朱遂軍,汪金滿,王想想,楊強(qiáng)斌,李根峰,楊效田

(1.甘肅省第五建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,天水 741000;2.重慶文理學(xué)院土木工程學(xué)院,重慶 402160;3.蘭州理工大學(xué)材料學(xué)院,蘭州 730050)

0 引 言

近年來(lái),學(xué)者們對(duì)風(fēng)積沙資源開(kāi)發(fā)及沙漠地區(qū)混凝土耐久性進(jìn)行了大量研究,如董瑞鑫等[1]研究指出,在硫酸鹽侵蝕作用下,混凝土質(zhì)量損失率在干濕循環(huán)60次時(shí)出現(xiàn)“拐點(diǎn)”,風(fēng)積沙混凝土和普通混凝土的抗壓耐蝕系數(shù)分別降低到84%、87%;董偉等[2-5]對(duì)碳化、干濕、鹽凍作用下的風(fēng)積沙混凝土氯離子傳輸規(guī)律進(jìn)行了研究,指出碳化作用阻礙了氯離子向內(nèi)部遷移,干濕作用前期加速了氯離子侵入,中后期阻礙了氯離子繼續(xù)向內(nèi)侵蝕,20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的風(fēng)積沙摻入對(duì)混凝土鹽侵、凍融作用后的抗壓強(qiáng)度、孔隙率和束縛流體飽和度的抗損傷劣化提升效果最為明顯;李玉根等[6-7]研究指出,風(fēng)積沙影響混凝土的抗凍性,100%摻量風(fēng)積沙混凝土強(qiáng)度低,但抵抗凍融、鹽侵效果最好;Xue等[8-9]研究指出,風(fēng)沙吹蝕為后續(xù)鹽侵作用提供侵蝕通道,鹽侵作用使風(fēng)積沙混凝土表面剝蝕松動(dòng),為吹蝕作用提供吹蝕縫隙,孔洞變化進(jìn)一步加劇。

學(xué)者們對(duì)風(fēng)積沙資源利用及風(fēng)積沙混凝土在鹽侵作用下的劣化損傷進(jìn)程進(jìn)行了一系列研究,明確了劣化過(guò)程中各損傷變量的關(guān)聯(lián)及影響機(jī)制,但關(guān)于風(fēng)積沙混凝土在不同風(fēng)積沙摻量和不同鹽濃度作用下的劣化及損傷過(guò)程方面的研究較少,極大地限制了風(fēng)沙資源的規(guī)模化應(yīng)用。

鑒于此,本文設(shè)計(jì)了不同風(fēng)積沙摻量(0%、20.0%、40.0%、60.0%、80.0%、100.0%,質(zhì)量分?jǐn)?shù))和硫酸鹽濃度(硫酸鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、3.5%、5.0%)作用下的風(fēng)積沙混凝土長(zhǎng)期浸泡試驗(yàn),進(jìn)而探究硫酸鹽侵蝕過(guò)程中風(fēng)積沙混凝土的微觀孔隙結(jié)構(gòu)、形貌及產(chǎn)物特征,明確風(fēng)積沙混凝土的劣化機(jī)制,為西部地區(qū)風(fēng)積沙資源開(kāi)發(fā)及鹽漬環(huán)境下風(fēng)積沙混凝土應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

研究用細(xì)集料取自呼和浩特市周邊砂場(chǎng),細(xì)度模數(shù)為2.85,風(fēng)積沙取自庫(kù)布齊沙漠,細(xì)度模數(shù)為0.74;試驗(yàn)用粗集料為卵碎石,表觀密度為2 654 kg/m3,堆積密度為1 652 kg/m3,粒徑范圍為4.75～20.0 mm;拌和用水為普通自來(lái)水;減水劑采用內(nèi)蒙古榮升達(dá)新材料有限責(zé)任公司的聚羧酸類(lèi)SC-40型高效減水劑,減水率達(dá)26%;引氣劑為SJ-3型高效引氣劑,同時(shí)測(cè)得內(nèi)蒙古金橋電廠二級(jí)粉煤灰、冀東P·O 42.5水泥理化性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 風(fēng)積沙混凝土原材料理化性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical and chemical properties index of aeolian sand concrete raw materials

1.2 風(fēng)積沙混凝土配合比

依據(jù)《水工混凝土施工規(guī)范》(SL 677—2014)、《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55—2011)中混凝土配合比設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定和美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)配合比設(shè)計(jì)規(guī)定,按照風(fēng)積沙摻量為0%、20.0%、40.0%、60.0%、80.0%、100.0%替代河砂,制備風(fēng)積沙混凝土,具體配合比如表2所示。實(shí)驗(yàn)室測(cè)得風(fēng)積沙摻量為0%、20.0%、40.0%、60.0%、80.0%、100.0%時(shí),風(fēng)積沙混凝土坍落度分別為127、118、109、95、76、61 mm,含氣量分別為5.8%、6.3%、7.1%、7.3%、6.9%、7.8%,其中0%、20.0%、40.0%、60.0%組風(fēng)積沙混凝土和易性良好,80.0%、100.0%組風(fēng)積沙混凝土流動(dòng)性略低。

