到了廣泛研究并取得了豐碩的研究成果,但是針對水分和氯離子在風積沙混凝土中的傳輸特性鮮有報道。為此,筆者對毛細吸收作用下水分和氯離子在風積沙混凝土中的遷移規(guī)律進行研究,探討風積沙摻量、氯鹽濃度對水分和氯離子侵入深度的影響規(guī)律。

1 試 驗

1.1 試驗原材料

水泥:P·O42.5普通硅酸鹽水泥。粗骨料:5～25 mm連續(xù)級配普通碎石。細骨料包括普通河砂和風積沙,其中普通河砂取自內(nèi)蒙古包頭市周邊砂廠,細度模數(shù)為2.9;風積沙取自內(nèi)蒙古鄂爾多斯市庫布齊沙漠腹地,主要粒徑為0.075～0.25 mm,細骨料主要物理性能如表1所示。粉煤灰:Ⅱ級粉煤灰。水:普通自來水。外加劑:聚羧酸復合高效減水引氣劑,減水率為23%。

表1 細骨料主要物理性能指標

1.2 風積沙混凝土配合比及試驗方法

根據(jù)《普通混凝土配合比設計規(guī)程》(JGJ55—2011)的規(guī)定進行配合比設計。以0%、25%、50%、75%、100%的風積沙替代等質(zhì)量的普通河砂配制風積沙混凝土,風積沙混凝土配合比如表2所示。試驗根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T50080—2016)中混凝土制備工藝,采用強制式攪拌機進行風積沙混凝土的攪拌制作,并依照規(guī)范進行混凝土拌合物工作性能的測試,而后將混凝土拌合物注入試模,用塑料薄膜覆蓋防止水分蒸發(fā),待24 h后脫模、編號,將混凝土試件放入溫度(20±2)℃、濕度95%以上的標準環(huán)境養(yǎng)護室中養(yǎng)護28 d。

表2 風積沙混凝土配合比及基本性能

試驗選用長寬高為100 mm×100 mm×100 mm立方體試件,將試件放置(85±5)℃烘箱烘干至恒重,然后冷卻至室溫,最后用鋁箔膠帶將試件4個側(cè)面封閉僅留成型面和底面。各試件毛細吸收之前用精度0.01 g電子秤稱量并記錄琪初始質(zhì)量,試件接觸水分開始計時,毛細吸收不同時間點稱量試塊的重量并記錄,3個試塊為1組取平均值。毛細吸鹽試驗中,將試塊澆筑面向上未密封面朝下放置于尼龍棒上,緩慢加入質(zhì)量分數(shù)為3.5%和10%的NaCl溶液腐蝕溶液,直至液面高出試塊底面(4±1)mm,然后分別在毛細吸收1 d、7 d、14 d、28 d時間點劈開試件,用直尺測量水分侵入深度,接著在劈開的表面噴灑濃度為0.1 mol/L的硝酸銀溶液,然后測量氯離子的平均侵入深度。

2 結(jié)果與分析

2.1 風積沙摻量對混凝土毛細吸收量的影響

圖1為不同風積沙摻量下混凝土毛細吸收量隨時間平方根的變化關(guān)系。從圖1可知,隨著風積沙摻量的增大,毛細吸收量呈先減小后增大的趨勢。同一溶液作用下,風積沙摻量100%和75%的風積沙混凝土毛細吸收量較大,而風積沙摻量25%和50%的風積沙混凝土毛細吸收量較小。各組風積沙混凝土毛細吸收量隨著時間平方根增長而增大,毛細吸收前24 h,混凝土毛細吸收量隨時間平方根呈現(xiàn)線性增加,而在毛細吸收24 h之后,隨著毛細吸收的進行,混凝土毛細吸收量增長緩慢,毛細吸收曲線逐漸趨向水平。原因是在烘干試塊至恒重后,試塊剛接觸到不同濃度鹽溶液時,水分和氯離子在毛細吸附力作用下快速滲入混凝土內(nèi)部,而隨著毛細吸收時間的推移,試塊孔隙內(nèi)部相對濕度逐漸增大,毛細管作用力減小,同時由于溶液自身重量的存在,導致毛細吸收速度減緩,毛細吸收曲線逐向趨于水平。水分吸入后在水和空氣界面區(qū)會形成穩(wěn)定或半穩(wěn)定的半月板形態(tài),阻礙水分的進入,且作為親水材料的混凝土隨著水分不斷侵入,毛細孔壁和水摩擦力增大,使得吸水減緩[12]。

