鹽湖地區(qū)混凝土的耐久性研究III—鹽湖鹵水類型對混凝土耐久性的影響

摘要: 研究了鹽湖鹵水種類對混凝土在鹽湖條件下的荷載、鹵水腐蝕和凍融的單一與多重因素作用下的耐久性, 探討了混凝土在鹽湖地區(qū)的破壞機理。結(jié)果表明, 內(nèi)蒙古鹽湖鹵水加速了混凝土的凍融破壞, 西藏和新疆鹽湖鹵水則在一定程度上延緩了凍融破壞, 而青海鹽湖鹵水則具有獨特的延緩破壞現(xiàn)象。施加30%彎曲荷載將使混凝土壽命降低40%。Na2SO4·10H2O 等鹽類的結(jié)晶壓作用是混凝土在鹽湖地區(qū)腐蝕—凍融的破壞機理, 當混凝土同時受到鹽結(jié)晶壓和荷載作用時突然斷裂是其破壞特征。

關鍵詞: 混凝土; 耐久性; 腐蝕; 凍融

中圖分類號: TU528.33 文獻標志碼: A 文章編號: 1002- 3550-( 2007) 02- 0001- 04

0 前言

　　我國有上千個鹽湖[1], 其中, 新疆有102 個, 青海有33 個,內(nèi)蒙古有370 多個, 西藏有220 多個。按照鹵水的化學成分, 可以把鹽湖分成硫酸鹽型、碳酸鹽型和氯化物型鹽湖。鹽湖鹵水的成分十分復雜, 含有Mg2+、SO42- 、Cl- 、CO32-、HCO3-、Na+、K+ 和Ca2+ 等離子, 而且鹵水的濃度處于飽和或過飽和狀態(tài), 新疆、青海、內(nèi)蒙古和西藏鹽湖的平均含鹽量分別高達269.39g/L、340.51g/L、278.96g/L和195.45g/L。鹽湖鹵水的成分和濃度的明顯差別, 必然影響其冰點和過飽和度, 對混凝土耐久性的影響也有很大的不同。本文主要研究混凝土在我國大西北的新疆、青海、內(nèi)蒙古和西藏鹽湖條件下的腐蝕、凍融和荷載的多重因素作用下的耐久性與壽命, 進而探討混凝土在不同鹽湖地區(qū)的耐久性失效機理。

1 試驗

1.1 原材料

　　水泥: 采用南京江南水泥廠生產(chǎn)的強度等級為P·II 42.5R 硅酸鹽水泥, 其化學成分見表1, 物理力學性能見表2。砂: 采用南京產(chǎn)河砂, 其表觀密度為2 605kg/m3, 堆積密度為1 510kg/m3, 緊密密度為1 660kg/m3, 含泥量為1.0%, 細度模數(shù)為2.74, 屬中砂, Ⅱ區(qū)級配。石: 采用江蘇省句容市產(chǎn)玄武巖碎石, 表觀密度為2 810kg/m3, 堆積密度為1 600kg/m3, 含泥量為0, 針片狀顆粒含量為9.6%, 壓碎指標為2.95%, 屬于5~16mm 連續(xù)級配。水:采用飲用水。

1.2 配合比

　　混凝土的設計強度等級為C30, 水泥用量為325kg/m3, 配合比為1∶1.99∶3.54, 水灰比為0.60?；炷涟韬衔锏奶涠?5mm, 含氣量1.4%。

1.3 試驗方法

1.3.1 試件成型與養(yǎng)護

　　將水泥、砂和石在攪拌機中干拌1min, 再加水濕拌2min。出料后測定坍落度和含氣量, 之后人工澆筑、振動成型40mm×40mm×160mm 的棱柱體試件。試件采用保濕養(yǎng)護, 1d 后拆模, 并在( 20±3) ℃和濕度為95%以上的標準條件下分別養(yǎng)護28d 和90d后, 在不同凍融介質(zhì)中進行加載與非加載狀態(tài)下的耐久性試驗。

1.3.2 性能測試

　　采用凍融試驗DTR-1 型混凝土快速動融試驗設備, 按照GBJ82-198《5 普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》中抗凍性能試驗的“ 快凍法”進行。試驗過程中, 采用單組雙彈簧加載架[2]對試件施加彎曲荷載, 加載比例為破壞荷載的30%。凍融介質(zhì)除水外, 主要包括新疆、青海、內(nèi)蒙古和西藏鹽湖的模擬鹵水, 其化學成分[3]見表3。

　　試件重量變化采用精度0.1g 的電子天平測定, 相對動彈性模量采用NM-4B 型非金屬超聲波檢測分析儀測定。試驗時首先測定出超聲波的傳播聲時, 聲速由試件的長度與聲時的比值求得, 結(jié)果以三個試件的平均值表示。儀器的測試參數(shù)為: 發(fā)射電壓500V, 換能器的頻率為50kHz, 采樣周期0.1μs, 首波控制電平4, 起點延遲長度100, 零聲時讀數(shù)1.70μs, 超聲波初始振幅126.89dB。

　　根據(jù)文獻[4], 材料的動彈性模量與超聲波聲速的理論關系如下:

