長期浸泡作用下風積沙混凝土微觀特性研究

朱遂軍,汪金滿,王想想,楊強斌,李根峰,楊效田

(1.甘肅省第五建設集團有限責任公司,天水 741000;2.重慶文理學院土木工程學院,重慶 402160;3.蘭州理工大學材料學院,蘭州 730050)

0 引 言

近年來,學者們對風積沙資源開發及沙漠地區混凝土耐久性進行了大量研究,如董瑞鑫等[1]研究指出,在硫酸鹽侵蝕作用下,混凝土質量損失率在干濕循環60次時出現“拐點”,風積沙混凝土和普通混凝土的抗壓耐蝕系數分別降低到84%、87%;董偉等[2-5]對碳化、干濕、鹽凍作用下的風積沙混凝土氯離子傳輸規律進行了研究,指出碳化作用阻礙了氯離子向內部遷移,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向內侵蝕,20%(質量分數)的風積沙摻入對混凝土鹽侵、凍融作用后的抗壓強度、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,風積沙影響混凝土的抗凍性,100%摻量風積沙混凝土強度低,但抵抗凍融、鹽侵效果最好;Xue等[8-9]研究指出,風沙吹蝕為后續鹽侵作用提供侵蝕通道,鹽侵作用使風積沙混凝土表面剝蝕松動,為吹蝕作用提供吹蝕縫隙,孔洞變化進一步加劇。

學者們對風積沙資源利用及風積沙混凝土在鹽侵作用下的劣化損傷進程進行了一系列研究,明確了劣化過程中各損傷變量的關聯及影響機制,但關于風積沙混凝土在不同風積沙摻量和不同鹽濃度作用下的劣化及損傷過程方面的研究較少,極大地限制了風沙資源的規?；瘧?。

鑒于此,本文設計了不同風積沙摻量(0%、20.0%、40.0%、60.0%、80.0%、100.0%,質量分數)和硫酸鹽濃度(硫酸鎂質量分數分別為0%、3.5%、5.0%)作用下的風積沙混凝土長期浸泡試驗,進而探究硫酸鹽侵蝕過程中風積沙混凝土的微觀孔隙結構、形貌及產物特征,明確風積沙混凝土的劣化機制,為西部地區風積沙資源開發及鹽漬環境下風積沙混凝土應用提供理論依據。

1 實 驗

1.1 原材料

研究用細集料取自呼和浩特市周邊砂場,細度模數為2.85,風積沙取自庫布齊沙漠,細度模數為0.74;試驗用粗集料為卵碎石,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水;減水劑采用內蒙古榮升達新材料有限責任公司的聚羧酸類SC-40型高效減水劑,減水率達26%;引氣劑為SJ-3型高效引氣劑,同時測得內蒙古金橋電廠二級粉煤灰、冀東P·O 42.5水泥理化性質指標如表1所示。

表1 風積沙混凝土原材料理化性質指標Table 1 Physical and chemical properties index of aeolian sand concrete raw materials

1.2 風積沙混凝土配合比

依據《水工混凝土施工規范》(SL 677—2014)、《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55—2011)中混凝土配合比設計的相關規定和美國混凝土協會配合比設計規定,按照風積沙摻量為0%、20.0%、40.0%、60.0%、80.0%、100.0%替代河砂,制備風積沙混凝土,具體配合比如表2所示。實驗室測得風積沙摻量為0%、20.0%、40.0%、60.0%、80.0%、100.0%時,風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%組風積沙混凝土和易性良好,80.0%、100.0%組風積沙混凝土流動性略低。

表2 風積沙混凝土配合比Table 2 Mix proportion of aeolian sand concrete

1.3 試驗方法

根據內蒙古自治區鹽湖分布情況及類別調研分析,本研究采用硫酸鎂進行風積沙混凝土長期浸泡試驗,設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長方體試件1/2位于浸泡溶液中,1/2暴露于空氣中),并測定初始相對動彈性模量,而后每隔30 d測定試樣相對動彈性模量,持續觀測360 d。宏觀試驗結束后,取氣液交界處試樣進行微觀孔隙、微觀形貌及產物特征分析。

微觀孔隙測試: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)測試孔隙特征。該儀器的磁體類型為永磁體,磁場均勻度為20 ppm(1 ppm=106),探頭線圈直徑為60 mm,射頻發射頻率為300 W以上,H質子共振頻率為23.320 MHz,磁體強度為0.55 T,磁體溫度為32 ℃,磁場穩定性<300 Hz/h。利用取芯機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行測試,測試時環境溫度為25 ℃,環境濕度為60%。

微觀形貌及產物分析:采用Sigma500場發射掃描電子顯微鏡,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的正方形待測樣,并保證觀察面始終處于水平面。由于砂漿試塊導電性不好,高強度的電子束作用在樣品表面會產生電荷堆積,導致圖像質量下降,故在樣品表面噴鍍一層導電金屬,鍍膜厚度為7 nm,試驗時再對樣品所處的樣品室進行抽真空處理,而后通過軟件界面對燈絲加以高壓,進行樣品觀察,并拍攝不同點位(選取5～10個),不同放大倍數(500倍、3 000倍、5 000倍)的掃描電子顯微鏡圖片。在進行微觀形貌觀測的同時,選取產物富集點進行能譜分析,確定侵蝕產物類別。

2 結果與討論

2.1 風積沙混凝土力學性能試驗結果及分析

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

圖1 風積沙混凝土抗壓強度測試結果Fig.1 Test results of compressive strength of aeolian sand concrete

