鹽湖地區(qū)混凝土的耐久性研究III—鹽湖鹵水類型對(duì)混凝土耐久性的影響

摘要: 研究了鹽湖鹵水種類對(duì)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(jī)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(dú)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(jī)理, 當(dāng)混凝土同時(shí)受到鹽結(jié)晶壓和荷載作用時(shí)突然斷裂是其破壞特征。

關(guān)鍵詞: 混凝土; 耐久性; 腐蝕; 凍融

中圖分類號(hào): TU528.33 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A 文章編號(hào): 1002- 3550-( 2007) 02- 0001- 04

0 前言

　　我國有上千個(gè)鹽湖[1], 其中, 新疆有102 個(gè), 青海有33 個(gè),內(nèi)蒙古有370 多個(gè), 西藏有220 多個(gè)。按照鹵水的化學(xué)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(fù)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(dá)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(diǎn)和過飽和度, 對(duì)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(jìn)而探討混凝土在不同鹽湖地區(qū)的耐久性失效機(jī)理。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

　　水泥: 采用南京江南水泥廠生產(chǎn)的強(qiáng)度等級(jí)為P·II 42.5R 硅酸鹽水泥, 其化學(xué)成分見表1, 物理力學(xué)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(xì)度模數(shù)為2.74, 屬中砂, Ⅱ區(qū)級(jí)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(biāo)為2.95%, 屬于5~16mm 連續(xù)級(jí)配。水:采用飲用水。

1.2 配合比

　　混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)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(yàn)方法

1.3.1 試件成型與養(yǎng)護(hù)

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

1.3.2 性能測(cè)試

　　采用凍融試驗(yàn)DTR-1 型混凝土快速動(dòng)融試驗(yàn)設(shè)備, 按照GBJ82-198《5 普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》中抗凍性能試驗(yàn)的“ 快凍法”進(jìn)行。試驗(yàn)過程中, 采用單組雙彈簧加載架[2]對(duì)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(xué)成分[3]見表3。

　　試件重量變化采用精度0.1g 的電子天平測(cè)定, 相對(duì)動(dòng)彈性模量采用NM-4B 型非金屬超聲波檢測(cè)分析儀測(cè)定。試驗(yàn)時(shí)首先測(cè)定出超聲波的傳播聲時(shí), 聲速由試件的長(zhǎng)度與聲時(shí)的比值求得, 結(jié)果以三個(gè)試件的平均值表示。儀器的測(cè)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(diǎn)延遲長(zhǎng)度100, 零聲時(shí)讀數(shù)1.70μs, 超聲波初始振幅126.89dB。

　　根據(jù)文獻(xiàn)[4], 材料的動(dòng)彈性模量與超聲波聲速的理論關(guān)系如下:

　　式中: E 為材料的動(dòng)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(rèn)為在試驗(yàn)過程中混凝土的泊松比不變, 因此, 混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量可用下式計(jì)算:

　　式中: Er為相對(duì)動(dòng)彈性模量; E0 和V0 分別為混凝土試驗(yàn)前的初始動(dòng)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(yàn)后的動(dòng)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(duì)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(duì)動(dòng)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(duì)動(dòng)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(duì)動(dòng)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(dú)特的延緩破壞現(xiàn)象, 其相對(duì)動(dòng)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(duì)于青海鹽湖鹵水, 因其過飽和度大, 含有更多的Cl- , 冰點(diǎn)很低,

　　在快速凍融時(shí)( - 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(duì)動(dòng)彈性模量Er仍然高達(dá)62%。根據(jù)混凝土快速凍融試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定, 把Er=60%作為破壞標(biāo)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。可見, 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(zhǎng)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(duì)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(jìn)行加載與非加載凍融試驗(yàn)的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化規(guī)律。結(jié)果表明, 施加荷載進(jìn)一步降低了混凝土的耐久性, 縮短了其壽命。當(dāng)Er=60%時(shí), 混凝土未施加荷載時(shí), 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(dāng)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(duì)于青海鹽湖鹵水, 由于冰點(diǎn)降低效應(yīng), 在試驗(yàn)進(jìn)行到1 500 次循環(huán)時(shí), 試件仍未達(dá)到破壞狀態(tài), 但是施加荷載對(duì)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(jī)理的探討

　　目前, 關(guān)于混凝土在鹽湖地區(qū)的耐久性失效機(jī)理還不十分清楚, 文獻(xiàn)[5]報(bào)道了混凝土在青海鹽湖的腐蝕破壞機(jī)理, 但未見混凝土在其它鹽湖的相關(guān)報(bào)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?？梢? 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(guān), 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(dāng)混凝土在新疆、內(nèi)蒙古和西藏鹽湖鹵水中進(jìn)行凍融試驗(yàn)時(shí), 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(shí)產(chǎn)生Na2SO4·10H2O 結(jié)晶, 對(duì)混凝土孔壁形成很大的結(jié)晶壓力。在反復(fù)凍融過程中, 混凝土受到鹽結(jié)晶壓的疲勞作用,導(dǎo)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(duì)混凝土的破壞作用是物理破壞和化學(xué)腐蝕共同作用的結(jié)果, 鹽湖鹵水種類對(duì)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(jìn)行凍融試驗(yàn)時(shí)的典型破壞形態(tài)。當(dāng)混凝土施加30%的彎曲破壞荷載時(shí), 試件受拉區(qū)產(chǎn)生了一定的初始拉應(yīng)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(gòu)受到很大的拉應(yīng)力作用, 疊加于初始拉應(yīng)力之上, 從而加快了混凝土受拉區(qū)微裂紋的形成與擴(kuò)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(dǎo)致混凝土壽命進(jìn)一步縮短。

　　當(dāng)混凝土在青海鹽湖鹵水中進(jìn)行凍融試驗(yàn)時(shí), 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(duì)混凝土幾乎沒有破壞影響。這充分驗(yàn)證了以下2 個(gè)觀點(diǎn):

　　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(yīng)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(jī)理并不是凍融破壞, 腐蝕可能是唯一的破壞機(jī)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(dú)特的延緩破壞現(xiàn)象?；炷猎趦?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(zhǎng)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(jìn)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(yīng)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?nèi)蒙古和西藏鹽湖鹵水中的腐蝕—凍融破壞機(jī)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(jī)理, 腐蝕可能是唯一的破壞機(jī)理。

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