　　式中: E 為材料的動彈性模量; ! 為材料密度; " 為材料泊松比;V 為材料的超聲波速度。

　　由于混凝土材料的泊松比和密度變化幅度不大, 可以認為在試驗過程中混凝土的泊松比不變, 因此, 混凝土的相對動彈性模量可用下式計算:

　　式中: Er為相對動彈性模量; E0 和V0 分別為混凝土試驗前的初始動彈性模量和超聲波速度; Et 和Vt 分別為混凝土經(jīng)過耐久性試驗后的動彈性模量和超聲波速度。

2 結(jié)果與討論

2.1 在( 鹵水腐蝕+ 凍融) 雙重因素作用下鹽湖鹵水種類對混凝土耐久性的影響圖1 是28d 齡期的混凝土在水和4 種鹽湖鹵水中凍融過程中相對動彈性模量和重量變化規(guī)律。結(jié)果表明, 凍融介質(zhì)不同, 混凝土的相對動彈性模量、重量及其變化規(guī)律有較大的差異。在新疆、內(nèi)蒙古和西藏鹽湖鹵水中凍融, 混凝土的相對動彈性模量變化特征與水中凍融相似, 但是其重量變化規(guī)律與水中凍融相反, 表現(xiàn)為重量增加。混凝土在青海鹽湖鹵水中凍融, 則具有獨特的延緩破壞現(xiàn)象, 其相對動彈性模量緩慢降低, 重量緩慢增加。

　　與水中凍融相比, 內(nèi)蒙古鹽湖鹵水加速了混凝土的凍融破壞, 西藏和新疆鹽湖鹵水則在一定程度上延緩了凍融破壞。對于青海鹽湖鹵水, 因其過飽和度大, 含有更多的Cl- , 冰點很低,

　　在快速凍融時( - 18℃) 并不結(jié)冰, 所以大大地延緩了混凝土的凍融破壞, 即使經(jīng)歷1 560 次循環(huán), 混凝土的相對動彈性模量Er仍然高達62%。根據(jù)混凝土快速凍融試驗標準的規(guī)定, 把Er=60%作為破壞標志, 則混凝土在水中的凍融壽命為20 次循環(huán), 在不同鹽湖鹵水中的腐蝕—凍融壽命分別為: 內(nèi)蒙古鹽湖14 次, 新疆鹽湖33 次, 西藏鹽湖41 次, 青海鹽湖在1 560 次以上?？梢? 混凝土在內(nèi)蒙古鹽湖的凍融壽命縮短了30%, 在新疆、西藏和青海鹽湖的凍融壽命分別延長了65%、1.05 倍和78倍以上。

2.2 在( 荷載+ 鹵水腐蝕+ 凍融) 多重因素作用下鹽湖鹵水種類對混凝土耐久性的影響圖2 是90d 齡期混凝土在不同鹽湖鹵水中進行加載與非加載凍融試驗的相對動彈性模量變化規(guī)律。結(jié)果表明, 施加荷載進一步降低了混凝土的耐久性, 縮短了其壽命。當Er=60%時, 混凝土未施加荷載時, 在新疆、內(nèi)蒙古和西藏鹽湖鹵水中的腐蝕—凍融壽命分別為25、19 和26 次, 當施加30%彎曲荷載以后, 其荷載—腐蝕—凍融壽命分別為16、11 和15 次, 施加荷載與不施加荷載的壽命之比分別為0.64、0.58 和0.58, 平均比值為0.6。對于青海鹽湖鹵水, 由于冰點降低效應, 在試驗進行到1 500 次循環(huán)時, 試件仍未達到破壞狀態(tài), 但是施加荷載對于混凝土的凍融損傷具有明顯的加速作用。

2.3 混凝土在鹽湖鹵水中的凍融破壞形態(tài)與耐久性失效機理的探討

　　目前, 關于混凝土在鹽湖地區(qū)的耐久性失效機理還不十分清楚, 文獻[5]報道了混凝土在青海鹽湖的腐蝕破壞機理, 但未見混凝土在其它鹽湖的相關報道。圖3 是混凝土在水和新疆鹽湖鹵水中凍融50 次循環(huán)后的典型破壞特征。可見, 混凝土在水中的凍融破壞特征是表面剝落, 在鹽湖鹵水中的腐蝕—凍融破壞則表現(xiàn)為鹽結(jié)晶壓開裂。在低溫條件下, 4 種鹽湖鹵水因濃度和成分之間的差別表現(xiàn)出不同的過飽和度, 其低溫鹽類結(jié)晶的種類和數(shù)量顯著不同。根據(jù)XRD 分析[6], 新疆、西藏和內(nèi)蒙古鹽湖鹵水在( - 17±2) ℃凍結(jié)過程中析出的低溫結(jié)晶相都以Na2SO4·10H2O 為主, 新疆,西藏的含有少量NaCl, 內(nèi)蒙古的含有少量Na2CO3·10H2O, 這與內(nèi)蒙古鹽湖鹵水含有大量CO32- 離子有關, 而青海鹽湖鹵水的低溫結(jié)晶相則以NaCl 為主, 并有少量的CaSO4·2H2O。當混凝土在新疆、內(nèi)蒙古和西藏鹽湖鹵水中進行凍融試驗時, 由于混

