楚建勛 賀建國 孫 勛

(1.新疆路橋建設(shè)集團有限公司 烏魯木齊 830063; 2.長安大學公路學院 西安 710064)

青藏高原地區(qū)環(huán)境季節(jié)性變化顯著,當?shù)販夭钶^大,水分在溫度變化過程中會發(fā)生凍結(jié)、融化及遷移等現(xiàn)象[1-2]。此外,當?shù)睾此星治g性鹽離子濃度較高且土體次生鹽漬化嚴重,使得混凝土長期暴露于侵蝕性環(huán)境中[3-4]。在長期反復(fù)的鹽分侵蝕與凍融循環(huán)作用下,混凝土結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生顯著劣化,致使其耐久性能受損,進而引發(fā)工程病害、災(zāi)害[5-10]。多因素耦合作用使混凝土性能的劣化損傷損率顯著加劇,但目前關(guān)于高濃度鹽分侵蝕和凍融循環(huán)作用下混凝土宏、微觀性能劣化規(guī)律及劣化機理的研究相對較少。為此,本研究開展鹽蝕-凍融循環(huán)耦合試驗,分析混凝土力學強度及宏、微觀形貌劣化特征,并揭示其劣化機理。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

針對青藏高原地區(qū)惡劣的自然環(huán)境,考慮混凝土長期服役于特殊的自然條件,選取強度等級為C30的混凝土作為研究對象。試驗混凝土所用粗骨料為新疆葉城產(chǎn)級配碎石,粒徑5～30 mm;所用細骨料為天然河砂,取自新疆葉城;水泥選用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,其化學成分見表1,符合標準GB 175-2007 《通用硅酸鹽水泥》;外加劑選用新疆西建新材料有限公司生產(chǎn)的DF-7型萘系減水劑,采用“外摻法”添加。

表1 水泥的化學組成質(zhì)量分數(shù) %

1.2 配合比設(shè)計

工程現(xiàn)場所用混凝土配合比見表2。對表2中初步確定的混凝土配合比進行拌和并檢驗坍落度、含氣量是否達到工程設(shè)計要求,對試配后各配合比混凝土進行強度試驗。

表2 試驗配合比

1.3 試驗方案

1.3.1力學試驗

力學性能的測定依據(jù)GB/T 50081-2002 《普通混凝土力學性能試驗方法標準》中的相關(guān)規(guī)定進行。采用混凝土抗壓強度試驗機進行試驗,加載速率為3 kN/s,每次選取3個試樣為1組進行測量,試驗前擦干試樣表面水分并嚴格測量其尺寸及承壓面積,取3個試件測定值的算術(shù)平均值作為該組試件的抗壓強度值。

1.3.2鹽蝕-凍融循環(huán)試驗

依據(jù)青藏高原區(qū)工程現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果,發(fā)現(xiàn)工程當?shù)睾醇巴馏w中均含有較高濃度的侵蝕性硫酸鹽。因此,本研究選取質(zhì)量分數(shù)為10%的 Na2SO4溶液作為凍融介質(zhì),開展鹽蝕-凍融循環(huán)試驗,并與清水凍融試驗結(jié)果進行對比。依據(jù)設(shè)計配合比制備尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的混凝土試件,在不同凍融循環(huán)次數(shù)后進行抗壓強度和宏、微觀形貌的測定。參照GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中“快凍法”,設(shè)計了混凝土鹽蝕-凍融循環(huán)試驗,具體試驗步驟如下。

1) 試驗前,將養(yǎng)護28 d后試樣分別放入10%的Na2SO4溶液和清水溶液中浸泡飽水4 d備用。并測量試驗前的抗壓強度和表觀形貌。

2) 將試樣放入凍融試驗箱中開始試驗,每進行完25次凍融循環(huán)后,將試樣取出,擦去試件表面的水分并測定其抗壓強度和表觀形貌,測量完畢后將試件裝入試模中繼續(xù)試驗。