表2 風(fēng)積沙混凝土配合比Table 2 Mix proportion of aeolian sand concrete

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)內(nèi)蒙古自治區(qū)鹽湖分布情況及類(lèi)別調(diào)研分析,本研究采用硫酸鎂進(jìn)行風(fēng)積沙混凝土長(zhǎng)期浸泡試驗(yàn),設(shè)定硫酸鎂濃度分別為0%、2.0%、3.5%、5.0%。采用半浸入法(100 mm×100 mm×400 mm長(zhǎng)方體試件1/2位于浸泡溶液中,1/2暴露于空氣中),并測(cè)定初始相對(duì)動(dòng)彈性模量,而后每隔30 d測(cè)定試樣相對(duì)動(dòng)彈性模量,持續(xù)觀測(cè)360 d。宏觀試驗(yàn)結(jié)束后,取氣液交界處試樣進(jìn)行微觀孔隙、微觀形貌及產(chǎn)物特征分析。

微觀孔隙測(cè)試:采用上海紐邁電子科技有限公司的MesoMR23-060V-1型核磁共振儀(NMR,Nuclear Magnetic Resonance)測(cè)試孔隙特征。該儀器的磁體類(lèi)型為永磁體,磁場(chǎng)均勻度為20 ppm(1 ppm=106),探頭線圈直徑為60 mm,射頻發(fā)射頻率為300 W以上,H質(zhì)子共振頻率為23.320 MHz,磁體強(qiáng)度為0.55 T,磁體溫度為32 ℃,磁場(chǎng)穩(wěn)定性<300 Hz/h。利用取芯機(jī)從被乙醇終止水化后的試件中鉆取Φ50×H50 mm的圓柱體樣品,并進(jìn)行真空抽水飽和處理,最后擦干樣品表面水分,在表層裹一層生料帶后進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試時(shí)環(huán)境溫度為25 ℃,環(huán)境濕度為60%。

微觀形貌及產(chǎn)物分析:采用Sigma500場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡,分辨率為0.8 nm@30 kV STEM、0.8 nm @15 kV、1.4 nm @1 kV,放大倍數(shù)為10～1 000 000倍,加速電壓為0.02～30 kV,探針電流為3 pA～20 nA,低真空范圍為2～133 Pa。選取片狀、表面平整、適合電鏡底座大小的砂漿試塊,制成5 mm×5 mm的正方形待測(cè)樣,并保證觀察面始終處于水平面。由于砂漿試塊導(dǎo)電性不好,高強(qiáng)度的電子束作用在樣品表面會(huì)產(chǎn)生電荷堆積,導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降,故在樣品表面噴鍍一層導(dǎo)電金屬,鍍膜厚度為7 nm,試驗(yàn)時(shí)再對(duì)樣品所處的樣品室進(jìn)行抽真空處理,而后通過(guò)軟件界面對(duì)燈絲加以高壓,進(jìn)行樣品觀察,并拍攝不同點(diǎn)位(選取5～10個(gè)),不同放大倍數(shù)(500倍、3 000倍、5 000倍)的掃描電子顯微鏡圖片。在進(jìn)行微觀形貌觀測(cè)的同時(shí),選取產(chǎn)物富集點(diǎn)進(jìn)行能譜分析,確定侵蝕產(chǎn)物類(lèi)別。

2 結(jié)果與討論

2.1 風(fēng)積沙混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

不同摻量及不同齡期風(fēng)積沙混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖1所示。由圖1可知,隨著齡期增加,不同摻量風(fēng)積沙混凝土抗壓強(qiáng)度均呈增加趨勢(shì),但增加幅度逐步降低;隨著風(fēng)積沙摻量增加,風(fēng)積沙混凝土抗壓強(qiáng)度呈先增加后降低的趨勢(shì),其中,風(fēng)積沙摻量為40%時(shí),風(fēng)積沙混凝土28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到40.5 MPa,相較于0%摻量下的風(fēng)積沙混凝土提高7.0%,相較于60.0%摻量下的風(fēng)積沙混凝土高5.2%。風(fēng)積沙摻量為80.0%、100.0%時(shí),混凝土28 d抗壓強(qiáng)度分別為32.8、28.5 MPa,低于C35混凝土標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 風(fēng)積沙混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Fig.1 Test results of compressive strength of aeolian sand concrete