圖1 不同風積沙摻量下混凝土的毛細吸收量

混凝土膠凝材料水泥水化過程中,由于水化過程產(chǎn)物比反應物要大,反應產(chǎn)物會占據(jù)一定的充水空間,反應完成后未填充的空間就變成毛細孔。隨著混凝土二次水化及水分的蒸發(fā)作用消耗了混凝土中部分水分,毛細孔處于非飽水狀態(tài)。適量風積沙摻入混凝土之中,會導致混凝土內(nèi)部更加密實,堵塞了水分傳輸通道,而隨著風積沙摻量越來越多,混凝土中膠凝材料不足以覆蓋細骨料,產(chǎn)生較多孔洞,水分侵入通道增多,毛細吸收作用更加明顯[13]。

2.2 氯鹽溶液濃度對混凝土毛細吸收量的影響

為了更佳直觀的表述氯鹽溶液質(zhì)量濃度對風積沙混凝土毛細吸收速率的影響規(guī)律,選取3組A0、A25、A100混凝土進行分析(見圖2)。從圖2可知,相同吸收時間,相對于NaCl溶液濃度為0%的清水溶液中的毛細吸附作用,在3.5%NaCl溶液和10%NaCl溶液作用下,風積沙混凝土毛細吸附量較大。其原因是NaCl溶液密度大于清水的密度,當水分通過毛細吸附力作用下進入混凝土孔隙內(nèi)部時,水分作為載體把氯離子運輸?shù)交炷量紫秲?nèi)部,一方面氯離子通過物理吸附在混凝土的毛細孔壁和C-S-H上;另一方面氯離子與水化產(chǎn)物化學結(jié)合生成Friedel’s鹽,而其他侵入的氯離子則繼續(xù)向混凝土內(nèi)部深處侵入。從圖2可知,相同風積沙摻量混凝土中,毛細吸收前期10%NaCl溶液中毛細吸收量大于3.5%NaCl溶液,而后期3.5%NaCl溶液和10%NaCl溶液兩者對混凝土毛細吸收量的影響不大,甚至在部分風積沙摻量的混凝土中,10%NaCl溶液中毛細吸收量小于3.5%NaCl溶液中毛細吸收量。分析其原因是隨著NaCl溶液濃度的提高,后期隨著溶液侵入量的累積,溶液易在混凝土內(nèi)部孔隙中產(chǎn)生結(jié)晶,阻礙NaCl溶液的進一步傳輸,因而毛細吸收量減小。