由于風積沙相較于河砂較細,細度模數為0.74,當風積沙替代河砂摻入混凝土時,較細的風積沙可填充卵石、河砂之間的縫隙,增加混凝土密實程度,故風積沙混凝土力學性能有所增加。但是,當風積沙替代河砂比例提高時,風積沙填充效果已趨于飽和,卵石-河砂-風積沙體系中大顆粒與小顆粒物質含量較多,中間顆粒的河砂數量減少,風積沙混凝土密實程度降低,力學性能下降,故風積沙混凝土力學性能隨風積沙摻量增加呈先增強后減弱的變化規律。

2.2 風積沙混凝土長期浸泡試驗結果及分析

由力學測試結果可知,風積沙摻量為80%及以上時,風積沙混凝土抗壓強度低于標準值,故選擇風積沙摻量為0%、20.0%、40.0%、60.0%的混凝土進行后續長期浸泡試驗,浸泡溶液濃度為0%、3.5%、5.0%,0%硫酸鎂浸泡作用下風積沙混凝土相對動彈性模量基本保持不變,3.5%、5.0%硫酸鎂浸泡的相對動彈性模量測試結果如圖2、3所示。

圖2 3.5%硫酸鎂溶液下風積沙混凝土相對動彈性模量測試結果Fig.2 Test results of relative dynamic elastic modulus of aeolian sand concrete in 3.5% MgSO4 solution

圖3 5.0%硫酸鎂溶液下風積沙混凝土相對動彈性模量測試結果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,同種硫酸鎂濃度、不同風積沙摻量下,風積沙混凝土相對動彈性模量均呈先增加后降低的趨勢;同種硫酸鎂濃度、同一侵蝕周期下,隨著風積沙摻量增加,風積沙混凝土相對動彈性模量呈先增加后降低的趨勢,但變化幅度有較大區別。3.5%硫酸鎂溶液中,風積沙混凝土風積沙摻量為0%時,相對動彈性模量在270 d時開始下降,到360 d時降幅達到5.4%。風積沙混凝土摻量為20.0%、60.0%時,相對動彈性模量在300 d時開始下降,到360 d時降幅分別達到1.6%、4.1%。風積沙混凝土摻量為40.0%時,相對動彈性模量在330 d時開始下降,到360 d時降幅達到4.8%。同理,在5.0%硫酸鎂溶液中出現同樣的變化規律,相對動彈性模量下降的時間進一步提前,降幅進一步增大。

在硫酸鎂侵蝕作用下,隨著風積沙摻量增加,風積沙混凝土密實程度先增加后降低,硫酸鹽侵蝕進程也隨風積沙摻量呈先增加后降低的趨勢。同時,部分硫酸鹽還會侵入風積沙混凝土內部,與內部未反應完全的凝膠體進一步發生水化反應,生成一系列具有膨脹特性的鈣礬石等產物,進一步填充風積沙混凝土內部孔隙,增加風積沙混凝土密實度。但是,隨著硫酸鎂溶液濃度升高及侵蝕周期延長,鈣礬石等物質填充效果持續增加并破壞內部孔結構,進而使鹽溶液侵入混凝土內部,降低風積沙混凝土密實程度。因此,隨著硫酸鹽濃度升高、侵蝕周期延長及風積沙混凝土摻量增加,風積沙混凝土相對動彈性模量整體表現為先增加后降低的變化規律,且變化幅度隨鹽濃度升高及風積沙摻量增加而增大。

2.3 風積沙混凝土微觀特性分析

結合力學及彈模測試結果,選取風積沙摻量為40.0%,硫酸鹽濃度為3.5%、5.0%,侵蝕周期為360 d時的風積沙混凝土進行微觀孔隙、形貌及產物分析,結果如表3及圖4～7所示。

圖5 5.0%硫酸鎂溶液下風積沙混凝土孔隙測試結果Fig.5 Test results of porosity of aeolian sand concrete in 5.0% MgSO4 solution

表3 風積沙混凝土孔隙率Table 3 Porosity of aeolian sand concrete

隨著風積沙摻量增加,風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,孔隙率也進一步增加,風積沙摻量為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]根據孔徑大小將混凝土內部孔隙分為無害(<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,隨著風積沙摻量增加,風積沙混凝土內部無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到63.8%,大孔僅為23.7%;5.0%硫酸鎂溶液中也出現類似規律,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組風積沙混凝土內生成針棒狀產物,經能譜分析可知該產物為鈣礬石,5.0%硫酸鎂溶液中針棒狀鈣礬石[13-16]富集程度進一步提高。鈣礬石生成過程具有一定程度的體積膨脹,當鈣礬石生成數量適中時,可填充風積沙混凝土內部孔隙,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,當鈣礬石富集數量過高時,其本身的膨脹特性可破壞風積沙混凝土內部孔隙結構,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組風積沙混凝土能譜測試結果Fig.7 Energy spectra test results of AS-40 aeolian sand concrete in different concentrations of MgSO4 solution

3 結 論

1)風積沙混凝土力學性能隨著風積沙摻量增加呈先增強后減弱的趨勢,隨著侵蝕周期延長,相對動彈性模量呈先增加后降低趨勢,硫酸鹽侵蝕濃度升高后,增加幅度有所降低,且風積沙摻量為40.0%時混凝土力學性能較好,360 d終止試驗時彈性模量也相對較高。

2)風積沙混凝土孔隙率隨風積沙摻量增加呈先降低后增加的趨勢,且硫酸鹽侵蝕作用下內部無害孔基本保持不變,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)風積沙混凝土內部在硫酸鹽侵蝕作用下會產生鈣礬石,鈣礬石富集程度較低時,可填充風積沙混凝土內部孔隙,降低孔隙率,富集程度較高時則會破壞內部孔隙,增加孔隙率。