由于風(fēng)積沙相較于河砂較細(xì),細(xì)度模數(shù)為0.74,當(dāng)風(fēng)積沙替代河砂摻入混凝土?xí)r,較細(xì)的風(fēng)積沙可填充卵石、河砂之間的縫隙,增加混凝土密實(shí)程度,故風(fēng)積沙混凝土力學(xué)性能有所增加。但是,當(dāng)風(fēng)積沙替代河砂比例提高時(shí),風(fēng)積沙填充效果已趨于飽和,卵石-河砂-風(fēng)積沙體系中大顆粒與小顆粒物質(zhì)含量較多,中間顆粒的河砂數(shù)量減少,風(fēng)積沙混凝土密實(shí)程度降低,力學(xué)性能下降,故風(fēng)積沙混凝土力學(xué)性能隨風(fēng)積沙摻量增加呈先增強(qiáng)后減弱的變化規(guī)律。

2.2 風(fēng)積沙混凝土長(zhǎng)期浸泡試驗(yàn)結(jié)果及分析

由力學(xué)測(cè)試結(jié)果可知,風(fēng)積沙摻量為80%及以上時(shí),風(fēng)積沙混凝土抗壓強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)值,故選擇風(fēng)積沙摻量為0%、20.0%、40.0%、60.0%的混凝土進(jìn)行后續(xù)長(zhǎng)期浸泡試驗(yàn),浸泡溶液濃度為0%、3.5%、5.0%,0%硫酸鎂浸泡作用下風(fēng)積沙混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量基本保持不變,3.5%、5.0%硫酸鎂浸泡的相對(duì)動(dòng)彈性模量測(cè)試結(jié)果如圖2、3所示。

圖2 3.5%硫酸鎂溶液下風(fēng)積沙混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量測(cè)試結(jié)果Fig.2 Test results of relative dynamic elastic modulus of aeolian sand concrete in 3.5% MgSO4 solution

圖3 5.0%硫酸鎂溶液下風(fēng)積沙混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量測(cè)試結(jié)果Fig.3 Test results of relative dynamic elastic modulus of aeolian sand concrete in 5.0% MgSO4 solution

由圖2、3可知,隨著侵蝕周期延長(zhǎng),同種硫酸鎂濃度、不同風(fēng)積沙摻量下,風(fēng)積沙混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量均呈先增加后降低的趨勢(shì);同種硫酸鎂濃度、同一侵蝕周期下,隨著風(fēng)積沙摻量增加,風(fēng)積沙混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量呈先增加后降低的趨勢(shì),但變化幅度有較大區(qū)別。3.5%硫酸鎂溶液中,風(fēng)積沙混凝土風(fēng)積沙摻量為0%時(shí),相對(duì)動(dòng)彈性模量在270 d時(shí)開(kāi)始下降,到360 d時(shí)降幅達(dá)到5.4%。風(fēng)積沙混凝土摻量為20.0%、60.0%時(shí),相對(duì)動(dòng)彈性模量在300 d時(shí)開(kāi)始下降,到360 d時(shí)降幅分別達(dá)到1.6%、4.1%。風(fēng)積沙混凝土摻量為40.0%時(shí),相對(duì)動(dòng)彈性模量在330 d時(shí)開(kāi)始下降,到360 d時(shí)降幅達(dá)到4.8%。同理,在5.0%硫酸鎂溶液中出現(xiàn)同樣的變化規(guī)律,相對(duì)動(dòng)彈性模量下降的時(shí)間進(jìn)一步提前,降幅進(jìn)一步增大。

在硫酸鎂侵蝕作用下,隨著風(fēng)積沙摻量增加,風(fēng)積沙混凝土密實(shí)程度先增加后降低,硫酸鹽侵蝕進(jìn)程也隨風(fēng)積沙摻量呈先增加后降低的趨勢(shì)。同時(shí),部分硫酸鹽還會(huì)侵入風(fēng)積沙混凝土內(nèi)部,與內(nèi)部未反應(yīng)完全的凝膠體進(jìn)一步發(fā)生水化反應(yīng),生成一系列具有膨脹特性的鈣礬石等產(chǎn)物,進(jìn)一步填充風(fēng)積沙混凝土內(nèi)部孔隙,增加風(fēng)積沙混凝土密實(shí)度。但是,隨著硫酸鎂溶液濃度升高及侵蝕周期延長(zhǎng),鈣礬石等物質(zhì)填充效果持續(xù)增加并破壞內(nèi)部孔結(jié)構(gòu),進(jìn)而使鹽溶液侵入混凝土內(nèi)部,降低風(fēng)積沙混凝土密實(shí)程度。因此,隨著硫酸鹽濃度升高、侵蝕周期延長(zhǎng)及風(fēng)積沙混凝土摻量增加,風(fēng)積沙混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量整體表現(xiàn)為先增加后降低的變化規(guī)律,且變化幅度隨鹽濃度升高及風(fēng)積沙摻量增加而增大。