圖2 不同NaCl溶液濃度對混凝土毛細吸收的影響

2.3 風積沙混凝土毛細吸收系數(shù)的變化規(guī)律

毛細吸收系數(shù)是評價混凝土材料耐久性能優(yōu)劣的重要指標,表示外界侵蝕介質(zhì)進入混凝土速率的快慢。圖3為不同溶液中各摻量風積沙混凝土毛細吸收系數(shù)。從圖3可知,各摻量風積沙混凝土隨著毛細吸收NaCl溶液濃度的增大,其毛細吸收系數(shù)也逐漸增大。氯鹽溶液作用下混凝土的毛細吸收系數(shù)遠遠大于清水溶液,10%NaCl溶液較3.5%NaCl溶液作用下毛細吸收系數(shù)增長不大,部分試件的毛細吸收系甚至小于3.5%NaCl溶液。在NaCl溶液中,氯離子隨著水分侵入混凝土內(nèi)部,并慢于水分,因而在濃度梯度驅(qū)使下氯離子繼續(xù)向內(nèi)部侵入,導致在NaCl溶液中毛細吸收系數(shù)比清水作用下大。在10%NaCl溶液與混凝土試塊接觸時,混凝土內(nèi)部孔隙會迅速充滿氯離子和鈉離子,一部分離子物理吸附在毛細孔內(nèi)壁和C-S-H上,導致毛細孔通道縮小甚至堵塞,水分和氯離子侵入量減少。而3.5%NaCl溶液作用下的混凝土試塊,由于溶液中離子較少,雖然沒有10%NaCl溶液中濃度梯度大,但所受阻礙較小,因而導致10%NaCl溶液中毛細吸收系數(shù)略大于甚至小于3.5%NaCl溶液中毛細吸收系數(shù)。

圖3 不同溶液中風積沙混凝土毛細吸收系數(shù)

從圖3中可以看出,相同毛細吸收溶液作用下,隨著風積沙摻量的增加,風積沙混凝土毛細吸收系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大趨勢,最大值在風積沙摻量100%時,最小值在風積沙摻量25%時。在3.5%NaCl溶液作用下,A0的毛細吸收系數(shù)為1.110 9 kg/(m2·h1/2),而A25和A100混凝土的毛吸系數(shù)分別為0.831 8 kg/(m2·h1/2)和1.379 8 kg/(m2·h1/2),相對于基準組A0分別增長了-36.21%、24.21%?；炷撩毼障禂?shù)取決于混凝土砂漿中毛細孔的數(shù)量及孔徑大小,適宜摻量的風積沙混凝土內(nèi)部孔隙率較低,毛細孔之間連接性較差,水分不易于在混凝土內(nèi)部遷移,因而導致風積沙摻量25%和50%的混凝土毛細吸收系數(shù)減小,而隨著風積沙摻量的逐漸增大,砂漿顯得不足,混凝土內(nèi)部孔隙增多,混凝土密實性較差,導致毛細吸收系數(shù)增大[11]。

2.4 風積沙混凝土中水分和氯離子侵入深度

水分和氯離子侵入深度隨時間平方根變化關(guān)系如圖4所示。

圖4 水分和氯離子侵入深度隨時間平方根變化關(guān)系

從圖4(a)、(b)中可以看出,隨著毛細吸收時間的增長,水和氯離子侵入深度逐漸增大,前期增長較快,而后期增長緩慢。且A75和A100試驗組后期水分侵入曲線比其他試驗組平緩,這是因為風積沙摻量較大時,混凝土內(nèi)部大孔隙較多,有更多的溶液被吸入,產(chǎn)生結(jié)晶堵塞孔洞。相同毛吸時間下,A25混凝土水分和氯離子侵蝕深度最小,而A100侵蝕深度最大。如毛細吸收28 d時,基準組A0水分侵入深度為55.3 mm,而A25和A100水分侵入深度分別為47.1 mm、61.8 mm。這是因為風積沙摻量100%試驗組混凝土內(nèi)部密實性較差,孔隙率較大,孔隙之間的連通性較好,水分和氯離子更加容易在其內(nèi)部傳輸。而風積沙摻量25%時混凝土內(nèi)部較為密實,孔隙率較低,孔徑較小,阻礙了水分和氯離子的侵入[14]。對比圖4(a)、4(b)可以發(fā)現(xiàn),相同毛細吸收時間,氯離子較水分入侵深度較淺,且相同摻量風積沙混凝土,隨著毛細吸收時間的推移,前期水分和氯離子侵入深度曲線呈線性增長,后期水分和氯離子侵入深度曲線呈較為平緩增長趨勢。當風積沙混凝土試件剛開始接觸鹽溶液時,水分和氯離子前期快速侵入風積沙混凝土內(nèi)部。后期隨著水分的不斷侵入,風積沙混凝土內(nèi)部相對濕度不斷增大,其內(nèi)部孔隙逐漸趨于飽和,使得其孔隙液毛細吸附力變小,水分侵入深度增加緩慢,水分侵入深度曲線趨于平緩,然而氯離子在濃度梯度作用下持續(xù)向風積沙混凝土孔隙內(nèi)部侵入。當水分侵入風積沙混凝土孔隙內(nèi)部,由于自身重力和毛細吸附力相當時,此時水分以擴散的方式向風積沙混凝土孔隙內(nèi)部遷移。隨著風積沙毛細吸收時間的增加,風積沙混凝土孔隙內(nèi)部生成氯化鈉結(jié)晶導致風積沙混凝土內(nèi)部孔隙更加密實,使水分和氯離子在風積沙混凝土內(nèi)部侵入速度變慢。相反,氯離子在濃度梯度作用下主要以擴散的方式不斷向風積沙混凝土內(nèi)部侵入。原因是在混凝土和砂漿中,氯離子擴散速率大于鈉離子擴散速率,然而氯離子不能完全獨立存在與混凝土和砂漿孔隙液中,周圍鈉、鉀等陽離子不斷與氯離子結(jié)合,保持孔隙液的電中性,當氯離子在混凝土砂漿中不斷向前移動時,周圍移動相對較緩的鈉、鉀等陽離子會和氯離子間形成反向電場,由于電場力作用使氯離子向相反方向移動[15],因此水分和氯離子在風積沙混凝土中遷移出現(xiàn)不同步性。