3) 當試樣疏松破碎無法繼續(xù)試驗時,即停止試驗。

鹽蝕-凍融循環(huán)試驗所用儀器為混凝土凍融循環(huán)試驗機,凍結(jié)與融化終了時試件中心溫度應(yīng)控制在(-18±2)℃和(5±2)℃,每個試件從5 ℃降至-18 ℃,再從-18 ℃升至5 ℃為1個周期,每次凍融應(yīng)在2～5 h內(nèi)完成。

鹽蝕-凍融過程中,混凝土的相對抗壓強度計算公式如式(1)所示。

f=(fn/f0)×100%

(1)

式中:f為n次循環(huán)后的相對抗壓強度,%;f0為試樣初始抗壓強度,Pa;fn為經(jīng)歷n次鹽蝕-凍融作用后的抗壓強度,Pa。

1.3.3電鏡掃描(SEM)測試

本研究中SEM測試所用儀器為賽默飛Quattro S熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡,取凍融循環(huán)和鹽蝕-凍融循環(huán)試驗后的混凝土試樣,在各試樣內(nèi)部相同位置處取1 cm3大小的樣品備用,之后對試樣表面進行噴金處理和掃描分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 相對抗壓強度演化規(guī)律

以試樣28 d抗壓強度為基準計算凍融試驗過程中混凝土的相對抗壓強度,混凝土分別在清水凍融與鹽蝕-凍融作用下的相對抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律見圖1。

圖1 混凝土抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

由圖1可知,普通混凝土在清水凍融與鹽蝕-凍融作用下,抗壓強度均隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而顯著降低,且混凝土在鹽蝕-凍融作用下抗壓強度劣化速度較清水凍融作用下明顯加快。清水凍融與鹽蝕-凍融試驗中,混凝土試樣分別在200次和150次凍融循環(huán)之后嚴重破損無法繼續(xù)試驗。經(jīng)歷150次凍融循環(huán)后,QPC組與PC組混凝土抗壓強度分別降低31.12%和61.20%。由此可見,當采用質(zhì)量分數(shù)為10%的Na2SO4溶液作為凍融介質(zhì)時,鹽分侵蝕與凍融循環(huán)的雙重作用會顯著加劇混凝土抗壓強度的劣化。而采用引氣混凝土進行鹽蝕-凍融循環(huán)試驗時,混凝土抗壓強度在前150次循環(huán)內(nèi)無明顯降低,這是因為試樣一方面受凍融循環(huán)的破壞作用,另一方面鹽分結(jié)晶對混凝土內(nèi)部孔隙和裂紋的填充作用增加了混凝土密實性,而鹽結(jié)晶疏松多孔的性質(zhì)導(dǎo)致了混凝土動彈性模量明顯下降。

此外還可以發(fā)現(xiàn),在前50次凍融循環(huán)中,清水與硫酸鈉溶液中凍融的混凝土抗壓強度降低幅度相差不大,50次凍融循環(huán)之后,在10%的Na2SO4溶液中凍融的混凝土抗壓強度下降速率明顯加快。這是因為在凍融前期主要以冰體膨脹所造成的劣化為主,因此兩者抗壓強度降低幅度較為相近,而隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,侵蝕性硫酸鹽溶液不斷向混凝土內(nèi)部深入,在孔隙內(nèi)部生成的鹽類結(jié)晶與水分結(jié)晶的雙重作用下,膨脹應(yīng)力較大,因而混凝土損傷劣化加劇,抗壓強度顯著下降。

2.2 宏觀形貌劣化過程

混凝土在清水溶液及質(zhì)量分數(shù)為10%的Na2SO4溶液中進行凍融循環(huán)時試樣外觀變化圖分別見圖2、圖3。由圖2可見,清水凍融25次后,混凝土表面水泥漿體部分剝落,試樣相對完整、骨料尚未暴露,但試樣表面變得粗糙。50次凍融循環(huán)作用后試樣表面剝蝕進一步加劇,砂漿基質(zhì)進一步剝落,大量骨料暴露。100次凍融循環(huán)作用后,試樣開始出現(xiàn)粗骨料外露,同時出現(xiàn)輕微掉角的現(xiàn)象。150次凍融循環(huán)作用后,試樣剝蝕更加嚴重,出現(xiàn)明顯缺角的現(xiàn)象,粗、細骨料嚴重外露。