2.3 風(fēng)積沙混凝土微觀特性分析

結(jié)合力學(xué)及彈模測(cè)試結(jié)果,選取風(fēng)積沙摻量為40.0%,硫酸鹽濃度為3.5%、5.0%,侵蝕周期為360 d時(shí)的風(fēng)積沙混凝土進(jìn)行微觀孔隙、形貌及產(chǎn)物分析,結(jié)果如表3及圖4～7所示。

圖5 5.0%硫酸鎂溶液下風(fēng)積沙混凝土孔隙測(cè)試結(jié)果Fig.5 Test results of porosity of aeolian sand concrete in 5.0% MgSO4 solution

表3 風(fēng)積沙混凝土孔隙率Table 3 Porosity of aeolian sand concrete

隨著風(fēng)積沙摻量增加,風(fēng)積沙混凝土孔隙率先降低后增加,且隨著侵蝕溶液濃度升高,孔隙率也進(jìn)一步增加,風(fēng)積沙摻量為40.0%的混凝土在3.5%硫酸鎂溶液中孔隙率為2.553%,在5.0%硫酸鎂溶液中增加到2.879%。研究者[10-12]根據(jù)孔徑大小將混凝土內(nèi)部孔隙分為無(wú)害(<20 nm)、少害(20～<50 nm)、有害(50～200 nm)和大孔(>200 nm)。3.5%硫酸鎂溶液中,隨著風(fēng)積沙摻量增加,風(fēng)積沙混凝土內(nèi)部無(wú)害孔比例基本保持不變,少害及有害孔比例增加,大孔比例減少,其中AS-40組少害及有害孔占比達(dá)到63.8%,大孔僅為23.7%;5.0%硫酸鎂溶液中也出現(xiàn)類(lèi)似規(guī)律,但AS-40組少害及有害孔占比降低至57.3%,大孔增加至31.5%。

由圖6、7可知,3.5%硫酸鎂溶液中AS-40組風(fēng)積沙混凝土內(nèi)生成針棒狀產(chǎn)物,經(jīng)能譜分析可知該產(chǎn)物為鈣礬石,5.0%硫酸鎂溶液中針棒狀鈣礬石[13-16]富集程度進(jìn)一步提高。鈣礬石生成過(guò)程具有一定程度的體積膨脹,當(dāng)鈣礬石生成數(shù)量適中時(shí),可填充風(fēng)積沙混凝土內(nèi)部孔隙,降低孔隙率,增加少害及有害孔的比例,降低多害孔的比例。但是,當(dāng)鈣礬石富集數(shù)量過(guò)高時(shí),其本身的膨脹特性可破壞風(fēng)積沙混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu),降低少害及有害孔的比例,增加大孔的比例。

圖7 不同濃度硫酸鎂溶液下AS-40組風(fēng)積沙混凝土能譜測(cè)試結(jié)果Fig.7 Energy spectra test results of AS-40 aeolian sand concrete in different concentrations of MgSO4 solution

3 結(jié) 論

1)風(fēng)積沙混凝土力學(xué)性能隨著風(fēng)積沙摻量增加呈先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì),隨著侵蝕周期延長(zhǎng),相對(duì)動(dòng)彈性模量呈先增加后降低趨勢(shì),硫酸鹽侵蝕濃度升高后,增加幅度有所降低,且風(fēng)積沙摻量為40.0%時(shí)混凝土力學(xué)性能較好,360 d終止試驗(yàn)時(shí)彈性模量也相對(duì)較高。

2)風(fēng)積沙混凝土孔隙率隨風(fēng)積沙摻量增加呈先降低后增加的趨勢(shì),且硫酸鹽侵蝕作用下內(nèi)部無(wú)害孔基本保持不變,少害及有害孔比例增加,大孔比例降低,但是,隨著硫酸鹽侵蝕濃度升高,風(fēng)積沙混凝土孔隙率增加,少害及有害孔比例降低,大孔比例增加。

3)風(fēng)積沙混凝土內(nèi)部在硫酸鹽侵蝕作用下會(huì)產(chǎn)生鈣礬石,鈣礬石富集程度較低時(shí),可填充風(fēng)積沙混凝土內(nèi)部孔隙,降低孔隙率,富集程度較高時(shí)則會(huì)破壞內(nèi)部孔隙,增加孔隙率。