圖5為水分和氯離子侵入深度的關(guān)系,從圖5中可以看出,隨著風積沙混凝土中水分滲透深度的增加,風積沙混凝土中氯離子的滲透深度也逐漸增大,且水分和氯離子滲透深度近似呈現(xiàn)出線性關(guān)系。通過擬合得出水分和氯離子侵入深度的性函數(shù)方程,各組擬合結(jié)果如表3所示。從表3數(shù)據(jù)可以用看出,隨著風積沙摻量的增大水分和氯離子侵入深度的線性關(guān)系先增強后減弱,擬合相關(guān)系數(shù)均大于0.9,線性相關(guān)性良好。毛細吸收前期,混凝土內(nèi)部水分和氯離子具有同步性,隨著毛細吸收的進行氯離子和混凝土中水泥水化產(chǎn)物結(jié)合,而水分則繼續(xù)向內(nèi)部遷徙,導致二者出現(xiàn)非同步性。風積沙摻量25%的混凝土,由于內(nèi)部密實,孔隙率較低,所以吸收溶液較少,故而氯化鈉結(jié)晶較少[14]。而100%摻量試件由于內(nèi)部孔隙較多,吸收大量的溶液,內(nèi)部產(chǎn)生較多氯化鈉結(jié)晶消耗氯離子,致使水分和氯離子侵入深度線性關(guān)系較弱。

圖5 水分和氯離子侵入深度關(guān)系曲線

表3 水分和氯離子侵入關(guān)系擬合方程

3 結(jié) 論

(1)各組混凝土毛細吸收曲線前期均呈線性增長,而后由于溶液自身重量和孔隙壁的摩擦,毛細吸收曲線逐漸趨向于水平。風積沙摻量大于75%時,混凝土的毛細吸收量較大;而風積沙摻量小于50%時,混凝土的毛細收量較小,且變化幅度差異較小。

(2)混凝土在氯鹽溶液中的毛細吸收量和毛細吸收系數(shù)大于清水溶液,且隨氯鹽濃度的增加而增大,但增幅較小。毛細吸收系數(shù)隨風積沙摻量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,最小值在風積沙摻量為25%時。

(3)風積沙混凝土中水分和氯離子傳輸非同步,水分滲透速率大于氯離子滲透速率。當水分滲透逐漸穩(wěn)定時,氯離子會繼續(xù)向混凝土內(nèi)部滲透。