圖2 清水凍融循環(huán)作用下混凝土表觀形貌

圖3 鹽蝕-凍融循環(huán)作用下混凝土表觀形貌

如圖3所示,試樣在前25次循環(huán)作用下,試樣相對完整,也并未出現(xiàn)骨料外露,表面相對平整。50次循環(huán)作用后,試樣出現(xiàn)明顯的局部坑蝕現(xiàn)象,有明顯骨料外露和輕微掉角現(xiàn)象。100次循環(huán)作用后,試樣骨料嚴重外露,棱角也有明顯剝落。150次循環(huán)后,試樣嚴重剝蝕,大量骨料外露且有骨料剝落的現(xiàn)象出現(xiàn),外層砂漿基體幾乎全部掉落并出現(xiàn)較多貫通裂隙,試樣尺寸明顯減小。

綜上所述,高質(zhì)量分數(shù)硫酸鹽溶液侵蝕與凍融循環(huán)耦合作用下試樣前期剝落量減少,但隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加,試樣裂隙貫通及表面剝落速率明顯增大,試樣加速損壞。

2.3 微觀形貌劣化過程

對清水凍融與硫酸鈉溶液侵蝕下凍融循環(huán)0次和100次時的混凝土試樣進行掃描電鏡試驗,試驗前、后混凝土微觀形貌的變化結(jié)果圖見圖4、圖5。

圖4 未經(jīng)凍融循環(huán)的混凝土微觀形貌

圖5 100次凍融循環(huán)后的混凝土微觀形貌

由圖4可見,未經(jīng)凍融循環(huán)前,試樣結(jié)構(gòu)較為密實、完整,同時可以觀察到大量水化硅酸鈣凝膠,氣孔壁也較為飽滿。由圖5可見,100次循環(huán)作用后,經(jīng)歷清水凍融的混凝土試樣(圖5a)結(jié)構(gòu)表面剝蝕較為普遍,孔隙邊緣已無明顯棱角,并產(chǎn)生很多損傷劣化后的碎屑顆粒。鹽蝕-凍融循環(huán)作用下,硫酸根離子不斷進入混凝土內(nèi)部,硫酸根離子與水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng),生成鈣礬石晶體(圖5b)。此外,與清水凍融不同的是,鹽蝕-凍融作用下混凝土試樣破碎顆粒感較弱,但會產(chǎn)生較為明顯的裂縫,這是由于在硫酸鈉溶液中,隨著侵蝕性產(chǎn)物在孔隙及微裂紋中不斷積累,產(chǎn)生較大的張拉應(yīng)力,使得混凝土裂紋擴張連通。

3 結(jié)論

1) 清水凍融與鹽蝕-凍融循環(huán)作用下,混凝土力學強度始終呈現(xiàn)劣化趨勢且鹽蝕-凍融作用下劣化速度更快。

2) 100次循環(huán)作用后,經(jīng)歷鹽蝕-凍融作用的混凝土試樣結(jié)構(gòu)表面剝蝕更加嚴重,大量骨料外露并產(chǎn)生大量碎屑顆粒,有明顯的裂縫貫通,試樣剝落量也更大。

3) 當凍融介質(zhì)為硫酸鹽溶液時,鹽蝕-凍融循環(huán)作用下,硫酸根離子不斷進入混凝土內(nèi)部,硫酸根離子與水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng),生成鈣礬石晶體。冰體凍脹應(yīng)力及結(jié)晶膨脹壓力使得鹽蝕-凍融作用下混凝土會產(chǎn)生大量貫通裂縫,加速混凝土損傷劣化。