　　凝土內(nèi)部孔隙吸收了鹽湖鹵水, 不僅使試件重量增加了, 而且冷凍時產(chǎn)生Na2SO4·10H2O 結(jié)晶, 對混凝土孔壁形成很大的結(jié)晶壓力。在反復凍融過程中, 混凝土受到鹽結(jié)晶壓的疲勞作用,導致試件發(fā)生膨脹、開裂、破壞。這充分說明, 在低溫條件下, 鹽湖鹵水對混凝土的破壞作用是物理破壞和化學腐蝕共同作用的結(jié)果, 鹽湖鹵水種類對破壞作用存在重大的影響。

　　圖4 是處于加載條件下的混凝土在鹽湖鹵水中進行凍融試驗時的典型破壞形態(tài)。當混凝土施加30%的彎曲破壞荷載時, 試件受拉區(qū)產(chǎn)生了一定的初始拉應力, 隨著混凝土在新疆、內(nèi)蒙古和西藏鹽湖鹵水中凍融循環(huán)次數(shù)的增加, 膨脹性的Na2SO4·10H2O 在混凝土孔隙內(nèi)部結(jié)晶形成, 結(jié)晶壓使混凝土結(jié)構受到很大的拉應力作用, 疊加于初始拉應力之上, 從而加快了混凝土受拉區(qū)微裂紋的形成與擴展速度, 使混凝土的破壞表現(xiàn)為鹽結(jié)晶壓和荷載作用下的突然斷裂, 導致混凝土壽命進一步縮短。

　　當混凝土在青海鹽湖鹵水中進行凍融試驗時, 由于鹵水不結(jié)冰, 低溫結(jié)晶相NaCl 也不具備膨脹特性, 所以單一的溫度變化對混凝土幾乎沒有破壞影響。這充分驗證了以下2 個觀點:

　　第一, 無論是在水中或在鹽湖鹵水中, 溫度交替變化產(chǎn)生的溫度應力, 并不是混凝土凍融破壞的主要原因; 第二, 混凝土在青海鹽湖地區(qū)的耐久性失效機理并不是凍融破壞, 腐蝕可能是唯一的破壞機理[5]。

3 結(jié)論

　　(1) 在鹽湖地區(qū)的鹵水腐蝕和凍融雙重因素作用下, 混凝土的耐久性有較大的差異。與水中的單一凍融相比, 內(nèi)蒙古鹽湖鹵水加速了混凝土的凍融破壞, 西藏和新疆鹽湖鹵水則在一定程度上延緩了凍融破壞, 而青海鹽湖鹵水則具有獨特的延緩破壞現(xiàn)象。混凝土在內(nèi)蒙古鹽湖的凍融壽命要縮短30%, 在新疆、西藏和青海鹽湖的凍融壽命分別延長65%、1.05 倍和78 倍以上。

　　(2) 在鹽湖地區(qū)的荷載、鹵水腐蝕和凍融的多重因素作用下, 混凝土的耐久性進一步惡化, 壽命大為縮短。在新疆、內(nèi)蒙古和西藏鹽湖鹵水中, 施加30%彎曲荷載后, 混凝土的耐久性壽命與未施加荷載之比約為0.6。

　　(3) 溫度應力并不是混凝土在水或鹵水等介質(zhì)中凍融破壞的主要原因?；炷猎谛陆?、內(nèi)蒙古和西藏鹽湖鹵水中的腐蝕—凍融破壞機理是Na2SO4·10H2O 的結(jié)晶壓開裂, 施加荷載以后混凝土則表現(xiàn)為在鹽結(jié)晶壓和荷載作用下的突然斷裂。

　　(4) 凍融破壞并不是混凝土在青海鹽湖地區(qū)的耐久性失效機理, 腐蝕可能是唯一的破壞機理。

參考文獻:

　　[1] 張彭熹, 張保珍, 唐淵, 等.中國鹽湖自然資源及其開發(fā)利用[M].北京: 科學出版社, 1999.

　　[2] 慕儒, 嚴安, 孫偉.荷載與凍融同時作用下HSC 和SFRHSC 的耐久性[J].工業(yè)建筑, 1998, 28( 8) : 11- 14.

　　[3] 鄭喜玉, 李秉孝, 高章洪, 等. 新疆鹽湖[M]. 北京: 科學出版社,1995, 77.

　　[4] 羅騏先, Bungey.J.H.用縱波超聲換能器測量砼表面波速和動彈性模量[J].水利水運科學研究, 1996,( 3) : 264- 270.

　　[5] 余紅發(fā), 孫偉, 王甲春, 等.鹽湖地區(qū)混凝土的長期腐蝕產(chǎn)物與腐蝕機理[J].硅酸鹽學報, 2003, 31( 5) : 434- 440.

　　[6] 余紅發(fā), 孫偉, 武衛(wèi)鋒, 等.普通混凝土在鹽湖環(huán)境中的抗鹵水凍蝕性與破壞機理研究[J].硅酸鹽學報, 2003, 31( 8) :763- 769.